上海天文台GPS掩星技术研究现状

简要地介绍了GPS／LEO卫星无线电掩星技术的基本原理、意义以及国际上的最近动态，列举了几个主要的LEO卫星计划；重点分析了GPS掩星探测地球大气技术中需要注意的若干问题，并推出可能采取的改进方案和相应的技术路线。上海天台在GPS／LEO空基气象学中已经成功地提出：通过通约LEO／GPS轨道方法，实现掩星地面观测点控制的新思路。作为一个应用实例，针对东中国海洋上空大气状况对中国东部经济发达的地区特别是上海地区的天气有着重要影响的背景，提出利用通约LEO／GPS卫星可对该地区大气实施监控。为了充分利用GPS／LEO掩星观测资源，上海天台开展了振幅反演的计算方法研究；提出了在振幅反演中存在着无线电信号几何衰减和物理衰减两种不同的衰减机制，并考虑了它们的数学模型以及对反演结果的影响。简要地叙述了掩星质量因子的定义和计算方法。作为国内天地球动力学研究中心，上海天台将与国内外一些合作单位考虑建立GPS／LEO掩星技术观测处理的软件系统。作为空基GPS气象学的推广，还考虑进行山基和飞机载掩星观测实验，论证用这些方法监测局部大气剖面的可行性以及它们在国民经济和科学研究上的作用。     

GPS／LEO掩星方法中的电离层延迟量对太阳射电辐射流量的响应

对无线电信号在电离层中的传播路径进行了数值模拟；针对掩星观测中的五组实际卫星轨道数据(包括GPS和LEO卫星)，给出了在太阳射电辐射流量(FLUX)分别为0，70，160和240等几种情况下的电离层延迟量对10．7cm波长的太阳辐射流量的响应结果；这分别对应着无太阳辐射、太阳射电辐射处于活动低谷、平静期和高峰期等几种情形。从中可以发现，掩星观测中电离层延迟量对10．7cm波长的太阳射电辐射流量的响应表现为如下特性：电离层延迟同参数FLUX的大小有明显的对应关系，即FLUX越大，则掩星观测中的电离层延迟越大；对于上升掩星情况而言，掩星观测中电离层延迟量起先逐渐增加，然后达到某一峰值，其后逐渐下降；在掩星观测的初期和中期，太阳射电辐射处于活动低谷、平静期和高峰期等几种情形之间的电离层延迟量差异都较为显著，而在掩星观测的后期，几种情形相互间电离层延迟量的差异都比较小。     

LEO卫星轨道设计中的主要摄动源影响评估

对地球低轨道卫星（LEO）轨道设计中的摄动力模型进行了分析，并估计了其量级。然后针对用于GPS无线电掩星的LEO卫星轨道设计对掩星地面测点稳定性的要求，对力学模型进行了取舍，同时估计了各摄动力模型对轨道设计目标的影响。     

上海天文台GPS掩星技术研究现状

简要地介绍了GPS/LEO卫星无线电掩星技术的基本原理、意义以及国际上的最近动态 ,列举了几个主要的LEO卫星计划 ;重点分析了GPS掩星探测地球大气技术中需要注意的若干问题 ,并推出可能采取的改进方案和相应的技术路线。上海天文台在GPS/LEO空基气象学中已经成功地提出 :通过通约LEO/GPS轨道方法 ,实现掩星地面观测点控制的新思路。作为一个应用实例 ,针对东中国海洋上空大气状况对中国东部经济发达的地区特别是上海地区的天气有着重要影响的背景 ,提出利用通约LEO/GPS卫星可对该地区大气实施监控。为了充分利用GPS/LEO掩星观测资源 ,上海天文台开展了振幅反演的计算方法研究 ;提出了在振幅反演中存在着无线电信号几何衰减和物理衰减两种不同的衰减机制 ,并考虑了它们的数学模型以及对反演结果的影响。简要地叙述了掩星质量因子的定义和计算方法。作为国内天文地球动力学研究中心 ,上海天文台将与国内外一些合作单位考虑建立GPS/LEO掩星技术观测处理的软件系统。作为空基GPS气象学的推广 ,还考虑进行山基和飞机载掩星观测实验 ,论证用这些方法监测局部大气剖面的可行性以及它们在国民经济和科学研究上的作用     

GPS无线电掩星数据处理系统

GPS无线电掩星技术能提供高精度、高分辨率、全球覆盖的地球电离层和中性层大气剖面。它具有全天候、低费用、无系统长期漂移等优点。从1995年4月至1997年3月,首次GPS／MET试验的成功显示了GPS掩星技术对监测全球大气能够发挥重要的作用,从而成为当前空间探测技术的研究热点之一。该文主要叙述了无线电掩星技术的数据处理系统的有关情况,并介绍了美国UCAR的掩星数据处理系统CDAAC的概况,可作为我国开展无线电掩星计划有关工作的借鉴。     

非圆轨道GPS/LEO掩星反演地球大气参数的算法及讨论

在非圆轨道GPS和LEO卫星条件下，给出一种较为直接的GPS／LEO掩星反演地球大气参数技术中弯曲角序列的迭代算法，并在理论上对该迭代法的收敛性进行了严格的数学证明．利用GPS掩星反演模拟程序，定量估算了卫星圆轨道假设对GPS／LEO掩星反演地球大气参数的影响，并验证了在非圆轨道条件下各种迭代法的一致性．指出了文献中给出的级数展开迭代算法的不足之处．     

卫星圆轨道假设对GPS无线电掩星反演地球大气参数的影响

给出GPS无线电掩星反演地球大气参数过程中计算大气折射角的解析表达式，以圆轨道假设下的大气折射角计算值为先验约束，采用迭代法对不引入圆轨道假设情况的大气折射角进行归算，在此基础，利用反演方法得到了引入和不引入圆轨道假定两种情况下大气参数（气压和温度）的差分序列，结果表明：卫星圆轨道假设对GPS无线电掩星反演大气参数的影响，在气压方面为1mbar左右，而在气温方面为1K左右，这一结果支持了目前无线电掩星定性误差估计研究中通常引入卫星圆轨道假设这个近似处理方法的合理性，同时也表明：若在高精度反演地球大气参数时，摒弃圆轨道是必要的。     

系外行星系统掩星周期变化研究进展

在掩星法发现的系外行星系统中,如果存在其他未知的伴星绕同一颗恒星运动,掩星行星由于受到伴星引力的影响,运动轨道将发生变化,轨道周期不再是常数,而是变化的。利用这种变化探测掩星系统中的其他行星,已成为一种新的方法。主要介绍了未知行星与掩星行星之间的引力作用引起的掩星周期变化效应,以及掩星周期变化法探测系外行星的理论和研究进展状况,最后简要讨论了几种影响掩星周期变化的其他因素:共轨行星、卫星、潮汐效应、相对论效应及恒星的引力四极矩等。     

GPS无线电掩星监测地球大气技术中的一种长时间序列地面测点方法

ＧＰＳ无线电掩星技术是从行星无线电遥感探测技术发展而来。从８０年代末以来,这种技术在气象学的应用研究中获得新的发展,自从第一颗实验低轨地球卫星（ＬＥＯ卫星）ＭｉｃｏＬａｂｌ在１９９５年４月３日发射升空以后,它所获得的数据和成果已经证实了ＧＰＳ无线电掩星技术在地球大气分层结构的探测上所具有潜在科学价值。但是,延长地面测点的时间覆盖无疑对这种技术在气象和大气的研究上有很大的好处,因而提出一种用低轨通约     

抗差估计在星载GPS卫星非差运动学定轨中的应用

针对星载GPS卫星非差运动学定轨的特点,提出将抗差估计应用于星载GPS卫星运动学定轨,一方面尽量保留来自每颗GPS卫星的观测值,保持较强的卫星几何强度,避免轨道求解出现奇异;另一方面,采用等价权思想,有效地降低质量较差的观测值对定轨结果的影响,保证定轨精度．还采用CHAMP卫星的实测GPS数据验证了新方案的可行性和有效性．     

针对实际气象需要的地球低轨道卫星的轨道计算

针对国内气象部门的要求,本文就某一特定地域对地球低轨道卫星进行轨道计算,使得地面测点能维持在该区域较长时间.计算结果表明该轨道可以使得无线电掩星的地面测点维持在辐射半径为100km之内的区域达130天左右。这基本满足了利用GPS无线电掩星技术对局部地域大气进行监测研究的要求。     

星载GPS精密测轨研究及应用

星载ＧＰＳ定轨系统由于其全天侯、价格低、不受卫星高度的影响可达到米级、分米级乃至厘米级的测轨精度等特点已成为低轨道卫星精密定轨的要求,概述了星载ＧＰＳ系统的组成和定轨原理,给出了星载ＧＰＳ测轨的几种主要方法和数学模型,同时根据ＴＯＰＥＸ卫星星载ＧＰＳ实测数据分析了各种定轨方法的测轨精度以及影响定轨精度的各种因素。     

Improvements of One-dimensional Variational Assimilation Algorithm Based on Occultation Technique

Utilizing the occultation data observed by LEO (low earth orbit) satellites, we can invert the profiles of air pressure, water vapor, temperature of terrestrial atmosphere and so on, and they are the valuable data resources for studying the meteorology and atmospheric sciences. The assimilation techniques with the occultation data can effectively improve these profiles of meteorological parameters, thus they can improve the accuracy of current numerical weather forecasting. The greatest difficulty is the huge amount of calculation to enter into the meteorological operational processes for applying the parameter profiles observed by occultation with the method of variational assimilation. With the improvements of the function of one-dimensional variational assimilation and the new design for iterative process, the defects of repeated calculation of the large dimension matrix can be avoided, thereby improving the computational efficiency of variational assimilation. In the discussion of applicability, it is used as the true value of the vectors of the background field plus one white Gaussian noise to test the variational assimilation results on the occultation data of satellite CHAMP.     

The Effect of GPS Ephemeris on the Accuracy of Precise Orbit Determination of LEO Satellite-borne GPS

The satellite-borne GPS receivers dedicated to precise orbit determination are now being carried by more and more low earth orbit (LEO) satellites and the satellite-borne GPS has become one of the main means for the precise orbit determination of low earth orbit satellites. The accuracy of satellite-borne GPS precise orbit determination depends on the accuracies of the GPS ephemeris and the clock error. Based on the orbit determination function of SHORDEIII zero-difference dynamics and using the observational data obtained by the GRACE satellites for the week from 2005 August 1 to 7 as an example, three versions of GPS ephemerides (igs, igr and igu) are used to carry out orbit determination under the same conditions and to estimate the effect of the GPS ephemeris accuracy on the accuracy of orbit determination of low earth orbit satellites. Our calculated results show that the two ephemerides, igs and igr, are equivalent to each other in orbit determination accuracy (about 9.5 cm), while igu is slightly less accurate, at about 10.5 cm. The effect produced by the data of the high frequency GPS satellite clock error on the accuracy of orbit determination is 1–6 cm.     

上海天文台CHAMP掩星资料处理结果的统计分析

随着GPS全球定位系统的发展,已经有可能使用GPS掩星技术反演精确的大气温度,压强和湿度剖面．在概要地描述上海天文台(SHAO)开发的GPS掩星数据资料反演地球大气流程模块以后,分析了2002年8月1日至2002年8月17日期间2700多次CHAMP掩星数据资料的结果,并且与欧洲中尺度天气预报分析(ECMWF)资料进行比较和统计分析,讨论了CHAMP掩星数据的质量,并分析了CHAMP掩星数据的观测误差和ECMWF的分析模型误差．提出了一种优化的统计分析方法,它能更客观地反映GPS掩星技术的外部符合．统计分析结果表明GPS掩星数据将有可能成为数值天气预报和长期监测地球气候的非常有价值的数据资料．     

GPS/LEO掩星方法中的电离层延迟量对太阳射电辐射流量的响应

对无线电信号在电离层中的传播路径进行了数值模拟;针对掩星观测中的五组实际卫星轨道数据(包括GPS和LEO卫星),给出了在太阳射电辐射流量(FLUX)分别为0,70,160和240等几种情况下的电离层延迟量对10.7cm波长的太阳辐射流量的响应结果;这分别对应着无太阳辐射、太阳射电辐射处于活动低谷、平静期和高峰期等几种情形。从中可以发现,掩星观测中电离层延迟量对10.7cm波长的太阳射电辐射流量的响应表现为如下特性:电离层延迟同参数FLUX的大小有明显的对应关系,即FLUX越大,则掩星观测中的电离层延迟越大;对于上升掩星情况而言,掩星观测中电离层延迟量起先逐渐增加,然后达到某一峰值,其后逐渐下降;在掩星观测的初期和中期,太阳射电辐射处于活动低谷、平静期和高峰期等几种情形之间的电离层延迟量差异都较为显著,而在掩星观测的后期,几种情形相互间电离层延迟量的差异都比较小。     

火星电离层无线电掩星探测仿真研究

对中俄联合火星星-星电离层掩星技术体制进行了分析和介绍,采用三维射线追踪方法对电离层掩星事件的电波观测值进行了模拟计算,并利用模拟的掩星观测数据进行了电子密度廓线反演,结果说明仿真算法可靠.利用仿真的方法,分别对掩星电波相位观测误差和卫星轨道误差等带来的反演误差进行了个例计算和分析,结果得到:5%周的相位测量误差对白天电离层掩星探测结果的影响可以忽略,而夜间电子密度测量的绝对误差小于4×108 m-3;卫星轨道误差对掩星的主要影响是导致电离层高度抬升或下降.结果表明,中俄联合火星电离层掩星探测技术体制先进,可望获得高精度的电子密度廓线;其技术体制也可以用于月球电离层环境的探测.