利用GPS掩星弯曲角确定对流层顶高度

利用COSMIC提供的GPS无线电掩星观测数据,从掩星弯曲角廓线出发确定对流层顶高度,并分别与对应的掩星温度廓线确定的温度最低点对流层顶(cold point tropopause,CPT)和温度递减率对流层顶(lapse rate tropopause,LRT)、无线电探空(距离掩星事件300km以内、观测时间差异3h以内)温度廓线确定的CPT和LRT进行了对比。     

区域天顶对流层延迟时空变化特性及其建模研究

介绍几种常用的全球对流层延迟改正模型和几种区域对流层延迟模型的建立方法,再利用美国密歇根州的8个测站天顶对流层延迟数据对天顶对流层延迟进行研究,得出天顶对流层延迟在时间尺度及空间尺度上的变化规律,与经度和纬度相关性一般,与高程强相关。通过美国密歇根州的4个测站数据分别计算3种区域对流层延迟模型,得出各个模型的精度,并比较它们的优劣,结论是一次线性插值模型是三者中精度最高的模型。     

利用COSMIC掩星资料分析南极地区对流层顶变化

利用2011年全年的南极地区的COSMIC掩星资料,反演了大气温度剖面,进而提取对流层顶参数(温度和高度),定量分析了南极地区对流层顶的时空变化特征。在南极地区,温度递减率对流层顶比最冷点对流层顶更准确,且掩星反演法与臭氧、无线电探空仪等结果基本一致。南极对流层顶整体表现为位相相反的一波结构,温度变化范围为200~230K,高度变化范围为9~11km。南极地区对流层顶在冬季和春季"消失",在夏季和秋季出现逆温层。南极地区对流层顶温度在冬季和春季表现出明显的梯度特征,纬度方向上,极点附近低,四周较高;经度方向上,西南极地区较低。     

GPS天顶对流层延迟计算方法研究

对流层延迟是影响卫星定位的主要误差源之一,如何建立更适合某个地区的区域对流层延迟改正模型,成为当今的一个热门研究课题。从目前广泛应用的全球对流层延迟模型入手,借助GAMIT高精度GPS数据处理软件,分析和总结天顶干、湿延迟规律和影响天顶干、湿延迟的主要因素,探寻并构建区域天顶对流层干延迟ZHD模型。     

COSMIC掩星反演湿温廓线质量的时空分析

为研究COSMIC(constellation observing system for meteorology,ionosphere and climate)掩星反演湿温廓线的质量,需对数据误差特性进行量化研究。首先采用线性插值的方法,以时间窗3 h、水平距离300 km为匹配准则,对0.2～30 km各高度层温度的平均偏差和标准差进行统计分析,研究随海拔高、季节和纬度带变化的温度平均偏差特性。然后采用2016年的全球探空数据集分析全球区域的COSMIC湿温廓线质量,以及北温带COSMIC湿温廓线质量随季节变化的特点,探究不同纬度带地区COSMIC掩星湿温廓线质量随纬度变化的特点。结果表明,全球范围内温度平均偏差为-0.16 K,掩星数据和探空站资料精度相当;季节变化的统计量F=0.999 60.05,该因素对COSMIC湿温廓线质量影响不显著;纬度带变化的统计量F=0.024 40.05,该因素对COSMIC湿温廓线质量有显著影响,尤其是热带地区受水汽影响较大,温度平均偏差处于峰值,偏差高于0.25 K,南温带地区次之。     

利用COSMIC掩星折射率数据研究中国陆地区域对流层顶高度的时空特征

利用折射率协方差变换法采用2007—2014年COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere and Climate)掩星观测数据研究了中国陆地区域对流层顶高度的时空变化特征。实验结果表明:中国陆地区域的对流层顶高度随纬度变化,呈现出"南高北低"的格局;而对流层顶处的温度和压强分布与高度分布相反。同时,中国陆地区域内对流层顶高度表现出较强的季节相关性,中国大部分陆地地区通常夏季对流层顶最高,冬季对流层顶最低;但在低纬地区(16°N～26°N)表现相反。在30°N～40°N之间的亚热带区域四季的变化较为显著,且存在明显的等值线。采用中位数斜率回归法分析了2007—2014年中国陆地区域对流层顶高度的年际变化,发现中国陆地区域对流层顶高度平均每年升高6.3 m,温度平均每年下降0.002 K,压强平均每年下降0.15 hPa。     

全球高精度对流层延迟建模及其在地基GNSS技术中的应用研究

对流层延迟是空间大地测量技术的一种主要误差源。在GNSS中,一般采用模型化或参数估计的方法削弱对流层延迟影响。目前已建立的对流层经验模型均是基于单一数据源,时空分辨率和精度有限,且现有的模型应用研究大多局限于定位解算的直接改正法。本文旨在建立高精度的对流层延迟模型,发展其在地基PPP和GNSS-IR(GNSS interferometric reflectometry)技术中应用的新方法,围绕多源对流层延迟产品精度评估、多源对流层延迟模型和高精度湿延迟模型建立、对流层延迟模型在PPP以及地基GNSS-IR技术中的应用展开研究,主要工作和贡献如下:(1)提出了顾及相邻层之间协方差的探空对流层延迟精度评定方法,得到全球312个探空站2010—2015年的ZHD,ZWD和ZTD的精度分别为2.87 mm、2.71 mm和4.85 mm。     

一种新的全球对流层天顶延迟模型

利用IGS提供的高精度对流层天顶延迟数据,在全球范围内详细分析对流层延迟在高程及水平方向的变化规律,建立了一种新的全球对流层天顶延迟模型。该模型计算方法简单,只与年积日和位置参数有关,无需气象参数。经检验,新模型的对流层延迟改正精度优于输入标准气象参数的几种常用的对流层延迟模型,满足卫星实时定位和导航的精度要求。     

利用COSMIC/GPS掩星干温及干压资料探测对流层顶的高度

从COSMIC/GPS无线掩星的折射率产品中分离出大气干温度和干压强。通过计算干温度随干压强变化的递减率(DTLR)来探测对流层顶的高度。选取2013年第346 d中58次掩星事件进行试算,并将DTLR试验结果同CPT(Cold Point Temperature)法和WMO(World Meteorological Organization)法确定的对流层顶以及无线探空产品和Era-Interim产品估算的对流层顶进行了比较和统计。验证结果表明,利用COSMIC(Constellation Observation System of Meteorology,Ionosphere and Climate)掩星干温度产品递减率变化探测对流层顶是可行的。     

大型桥梁桥塔监测的GNSS相对对流层延迟估计

针对大型桥梁桥塔与基站高程差异较大,残余对流层延迟成为影响全球卫星导航系统(GNSS)监测成功率与精度的主要因素之一。该文基于随机过程理论,对桥梁监测GNSS残余对流层湿延迟进行参数估计,有效地提高了桥梁塔顶监测GNSS模糊度固定率。通过采用对流层经验模型改正对流层干延迟,将基准站和塔顶观测站对流层湿延迟组成相对对流层湿延迟,并联合位置参数和模糊度参数建立双差卡尔曼模型,最后利用最小二乘模糊度降低相关平差法(LAMBDA)对双差模糊度进行固定,并估计位置参数与相对对流层延迟参数。实验结果表明,该方法可以有效估计相对对流层延迟,有效提高GNSS模糊度固定率。     

Ionospheric F-layer global scintillation index variation using COSMIC during the period of 2007–2013

The three-dimensional global morphology and seasonal characteristics of the ionospheric scintillation index of the F-layer between 150 and 550 km altitudes are analyzed using the GPS radio occultation measurements from the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate during the 7-year period of low and high sunspot activity from 2007 to 2013. The results show that the prominent scintillation intensity, which is confined within ±30° geomagnetic latitude, starts at post-sunset, reaches a maximum at around pre-midnight, and often persists until postmidnight. Moderate scintillation activity can be observed in the high-latitude region almost at any time, whereas weak scintillation prevails in the midlatitude region. The noticeable scintillation peak near midnight occurs at an altitude of approximately 250 km in most cases. However, the peak of the scintillation activity during the solar maximum extends to higher altitudes than observed during the solar minimum. Additionally, the local variation in time and altitude of the scintillation intensity is closely correlated with ionospheric HmF2. Statistical analysis indicates that an increase in solar activity or geomagnetic activity enhances the occurrence rate of scintillation and results in intense scintillation. The current research is beneficial for directly studying global ionospheric irregularities at GHz frequency based on high-rate L1 data and constructing a global scintillation model.     

掩星大气反演中的电离层二阶项效应的分析

以MSIS90大气模型、3D NeUoG电离层模型和IGRF11地磁场模型为基础,用三维射线追踪法模拟了无线电掩星中电离层二阶项残差的变化,研究了其在不同太阳活动强度、不同地方时、不同方位角下的变化,以及在全球的分布特征。结果表明,二阶项残余误差通常在亚cm级水平,但在较高太阳活动水平下,或当掩星发生地位于中低纬度地区,掩星方位角约为0°或180°时,二阶项残余误差可达到cm级,而且在全球分布呈现出“三峰”结构。     

基于相空间重构和高斯过程回归的对流层延迟预测

天顶对流层延迟(zenith tropospheric delay,ZTD)是影响GPS定位精度的关键因素,为了提高ZTD的预测精度,提出一种基于相空间重构的高斯过程回归预测模型.针对ZTD时间序列的混沌特性,利用国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)站提供的ZTD数据,采用C...     

An Improved Mean-Gravity Model for GPS Hydrostatic Delay Calibration

The determination of global positioning system (GPS) heights with submillimeter accuracy needs proper correction of tropospheric delay. In this letter, the modeling of zenith hydrostatic delay (ZHD) was addressed, considering that wet delay must be treated separately. ZHD is traditionally estimated from Saastamoinen's formula using a mean-gravity model and surface pressure observations. The uncertainty in ZHD associated with the mean-gravity model is about 0.3 mm. An improved parametric model is derived here, which yields an uncertainty in the ZHD less than 0.1 mm when the surface altitude lies in the range of 0-9 km. A second parametric model is derived for higher altitudes (such as above radiosonde observations or atmospheric models). Both parametric models depend on latitude, height, and time variables. This dependence is due to the link between the mean gravity and temperature profiles between the surface and ~80-km altitude. The uncertainty in the parametric models due to short-term temporal variability of the temperature profiles is shown to produce an uncertainty in ZHD smaller than 0.1 mm     

单站区域电离层TEC建模及精度分析

为了分析单站区域电离层总电子含量(total electron content,TEC)模型的适用范围和精度,基于2～15阶次球谐函数,分别建立了欧洲区域16个单站区域电离层TEC模型,生成了区域格网TEC,并与欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)、...     

GPT和GPT2模型的偏差对定位结果的影响

气象模型GPT和GPT2均可用于获取测站的气压、气温等气象要素,对计算对流层延迟具有重要作用并在高精度的GPS数据分析中被广泛使用。GPT2对GPT模型精度的改进在很多文献中已经得到验证,但是目前没有相关文献对采用这两种模型获得的坐标时间序列的差异进行详尽的分析。本文分别利用气象模型GPT和GPT2处理相同的连续观测站数据,发现气压值偏差的季节性变化导致测站垂向位置偏差也产生季节性变化,是测站垂向位置“伪”年周变化信号的来源之一;同时,模型之间的气压值偏差对垂向位置的影响与测站纬度相关,表现为先验天顶延迟偏差传递进垂向位置偏差的比例随测站纬度增加而增大。     

Response of GPS occultation signals to atmospheric gravity waves and retrieval of gravity wave parameters

We show that the amplitude of the Global Positioning System (GPS) signals in the radio occultation (RO) experiments is an indicator of the activity of the gravity waves (GW) in the atmosphere. The amplitude of the GPS RO signals is more sensitive to the atmospheric wave structures than is the phase. Early investigations used only the phase of the GPS occultation signals for statistical investigation of the GW activity in the height interval 10–40 km on a global scale. In this study, we use the polarization equations and Hilbert transform to find the 1-D GW radio image in the atmosphere by analyzing the amplitude of the RO signal. The radio image, also called the GW portrait, consists of the phase and amplitude of the GW as functions of height. We demonstrate the potential of this method using the amplitude data from GPS/Meteorology (GPS/MET) and satellite mission Challenge Mini-satellite Payload (CHAMP) RO events. The GW activity is nonuniformly distributed with the main contribution associated with the tropopause and the secondary maximums related to the GW breaking regions. Using our method we find the vertical profiles of the horizontal wind perturbations and its vertical gradient associated with the GW influence. The estimated values of the horizontal wind perturbations are in fairly good agreement with radiosonde data. The horizontal wind perturbations v(h) are ±1 to ±5 m s with vertical gradients dv/dh ±0.5 to ±15 m s km at height 10–40 km. The height dependence of the GW vertical wavelength was inferred through the differentiation of the GW phase. Analysis of this dependence using the dispersion relationship for the GW gives the estimation of the projection of the horizontal background wind velocity on the direction of the GW propagation. For the event considered, the magnitude of this projection changes between 1.5 and 10 m s at heights of 10–40 km. We conclude that the amplitude of the GPS occultation signals contain important information about the wave processes in the atmosphere on a global scale.     

对流层顶的变化趋势对加权平均温度的影响

对流层顶与加权平均温度和可降水量（precipitable water vapor,PWV）之间存在很强的相关性,然而目前几乎没有学者讨论它对加权平均温度和PWV的影响。针对对流层顶对GNSS（global navigation satellite system）气象模型影响研究所存在的空白,基于已有学者提出的联系对流层顶和加权平均温度的公式,首次讨论中国区域对流层顶变化对加权平均温度的影响。在不损失公式精度的前提下,将该公式整理后得到对流层顶与加权平均温度的二次函数关系,分析了中国不同纬度区域的对流层顶对加权平均温度的影响,利用探空站观测数据得到了影响分布图。该图可以预测对流层顶对加权平均温度和PWV的影响。     

一种可用于估计全球水汽标高的经验模型

水汽标高是一个反映水汽垂直分布特征的参数,也是全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)对流层天顶湿延迟改正和GNSS水汽层析中的一个辅助参数。本文对2006—2012年水汽标高的时间序列进行频谱分析,发现水汽标高在时间上呈现出年周期和半年周期变化,因此利用包含年周期和半年周期的三角函数来表达水汽的时变规律,然后利用欧洲中尺度天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasting,ECMWF)的数据在全球1°×1°的格网点上分别拟合了三角函数的系数。通过上述方法首次构建了一个全球适用的水汽标高模型GSH,该模型既体现了水汽标高的时变特性又考虑了其地理差异。以无线电探空数据为参考,GSH具有-0.19km的偏差(bias)和1.81km的均方根误差(root mean square error,RMSE);以ECMWF数据为参考,GSH具有0.04km的bias和1.52km的RMSE。GSH整体上表现出了比较稳定的精度,可服务于GNSS气象学研究,也可为其他相关气象研究提供水汽标高参考。