山基GPS掩星观测实验及其反演原理

分别在湖北省药姑山和九宫山的山头上开展GPS掩星观测实验，成功获取山基掩星观测数据，对掩星事件进行了分析和统计.给出利用山基掩星观测数据反演大气折射指数剖面和电波弯曲角的原理和算法.利用山基GPS掩星观测模拟数据，对反演方法进行试算和检验，结果表明反演方法准确可行.将该反演方法应用于观测数据的反演，获得了观测点高度以下的大气折射率剖面，以及电波弯曲角.实验结果和原理研究表明，山基掩星观测技术是一种潜在的低层大气环境监测新技术.     

大气GPS掩星观测反演方法

大气GPS掩星观测可获得全球的大气气象参量剖面信息.本文阐述了地球大气GPS掩星观测反演原理,详细介绍了其几何光学近似反演方法和全谱反演方法,提出了将几何光学反演方法和全谱反演方法结合以形成可以处理多路径掩星数据的反演新方案.该方案和几何光学反演方法应用于GPS/MET和CHAMP大气掩星数据反演,成功地获得了大气参量剖面.结果表明,新反演方案是可行的、有效的GPS大气掩星反演方案.     

基于卫星数据和NRLMSISE-00模型的低轨道大气密度预报修正方法

NRLMSISE-00大气模型广泛应用于航天器定轨和预测等方面,但存在着较大的误差,尤其是在短期变化方面.为了提高低轨道大气密度短期预报的精度,我们提出了一种基于实测数据对NRLMSISE-00大气模型密度结果进行修正预报的方法:利用GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)和CHAMP(Challenging Mini-Satellite Payload)卫星2002-2008年大气密度探测数据对NRLMSISE-00模型进行误差分析,获得模型的修正因子,再对模型的大气密度结果进行修正.采用该修正方法对GRACE-A和CHAMP卫星轨道上的大气密度进行3天短期预报试验验证,结果表明可显著提高大气密度的预报精度,在太阳活动低年,修正后的大气密度预报误差比NRLMSISE-00模型误差降低50%以上.     

COSMIC大气掩星开环数据反演方法

COSMIC星座GPS无线电掩星探测利用GPS开环接收技术提高低层大气观测数据的质量和对上升掩星事件的跟踪能力.开环掩星观测数据受到GPS导航数据调制的影响,在其数据后处理中必须消除该影响以获得高质量的科学反演结果.利用GPS导航数据调制码数据和利用开环数据本身内在的关系等两种方法可以消除该影响.将上述方法应用于COSMIC的掩星事件个例反演,获得了修复的大气附加相位数据;并利用几何光学近似反演方法和全谱反演方法,获得了射线弯曲角. 全谱反演方法获得的弯曲角及其温度反演结果与COSMIC数据中心的结果一致,说明我们的算法是有效的.     

利用卫星温度资料计算风场的方法分析与比较

本文分析和比较了利用卫星温度资料计算水平风场的方法,包括地转风、梯度风和平衡风的计算方法.以DAAC提供的MLS/UARS 1992年12月份的大气温度数据为例,计算了20～55 km高度范围的地转风、梯度风和平衡风,并与ECMWF提供的ERA-40再分析风场资料作了对比和分析,包括12月16日以及12月月平均风场随纬度-高度的变化、风场随经度-纬度的变化、纬圈平均风场随纬度-高度的变化特征和规律.计算结果表明,利用卫星温度观测数据计算的风场与再分析资料的特征和规律基本一致.计算的地转风在高纬地区比梯度风和平衡风大,在中低纬地区三者的差别较小,随着纬度的增大,曲率项的影响也逐渐增大,在高纬地区不可忽略.平衡风在梯度风的基础上还考虑了大气平流项的影响,能更好地反映风场的变化特征,尤其是高纬地区经向风的变化规律.利用平衡风场的计算结果,文章首次定量地计算了平衡方程中各项的大小和比值,分析了各项的贡献和相对重要性.结果表明,重力位势梯度项的贡献最大,并且随着纬度的增大有升高的趋势;曲率项的贡献随着纬度的增大也有增大的趋势,在高纬度地区的比值超过10%;平流项占有一定的比值,其变化范围相对较大,变化规律比较复杂.     

临近空间大气扰动变化特性的定量研究

本文利用TIMED/SABER 2002年1月至2013年1月共11年的卫星温度探测数据,通过全球网格化及在网格内作数学统计的方法,得到了20~100km高度上全球网格点上温度的平均值和标准差,实现了对临近空间全球大气扰动进行定量刻画的目的.通过定量分析温度标准差的分布特性,文中得到了临近空间大气扰动的全球分布规律,并讨论了与这些分布规律相关的物理过程.结果表明,在20~70km高度上,温度标准差为1~10K,有显著的冬季/夏季的差异,冬季的温度标准差比夏季大;大气重力波扰动是最主要来源,同时大气传播性行星波引起的扰动也是来源之一.在70~100km高度上,温度标准差常年较强,量值为10~30K,冬季/夏季的差异小,低纬地区的温度标准差高于中高纬度地区,呈现许多局地化的小结构.大气重力波是引起该区域大气总扰动量的主要扰动来源,大气潮汐波、传播性行星波(准2天、准6.5天)也有重要贡献.     

GPS测量误差对大气掩星反演精度影响分析

在无线电GPS大气掩星观测中,GPS和LEO卫星的位置误差、速度误差、卫星钟的漂移、载波相位观测误差等会给其反演的大气参量带来一定的误差.为定量分析上述GPS测量误差对大气掩星反演精度的影响,本文采用模拟分析的方法,利用CHAMP实测轨道数据和大气与电离层经验模式,采用三维射线追踪方法模拟得到大气附加相位观测数据;然后根据各种GPS测量误差的不同性质,在模拟掩星观测大气附加相位数据中加入GPS测量误差并进行反演,将其反演结果与未加入误差时的反演结果进行比较,分析各测量误差所带来的掩星反演误差的特点;利用一天的151个分布全球的掩星事件的误差结果进行统计分析.结果表明:(1)±10 m的GPS径向位置误差引起的温度反演误差的平均误差在30 km的高度为(-+)0.8K,标准偏差为0.05K;±0.4 m的LEO径向位置误差引起的温度反演误差的平均误差在30 km的高度为(-+)1.2K,标准偏差为0.07K.(2)仅考虑卫星速度误差对掩星几何关系的影响,则±30 m/s的GPS速度误差引起的温度反演误差的平均误差最大为±0.02K,标准偏差为0.3K;±10 m/s的LEO速度误差引起的温度反演误差的平均误差最大为±0.4K,标准偏差为0.06K.(3)当卫星钟漂为1×10-9时,反演温度误差的平均误差在30 km的高度为263K,标准偏差为16K,当卫星钟漂为1×10-14时,反演温度误差的平均误差在30km的高度为0.019K,标准偏差为0.004K.(4)当L1和L2载波相位观测误差分别为1 mm和2 mm时,引起的温度反演的平均误差在30 km的高度为0.01K,标准偏差为0.4K.(5)利用较接近真实观测的三维大气和电离层背景下的模拟附加相位数据,同时加入国际最新指标的各种GPS测量误差进行反演,误差分析结果为:在30 km以下,折射率和密度的相对误差小于0.3%(1σ),压强的相对误差小于0.5%(1σ),温度误差小于1K(1σ).     

COSMIC大气掩星与SABER/TIMED探测温度数据比较

本文利用2009年1月-2011年12月共3年的COSMIC大气掩星观测数据与SABER/TIMED探测数据开展15~60 km大气温度数据的比较分析研究,计算COSMIC与SABER/TIMED探测温度的绝对偏差(T_SABER-T_COSMIC),并统计其平均温度偏差和标准偏差,分析温度偏差随高度、纬度和季节的分布特征,为COSMIC大气掩星与SABER/TIMED探测数据的应用提供更多的参考依据.结果表明:COSMIC与SABER/TIMED数据所反映的温度随高度的变化特征是一致的,数据的大体趋势吻合较好.全球范围的平均温度偏差在38 km左右接近于0 K,在38 km以上,平均温度偏差表现为负的系统性偏差,且随着高度逐渐增大,在38 km以下,平均温度偏差表现为正的系统性偏差,在23 km左右存在极大值,约为2.7 K.COSMIC与SABER/TIMED温度偏差的分布存在着随纬度和季节的变化特征,35 km以下,平均温度偏差在高纬地区和冬季较小,低纬地区和夏季较大,35 km以上,平均温度偏差在高纬地区和冬季较大,低纬地区和夏季较小.温度偏差的标准偏差在低纬地区和夏季较小,高纬地区和冬季较大.纬圈平均的温度偏差在南北半球的分布基本呈对称结构.     

新疆库尔勒地区秋季下平流层重力波特性

利用2011年秋季无线电探空数据,采用矢端曲线法首次分析了新疆库尔勒地区下平流层重力波特征参量,得到36组准单色重力波的结果.结果统计显示：库尔勒秋季下平流层重力波垂直波长、水平波长平均值分别为2.8 km和580 km,固有频率平均值为1.74f.垂直传播方向以上传为主,约占78%,其中下传重力波水平波长较短,固有频率较高.水平传播方向以西北和东南为主,各占1/3,其中上传（下传）重力波水平传播方向以西北（东南）居多,这与热带低纬站点和其他中纬站点观测结果不同.与其他站点比较,库尔勒地区ŵ/f最小,中高纬地区水平波长、垂直波长随纬度增加大致有减小的趋势,库尔勒地区偏离这一趋势,波长偏大.     

火星无线电掩星探测进展

火星是地球的姊妹星，研究火星对了解火星、地球乃至太阳系的演化具有重要意义.自从1964年美国水手4号发射，首次成功地运用无线电掩星技术探知到火星的环境特征之后，国际上不少的火星任务都开展了掩星实验，取得了重要进展.本文依据采用了无线电掩星技术进行勘探的火星探测器发射时间顺序展开调研，针对具有开创性的水手系列、火星全球勘测者、火星快车、火星大气挥发演化探测器、天问一号等，梳理分析和总结了各任务的火星无线电掩星方式以及所获取的廓线数量、位置分布、获取方式等产品信息，以及部分相关的研究结果.本文还分析了当前火星无线电掩星探测方式存在的局限性，并探讨了可能的对策.火星无线电掩星后续可重点考虑多颗星-星掩星结合星-地掩星方式形成掩星星座；并通过选用适当的信号探测频率、改进反演算法等方式进一步提高掩星质量；火星掩星探测手段还可与火星顶部探测雷达、直接探测等手段相结合，发展火星多源数据融合技术.随着探测方式的不断改进，无线电掩星探测将是火星探测的重要手段.未来会有数量越来越多、时间与空间覆盖越来越全面、精度越来越高的掩星数据用于火星的整个空间环境研究，包括大、中尺度乃至小尺度结构的特征与演化规律都将...