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．     

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。     

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。     

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．     

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     

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     

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/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。     

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     

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.     

对称模式下的CHAMP弯曲角掩星数据同化

简单介绍了无线电掩星技术探测行星大气的发展史,列举了该技术中存在的若干问题。从 Eyre提出的统计学的最优估计反演方法,比较了用相位、弯曲角和折射率作为同化因子时出现的问题和各自的优缺点。对弯曲角同化因子,以欧洲中期天气预报中心(ECMWF)资料为背景场,运用一维变分技术,进行CHAMP掩星观测资料变分同化反演,从而获得水汽和温度剖面。将反演获得的气象剖面与非同化的剖面作比较,并且采用相应的探空气球资料作为验证,可以看出变分同化技术比传统的标准反演技术反演误差小。证实掩星数据资料的一维变分同化技术可以改进目前的数值天气预报模式。     

One-dimensional variational retrieval of refractivity profiles by GPS occultation

In recent years, the technique of Global Positioning System/Low Earth Orbit (GPS/LEO) radio occultation has opened up a new route for exploring the earth atmosphere. With this technique, the vertical profiles of pressure, temperature, water vapor of the earth atmosphere can be retrieved from GPS/LEO occultation data, thus making the latter a potentially valuable data resource for meteorological and atmospheric sciences. The technique may effectively improve the quality of the meteorological profiles, and so improve the current numerical weather forecasting model. In the one-dimensional variational (1DVAR) assimilation retrieval technique in current use, the profiles of atmospheric water vapor and temperature, as well as the sea level pressure are retrieved by assimilating the atmospheric refractivity or bending angle profile from GPS/LEO occultation data. In the system independently developed at Shanghai Observatory, the 1DVAR assimilation of CPS occultation data is accomplished by the Levenberg-Marquardt method with the analytical data from the European Center for Medium Range Weather Forecasting (ECMWF) as the background field, the refractivity profile obtained from CHAMP occultation data as the observational quantity. The result was checked with sounding balloon data near the occultation points.     

GIM在LEO卫星单频GPS定轨中的应用

电离层延迟误差是单频GPS(Global Positioning System)数据最主要的误差源,为提高基于单频GPS数据的LEO(Low Earth Orbiting)卫星定轨精度,必须消除/减弱GPS观测数据中电离层延迟影响.研究了全球电离层模型GIM(Global IonosphericMaps)在基于单频GPS伪距数据的低轨卫星运动学和动力学定轨中的应用,并通过估算电离层尺度因子的方法消除C/A码伪距观测量中电离层延迟影响.由于LEO卫星星载GPS信号受电离层延迟影响与卫星轨道高度相关,选取了轨道高度在300～800 km的CHAMP(CHAllenging Mini-satellite Payload)、GRACE(Gravity Recovery AndClimate Experiment)、TerraSAR-X及SAC-C等LEO卫星C/A码伪距观测量作为试算数据.CHAMP等卫星实测数据计算结果表明:以JPL(Jet Propulsion Laboratory)发布的GIM模型作为背景模型,通过电离层比例因子法能很好地消除C/A码伪距观测量中电离层延迟影响,提高LEO卫星运动学和动力学定轨精度,其中,CHAMP卫星轨道最低,受电离层延迟影响最严重,定轨精度提高最显著,分别为55.6%和47.6%;SAC-C卫星轨道高度最高,受电离层延迟影响最小,相应的定轨精度提高幅度也最低,分别为47.8%和38.2%.     

The Application of GIM in Precise Orbit Determination for LEO Satellites with Single-Frequency GPS Measurements

With the precise GPS ephemeris and clock error available, the iono- spheric delay is left as the dominant error source in the single-frequency GPS data. Thus, the removal of ionospheric effects is a ma jor prerequisite for an improved orbit reconstruction of LEO satellites based on the single-frequency GPS data. In this paper, the use of Global Ionospheric Maps (GIM) in kine- matic and dynamic orbit determinations for LEO satellites with single-frequency GPS pseudorange measurements is discussed first, and then, estimating the iono- spheric scale factor to remove the ionospheric effects from the C/A-code pseu- dorange measurements for both kinematic and dynamic orbit determinations is addressed. As it is known that the ionospheric delay of space-borne GPS sig- nals is strongly dependent on the orbit altitudes of LEO satellites, we select the real C/A-code pseudorange measurement data of the CHAMP, GRACE, TerraSAR-X and SAC-C satellites with altitudes between 300 km and 800 km as sample data in this paper. It is demonstrated that the approach to eliminating ionospheric effects in C/A-code pseudorange measurements by estimating the ionospheric scale factor is highly effective. Employing this approach, the accu- racy of both kinematic and dynamic orbits can be improved notably. Among those five LEO satellites, CHAMP with the lowest orbit altitude has the most remarkable improvements in orbit accuracy, which are 55.6% and 47.6% for kine- matic and dynamic orbits, respectively. SAC-C with the highest orbit altitude has the least improvements in orbit accuracy accordingly, which are 47.8% and 38.2%, respectively.     

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。     

GPS掩星技术低轨卫星计划的现状及进展

主要介绍了几个国际上已经实施的GPS掩星计划（GPS／MET，Φrsted,Sunsat,SAC-C,CHAMP)和在研的（COSMIC，ACE）低轨卫星计划的现状及取得的进展。通过总结可知，下一代GPS掩星接收器应具有体积小、质量轻（几百克）、低功耗的特点；能提供实时的卫星物理状态参数；飞行器上的自主计算和控制；星上数据通信和命令解释；所有跟踪数据应符合厘米级精密定轨的要求；能提供掩星和海洋反射实验的测量。     

基于双频星载GPS数据的LEO卫星运动学定轨研究

运动学定轨是星载GPS特有的定轨方法,该方法不依赖于任何力学模型(地球重力场、大气阻力及太阳辐射压等),尤其适用于受大气阻力影响严重的低轨卫星定轨.基于双频星载GPS数据,研究了运动学定轨原理,讨论了数据预处理方法,建立了一套非差运动学定轨算法.并以GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment)-A、B卫星2008年2月实测数据作为试算验证了本研究方法的有效性和可靠性.GRACE 卫星实测数据计算结果表明:运动学定轨能达到5 cm精度(相对于SLR (Satellite Laser Ranging)),与动力学和简化动力学定轨精度相当.