GNSS极化掩星信号反演雨团垂直结构方法

本文紧跟国际上新兴起的GNSS提取降雨信息这一研究思路,重点针对利用GNSS极化掩星信号提取雨团垂直结构问题进行了建模、解算和仿真研究.以GNSS-LEO掩星事件为背景,基于GNSS掩星信号经过雨团产生极化相移的物理特性,借鉴计算机层析技术的原理,构建了层析雨团垂直结构的数学物理模型,并提出了采用两种反演算法(TSVD法、Tikhonov法)及两种正则化参数选取方法(L曲线准则、GCV准则)的反演方案;通过数值模拟,分别研究了该方案在超定和欠定情况下的可行性,并对比分析了不同反演算法的效果.结果 表明:超定情况时,上述算法均能较准确地重构出雨团垂直结构,和原始分布的相关系数超过0.96.且不同算法采用不同正则化参数选取方法时结果相同;欠定条件下,甚至在未知数个数远大于观测量个数时,该方案仍可重构出雨团信息,不同仿真试验最优结果的相关系数位于0.75～ 0.98之间,且Tikhonov法明显优于TSVD法.该研究对利用GNSS信号获取区域雨团信息进行了有益探索,为后续低轨卫星载荷方案设计和论证提供了技术支撑.     

附加相位延迟到弯曲角反演过程中的误差传递模型

为了研究全球卫星导航定位系统无线电掩星探测中的误差传递过程,文中讨论了掩星探测中附加相位延迟到弯曲角的反演过程中,附加相位延迟随机误差对反演弯曲角误差的影响。在对全球卫星导航定位系统和低轨道卫星进行精密定轨的情况下,忽略轨道误差对反演结果的影响,将轨道参数视为常数,考虑附加相位延迟△L存在随机误差δ△L时对反演弯曲角α带来的弯曲角误差δα。利用EGOPS仿真软件,采用数值模拟的方法模拟了无电离层影响的大气附加相位延迟数据,利用CHAMP真实轨道数据,MSIS-90大气模型和全三维射线追踪器进行前向建模,从中选取了一个掩星事件对误差传递模型进行了验证。结果表明:附加相位延迟的变化会给弯曲角的反演带来相应的误差:当随机误差为5 cm左右时,反演的弯曲角误差在±0.2 mrad范围内;当随机误差为1 cm左右时,反演的弯曲角误差在±4μrad范围内;当随机误差为1 mm左右时,反演的弯曲角误差在±40μrad范围内。最后从模拟的掩星事件中随机抽取了20个掩星事件进行统计分析,给出了20个掩星事件存在1 cm附加相位延迟测量误差引起弯曲角误差的均值误差,其误差特性虽略大于个例研究结果,但与模型完全吻合,反演的弯曲角误差也在±40μrad范围内,进一步验证了模型的准确性。     

机器学习在气象领域的应用现状与展望

机器学习是人工智能的核心，是使计算机具有智能的根本途径之一。随着以深度学习为代表的机器学习算法取得突破，人工智能呈现了加速发展的趋势，在各行业取得了广泛的应用。机器学习在计算效率、准确性、可移植性、协同性、灵活性、易用性等方面具有较大的优势，下一步将有可能改变传统的气象观测模式，加速和改善气象观测数据的处理，改善数值天气预报质量以及推进地球科学的交叉融合。为更好地推动人工智能相关技术在气象领域的应用，本文从气象观探测、数值预报、危险天气识别与预警和卫星资料处理等方面对机器学习算法的应用现状进行了整理。     

雾灵山山基掩星观测反演误差分析

运用山基GPS掩星探测技术对2005年8月河北雾灵山山基GPS掩星观测试验数据进行了处理,获得了接收机高度以下的大气折射率廓线;分析了掩星反演结果的内部符合情况,并利用同时进行的联合探空观测数据,将探空结果与掩星反演结果进行了比对分析.分析结果表明,山基GPS掩星反演大气折射率的内部符合精度优于1%,与常规探空结果的平均偏差为5.9%.反演结果偏小,标准偏差为5.6%.     

利用COSMIC掩星资料计算平流层大气风场方法分析

利用大气压强、温度、密度等与风场之间的关系,通过大气折射指数、高度及温度数据均可以推算出大气风场,选用2007年1、4、7和10月COSMIC掩星观测的压强和折射率、高度、温度等月平均数据,构建了三种推算大气风场的方法。从风场的纬度高度分布、经度纬度分布及纬圈平均纬向风在不同季节的特性等方面,将计算结果与ECMWF ERA-interim再分析风场结果进行对比,发现计算结果与模式风场基本一致,能够反映出中高纬度大气风场的变化规律,偏差随高度的增高而逐渐增大,1hPa等压面以下偏差在10m/s以内。采用不同掩星数据推算出的大气风场之间的彼此差别很小,折射率与温度资料推算的大气风场几乎相同,高度数据推算出的风场相对前两者偏差稍大,但一般不超过2m/s。     

GPS—LEO掩星探测现状和展望

20世纪80年代美国科学家提出利用GPS系统探测地球大气,诞生了GPS气象学。GPS气象学分为地基GPS气象学和空基GPS气象学,目前地基GPS气象学在世界许多国家已进入业务组网应用阶段,空基GPS气象学也取得了飞速发展。本文在介绍了空基GPS掩星探测的发展历史和探测原理的基础上,重点分析了国际上GPS-LEO掩星探测数据处理和应用领域的最新研究和进展,对我国的GPS-LEO掩星探测研究进行了回顾和总结,最后对GPS-LEO掩星探测未来的发展进行了展望。     

GNSS大气海洋遥感技术研究进展

全球卫星导航系统(GNSS)信号资源的大气海洋遥感技术一直是一个研究热点. 伴随着GNSS系统的建设和发展,相继出现了利用GNSS延迟信号、反射信号、掩星信号、极化信号获取大气和海洋环境参数的一系列新技术新方法. 在回顾GNSS大气海洋遥感技术概况的基础上,先后概述了GNSS延迟信号(GNSS-D)技术、GNSS反射测量(GNSS-R)技术、GNSS无线电掩星(GNSS-RO)技术、GNSS极化掩星(GNSS-PRO)技术的基本原理,比较全面系统地分析了其国内外研究和应用方面的现状及最新进展,特别是新兴GNSS-PRO技术的机理、优势及发展现状. 最后对该研究领域的发展前景进行了一些探讨,相关技术的突破和发展必将在气象、水文、海洋、陆地、空间环境等地球科学领域发挥越来越重要的作用.      

基于GNSS极化掩星信号的降水观测数据周跳处理算法分析

利用全球卫星导航系统(GNSS)极化掩星信号提取降水信息是国际上新兴起的研究领域.针对在前期理论研究、仿真分析和地基试验的基础上，重点解决地基试验数据中的周跳处理问题.结合地基试验双极化载波相位数据的特点，系统对比分析了高次差法、多普勒观测值法等6种常用周跳处理算法的可行性和适用范围，进而研究对高次差法进行改进以解决人为确定求差次数问题，最后通过仿真分析及实测数据验证了该方法的可靠性和有效性.结果表明：该方法能够准确探测出无雨和有雨时水平极化载波相位和垂直极化载波相位的各类大小周跳，可有效应用于GNSS极化掩星信号的降水观测数据处理.