地基GPS低高度角观测反演大气折射率廓线的模拟仿真

用价值函数的最优估计方法,发展了地基GPS弯曲角和相位观测联合反演大气折射率廓线的算法. 在价值函数中提出了一个比较合理的权系统;通过四参数形式的折射率模型,采用变分同化技术,反演出大气折射率廓线. 模拟结果显示,地基GPS观测反演得到的低层大气折射率廓线与真值吻合较好,并可以应用到大气波导的探测.     

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.     

电离层掩星反演的变分同化方法

电离层掩星数据反演的传统方法是Abel反演法及其改进方法,而实际电离层的非球对称给电离层电子密度反演带来误差.本文研究了在气象领域广泛应用的变分同化方法在掩星数据反演电离层电子密度廓线的可行性,利用IRI和Nequiek模型模拟掩星真值场和背景场进行数值模拟反演,并与Abel反演法反演结果进行对比.结果表明,变分同化反演方法能够有效综合模式和观测数据,使得反演结果精度较高;与Abel反演法相比,反演的电子密度廓线F2层峰值浓度误差在10％以下,而Abel反演法在20％～30％之间;而且变分同化反演法对误差扰动有较好的过滤性,因此实用性较强.     

地基GNSS VTEC约束的大气掩星电离层误差修正方法

介绍了一种考虑电离层沿GNSS掩星射线路径分布不对称且兼顾一阶和二阶项的大气掩星电离层误差修正新方法,它综合地基GNSS VTEC的水平变化信息和电离层模式的垂直变化信息,在沿"入射线"与"出射线"双边局部球对称假设下,估算GNSS掩星射线路径上的电子密度;进而计算一阶和二阶项弯曲角电离层误差廓线.采用太阳活动低年的2008年7月15日和太阳活动较高年的2013年7月15日两天的MetOp-A和GRACE掩星观测资料和IGS的GNSS VTEC数据,计算了GNSS大气掩星弯曲角一阶和二阶项电离层误差廓线.对比分析表明：新方法经验模型和理论模型的二阶项弯曲角电离层残差,以及经验模型与实测数据的一阶和二阶项弯曲角电离层误差均具有良好的一致性,因此该方法可用于L2信号数据质量较差或L2信号中断的掩星事件,同时修正大气掩星一阶和二阶电离层误差,从而提高弯曲角精度和掩星观测资料的利用率.     

GPS无线电掩星技术反演大气参数方法对比

无线电掩星技术是一种探测地球大气的崭新途径.菲涅耳衍射反演是GPS掩星技术中基于物理光学原理的新的反演方法.文章研究了菲涅耳及几何光学方法的反演原理,利用GPS/MET数据分别反演得到了大气折射率及温度廓线.对比分析了菲涅耳衍射方法在10 Hz、25 Hz和50 Hz三个采样频率下不同的反演结果,通过与几何光学反演结果及相应探空数据的对比分析,表明菲涅耳衍射反演得到的结果在对流层,特别是水汽含量丰富的区域中更为准确可靠.     

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.     

固定翼时间域航空电磁数据拟二维整体反演

航空电磁探测数据量大,二维、三维反演算法复杂、计算速度慢,通常采用一维反演,利用层状模型拼接描述地下复杂结构,但航空电磁数据信噪比低,容易引起一维反演结果横向连续性差等问题.本文针对上述问题,基于一维反演算法,通过整合测线观测数据,建立了测线数据整体的目标函数,并根据Tikhonov正则化反演理论,引入包含空间粗糙度和先验信息的模型参数约束项,确定了拟二维整体反演的目标函数,推导了反演迭代方程组,利用超松弛共轭梯度算法,求得由于整条测线整体反演所致的大型稀疏矩阵的极小化解,实现了对整条测线数据同时反演的固定翼航空电磁数据的拟二维整体反演算法.在反演迭代过程中,正则化因子采用线性搜索自适应迭代的方法自动选取,提高了反演结果的稳定性.对比分析了仿真数据的一维反演与拟二维整体反演结果,得出拟二维整体反演算法横向连续性较好,对高导覆盖层下的导体分辨率优于一维反演,同时受高斯噪声的影响较小.最后,将直升机飞行实测噪声加入仿真数据中,拟二维整体反演结果平均相对误差较一维反演结果降低了31.6%,进一步验证了拟二维整体反演算法的有效性.     

大气掩星反演误差特性初步分析

GPS大气掩星探测技术可以获得全球大气折射率、气压、密度、温度和水汽压等气象参数,该技术基本原理是基于几何光学近似的Abel积分反演.地球扁率、电离层传播时间延迟、大气大尺度水平梯度、多路径传播现象等因素在某些高度范围影响大气反演的精度.本文采用模拟的方法,分析其中地球扁率及电离层对反演结果的影响,并讨论局部圆弧修正及电离层修正的效果.利用CHAMP掩星实测轨道数据和有关电离层和大气经验模式、采用三维射线追踪方法模拟计算几种情形下的GPS掩星观测附加相位数据,对模拟数据进行反演,将反演气象参量剖面与模拟时给定模式剖面进行比较,得到了0～60 km高度范围内的反演误差.误差统计分析结果表明,局部圆弧中心的修正以及电离层修正,对于高精度的GPS掩星反演是非常重要的;电离层修正残差仍是制约30～60 km高度范围内反演精度的重要因素,进一步完善和优化大气掩星反演需要发展新的电离层修正算法.     

应用地基GPS遥感倾斜路径方向大气水汽总量

应用地基GPS沿倾斜路径方向遥测大气水汽总量,是获得测站周围水汽三维空间分布信息(水汽层析)的基础.本文介绍了地基GPS沿倾斜路径方向遥感大气水汽总量的原理和方法;首先用湿梯度、后处理残差联合计算接收机上空不同方位上大气水汽各向异性成分,在此基础上重构倾斜路径水汽总量.为验证GPS观测结果精度,用微波辐射计（WVR）与GPS一起进行了联合观测,不同观测地点和时间的对比结果表明,二者root mean square (RMS)误差小于4mm,证明应用此种方法地基GPS可较精确地反演出倾斜路径方向大气水汽总量,而且这种反演方法适合于近实时大气遥感探测.地基GPS测量具有全天候可连续观测等优点,可以弥补常规观测的不足,为气候研究提供高精度且连续的水汽数据资料;组网观测可以为数值天气预报提供好的初始场,提高模式预报精度.     

跨孔雷达全波形反演成像方法的研究

跨孔雷达全波形反演是一种使用全波形信息反演两钻孔之间地下信息的层析成像技术.常规的层析成像反演大部分采用射线追踪方法,其中基于初至时的射线追踪方法可以反演出速度剖面（介电常数剖面）,基于最大振幅的层析成像可以反演出衰减剖面（电导率剖面）.常规射线追踪方法有许多不足,究其原因是该方法仅使用了小部分的信号信息.为了进一步提高成像分辨率,本文全面推导了全波形跨孔雷达层析成像反演方法,该方法利用雷达波全幅度相位信息能够反演出地下高分辨率的介电常数和电导率图像.本文通过基于局域网的分布式并行算法,有效地解决了巨量数据正演计算问题.文中首先建立了基于单轴各向异性介质完全匹配层的时间域有限差分二维正演算法,进而通过应用包括时间维度在内的全波场信息与残场逆向传播的全波场信息乘积来计算梯度方向,通过求取以步长为自变量的目标函数的极值确定步长公式,并提出以第一次介电常数反演作为同步反演的初始模型,能够有效提高收敛速度.本文对多组模型进行成像实验,取得了较好的反演效果.     

GPS大气掩星技术在全球气候变化研究中的应用

人类活动引起全球变暖,衡量全球气候变化的指标有陆地、大气和海洋温度,水汽含量等等.研究对流层底层大气温度和水汽含量变化的传统方法是用数值天气预报模型和微波声纳,尚未实现用全球均匀覆盖的数据来做精确的定量研究.和GNSS系列卫星计划比较,最近发射的COSMIC卫星气象探测数据的空间、时间以及垂直分辨率都大大提高.采用COSMIC数据可以改进和量化南极洲的大气压力模型,并综合GNSS系列卫星测量的水汽和温度剖面研究全球气候变化.用一维协方差算法估计南极洲及附近海洋的大气压、温度和湿度剖面.把COSMIC卫星密集测量期间演算得到的大气折射率和GNSS系列卫星的结果进行比较.再和独立测量数据进行比较,包括南极洲自动气象观测站资料,数值天气预报模型资料,多种测高卫星水汽资料和海洋表面温度资料以及区域GPS水汽图.上述工作将改进发展中的气象遥感技术并应用于天气预报和空间天气预报及全球气候变化研究.     

三维模式约束的电离层掩星反演方法

目前电离层掩星数据反演是基于电离层电子密度分布局部球对称近似的Abel反演方法,实际电离层的非球对称性会给电子密度反演结果带来误差.本文研究利用三维电离层模式来提供电子密度水平变化的先验信息约束电离层掩星反演的方法,即三维模式约束法;并将该方法应用于模拟掩星观测数据和实测掩星数据的反演.模拟观测数据的反演结果表明,与Abel反演方法相比,三维模式约束法能够减小反演误差.采用IRI2001模式作为约束,对COSMIC电离层掩星实测数据反演,将反演结果与全球的垂测仪数据进行比较,结果表明,三维模式约束法和Abel反演方法都能很好地反演电离层掩星.     

GPS无线电掩星后向传播方法

在大气多路径传播条件下,讨论了两种无线电信号的反演方法:几何光学方法和后向传播方法.当大气存在多路径效应时,采用几何光学方法反演大气参数会引入较大误差.后向传播方法将无线电信号从多路径区域反推至单路径区域,减少了大气多路径效应的影响.为了比较不同的反演方法,利用多相位屏模型,数值模拟了大气多路径条件下无线电信号在大气中...     

Inversion, error analysis, and validation of GPS/MET occultation data

The global positioning system meteorology (GPS/MET) experiment was the first practical demonstration of global navigation satellite system (GNSS)-based active limb sounding employing the radio occultation technique. This method measures, as principal observable and with millimetric accuracy, the excess phase path (relative to propagation in vacuum) of GNSS-transmitted radio waves caused by refraction during passage through the Earth’s neutral atmosphere and ionosphere in limb geometry. It shows great potential utility for weather and climate system studies in providing an unique combination of global coverage, high vertical resolution and accuracy, long-term stability, and all-weather capability. We first describe our GPS/MET data processing scheme from excess phases via bending angles to the neutral atmospheric parameters refractivity, density, pressure and temperature. Special emphasis is given to ionospheric correction methodology and the inversion of bending angles to refractivities, where we introduce a matrix inversion technique (instead of the usual integral inversion). The matrix technique is shown to lead to identical results as integral inversion but is more directly extendable to inversion by optimal estimation. The quality of GPS/MET-derived profiles is analyzed with an error estimation analysis employing a Monte Carlo technique. We consider statistical errors together with systematic errors due to upper-boundary initialization of the retrieval by a priori bending angles. Perfect initialization and properly smoothed statistical errors allow for better than 1 K temperature retrieval accuracy up to the stratopause. No initialization and statistical errors yield better than 1 K accuracy up to 30 km but less than 3 K accuracy above 40 km. Given imperfect initialization, biases ≫ 2 K propagate down to below 30 km height in unfavorable realistic cases. Furthermore, results of a statistical validation of GPS/MET profiles through comparison with atmospheric analyses of the European Centre for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF) are presented. The comparisons indicate the high utility of the occultation data in that very good agreement of upper troposphere/lower stratosphere temperature (better than 1.5 K rms, ≪ 0.5 K bias) is found for a region (Europe+USA) where the ECMWF analyses are known to be good, but poorer agreement for a region (Southern Pacific) where the analyses are known to be degraded.     

地基GPS VTEC约束的电离层掩星反演方法

本文在分析GPS电离层掩星Abel积分变换反演的基础上,介绍了一种顾及电离层水平梯度信息的反演新方法,即地基GPS VTEC约束的电离层掩星反演法,并将该方法应用于COSMIC低纬掩星观测资料的反演.初步的统计结果表明,与经典Abel变换反演相比,地基GPS VTEC约束反演的临界频率f_oF₂更接近于电离层测高仪观测的结果.     

电离层GPS掩星观测反演技术

在电离层局部地区球对称假设下,推导了利用双频和单频无线电掩星观测数据,反演电离层电子密度剖面的两种方法. 双频反演的误差来自于载波相位的观测误差,单频反演误差则主要由伪距的观测精度决定. 由于载波相位测量精度比伪距测量精度高两个量级,因此双频反演的精度一般比单频反演的高些. 不过,两载波信号L1和L2之间的传播路径差异会给双频方法带来误差. 利用三维射线追踪的程序模拟的无线电掩星数据来评估这些方法,结果表明,反演出的电离层剖面与给定的模式电离层非常吻合,验证了两种方法的可靠性和准确性. 将这两种反演方法应用于处理实测的GPS/MET掩星观测数据,均能获取合理的电离层剖面信息. 且单频方法得到的反演剖面与双频方法相当一致, 这为利用LEO星载单频GPS接收机进行电离层掩星观测提供了理论基础.