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     

CHAMP观测资料的振幅反演初步结果

在几何光学和薄相位屏的假设下，给出GPS／LEO无线电掩星反演地球大气技术中振幅反演的计算方法．从产生接收信号振幅变化的机制出发，提出产生信号振幅变化的几何衰减和物理衰减两个不同的源．利用CHAMP卫星观测资料的个例，用观测信噪比序列进行了大气弯曲角、大气折射率、压力、温度剖面的反演；并与相位反演结果进行比较和讨论．     

GPS掩星折射率剖面一维变分同化

近年来,GPS／LEO(全球定位系统／低地球轨道)卫星无线电掩星技术给出了地球大气探测的新途径．从LEO卫星观测到的掩星数据可以反演的地球大气的气压、水汽、温度等剖面;它们对气象和大气科学研究,是具有潜在价值的数据资源．掩星数据资料的同化技术可以有效地改进这些气象参数的剖面,从而改进目前的数值天气预报模式．在当前采用的一维变分同化反演技术中,可以用掩星观测资料的大气折射率或弯曲角剖面进行同化,来反演大气水汽和温度剖面以及海平面压强．作为独立自主开发的GPD／LEO掩星技术系统的一部分,以欧洲中尺度天气预报分析(ECMWF)资料为背景场,CHAMP 掩星观测得到的折射率剖面为观测值,采用Levenberg—Marquardt方法实行GPS掩星资料一维变分同化．在讨论中,用掩星观测点附近相应的探空气球资料来检验CHAMP掩星资料变分同化的结果．     

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．     

上海天文台GPS气象学的研究现状

介绍了上海天台GPS气象学的背景,进展和研究成果,从90年代起,上海天台就分别开展了地基GPS气象学和空基GPS气象学的研究工作,在地基GPS气象研究中,利用国内分布的23个GPS网站及周边地区6个IGS台站,在1996年7月26日到31日（6天）的GPS观测资料,首先求得中性大气天顶延迟改正序列,然后推出测站上空可降水汽量积分,采样频率分别取为30分钟和2小时,得到的天顶延迟改正的精度好于1cm,后演出可降不汽含量的内部精度约1－2mm,把国内GPS网中具有探空气球观测的4个台站,上海,武汉,箍春和西宁的资料进行比较,发现GPS和探空气球的可降水汽含量之间的平均中误差为3－4mm,考虑到上海地区在台风和气候变化较剧烈的季节因素,选择了1997年8月2日到9日（8天）和8月17日至27日（11天）的两个观测时段,做了国内第一个GPS/storm实验,实验结果表明,地面GPS网有可能获得几乎实时的,连续的和主精度的可降水汽含量值,它的结果很好地与实时降雨量过程相对应,实验证明,利用预报轨道可以获得与精密轨道几乎相同的结果,在空基GPS气象研究中,发现地面GPS网水汽观测具有良好的时间覆盖率的优点,缺乏空间分辨率的缺点,而现在的GPS无线电掩星方法恰恰具有良好的空间分辨率而缺乏时间覆盖率,因此,在地球低轨道（LEO）卫星的轨道设计中,提出了通约LEO卫星的方法,希望通过改进轨道的LEO卫星获得长达200多天的观测序列,而它的地面观测点的漂移可以控制在于小100km,这种方法也可以用来设计对特定地面点上空大气剖面的测定,还在设计和建立GPS无线电掩星反演大气剖面的软件。     

GPS掩星振幅反演中的天顶补偿项

推导了GPS无线电掩星振幅观测反演地球大气技术中Abel积分变换中的天顶补偿项，定性地说明了天顶补偿项对计算过程和反演剖面的影响。     

GPS掩星振幅反演中的天顶补偿项

推导了GPS无线电掩星振幅观测反演地球大气技术中Abel积分变换中的天顶补偿项 ,定性地说明了天顶补偿项对计算过程和反演剖面的影响。     

上海天文台GPS/LEO掩星反演地球大气模拟软件(SHAOOS)介绍

由中国科学院上海天文台和温州师范学院数学系联合开发的上海天文台GPS/LEO掩星反演地球大气模拟软件SHAOOS(ShanghaiAstronomicalObservatoryOccultationSimulation)是根据大气折射定律和射线追踪原理设计的 ;其目的是为GPS/LEO掩星反演地球大气技术的理论研究提供多功能的模拟程序 ,并为上海天文台将来的GPS/LEO掩星技术综合科学计算软件包作技术准备。简单介绍了SHAOOS的基本物理原理、数学方法、程序结构和功能以及在此软件基础上可进一步开展的应用研究工作     

GPS/LEO掩星技术中Abel积分变换的奇点问题

在GPS／LEO无线电掩星反演地球大气技术中，Abel积分是反演地球大气折射指数的最常用的方法，Abel积分存在积分奇点的问题，根据这一问题讨论了解决奇异积分的几种不同的积分方法，并提出了一种直接求Abel积分变换的解析解．通过数值积分模拟计算，对比了各种不同积分方法引入了的计算误差。     

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。     

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。     

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     

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     

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。     

掩星技术一维变分同化算法的改进

从LEO卫星观测到的掩星数据可以反演地球大气的气压、水汽、温度等廓线;它们对气象和大气科学研究是有价值的数据资源.掩星数据资料的同化技术可以有效地改进这些气象参数廓线,从而改进目前的数值天气预报精度.把掩星观测参数廓线用变分同化方法进入气象业务流程的最大困难是它的计算量太大,通过对一维变分同化价值函数进行改进和对迭代流程进行新的设计,避免了反复计算大维数矩阵的缺点,从而提高了变分同化的计算效率.在适用性讨论中,用背景场向量加上1个高斯白噪声作为真实值来检验CHAMP掩星资料变分同化的结果.     

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掩星观测的变分同化技术

在简单介绍GPS/LEO掩星探测大气的发展历史和科学意义之后,详细阐述了反演的基本原理;分析了标准反演中存在的问题,并说明一维变分同化(1DVAR)在反演方法中的重要性;给出了一维变分同化中价值函数的求解,以及各种同化因子;简单介绍了对当前气象学中普遍使用的四维变分同化(4DVAR);重点讨论了各种同化方法,以及使用各种同化因子的优缺点。最后,通过CHAMP卫星的观测实例分析,验证了GPS数据在数值天气预报(NWP)中的作用,以及相对于标准反演法一维变分对气象要素的改进。     

MSISE90大气密度模型及其在GPS无线电掩星中的应用

本文简略介绍了MSISE90大气密度模型，它是以提高低高度大气密度计算精度为目标，基于MSIS86模式，采用不相干散射雷达和卫星质谱仪测量资料，在半经验公式的基础上进行拟合处理而成；并指出了Hedin对该模型的修正之处，并将该模型应用于GPS无线电掩星反演中性地球大气参数的先验温度序列的生成。     

MSISE90大气密度模型及其在GPS无线电掩星中的应用

本文简略介绍了MSISE90大气密度模型，它是以提高低高度大气密度计算精度为目标，基于MSIS86模式，采用不相干散射雷达和卫星质谱仪测量资料，在半经验公式的基础上进行拟合处理而成；并指出了Hedin对该模型的修正之处。并将该模型应用于GPS无线电掩星反演中性地球大气参数的先验温度序列的生成。     

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。