利用GPS掩星资料反演地球中性大气参数折射角方法研究

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1、第28卷第5期2003年10月Vol.28No.5Oct.2003武汉大学学报•信息科学版GeomaticsandInformationScienceofWuhanUniversity文・第号：1671-8860(2003)05-0589-04利用GPS掩星资料反演地球中性大气参数折射角方法研究徐晓华

2、李征航】罗佳】(1武汉大学测绘学院，武汉市珞編路129号.430079)M豪：对利用GPS掩星資抖反浚地球中性大气撰敛的原理作了简要介绍，在此基础上对消除电离层影响的改正方法、Abel反演积分上限的确定、上边界测量折射用的优化方法进行了採讨.

3、针对UCAR的Level2数据，在敛据預处理工作的基础上，利用特定掩星亭件的數据进行了反浚计算，并对计算结果进行了分析.收・日期：2003・05・13・頊目来■:地球空何环境与大地测■教育部亶点实验室开放研究基金资助項目(03-04-09).关■词：GPS掩星；反演；中性大气填数；折射角中图法分类号：P22&42,P407在过去几十年里，无线电掩星方法广泛地应用于各种行星探测任务，提供了关于太阳系其他行星大气的重要信息。其原理是利用飞船发射的无线电信号在到达地球的传播过程中受到行星大气的折射影响，通过研究信号路径的改变和传播时间的延迟来探测

4、行星大气自Fischbach于1965年提出将掩星技术应用于地球大气探测的思想以来.Gorbunov等人在这一领域里作了大址理论研究和模拟计算工作〔2】.20世纪90年代初，GPS卫星的成功发射和运行为试验提供了必要条件。1995年4月，由美国大学大气研究联合会(UCAR)主持的GPS/MET项目正式启动，发射了一颗低轨(LEO)卫星Microlab-1,从此拉开了利用低轨卫星探测地球大气研究的序幕.2000年7月，德国地学研究中心(GFZ)发射的CHAMP卫星的主要任务之一就是，利用GPS掩星技术反演地球大气层并已取得了比较满意的初步成果

5、⑶.目前，我国台湾与美国计划联合发射的COSMIC卫星将为这一领域的研究提供更丰富的GPS掩星资料［⑺】。由于掩星探测基本上在全球是均匀分布的，掩星资料是对传统气象探测手段(如无线电探空仪、气象卫星观测)的有力补充⑸，将掩星数据资料同化到数值天气预报(NWP,numericalweatherforecasting)模式中,将会显著地提高天气预报的精度。1反演原理与方法1.1基本原理LEO星载GPS接收机以50Hz对GPS信号进行采样。信号从GPS到达LEO卫星，穿过地球大气层持续1〜2min的过程，称为一个掩星事件⑷。由于地球大气层(主要

6、是除电离层以外的中性大气层)的影响，每次采样中GPS载波相位路径测量值L与卫星之间的几何距离Rs之间存在差异△L,(i=l,2),ALf■厶一Rug=i=1,2(1)式中，为附加相位延迟屮，为折射率。在大气球对称假设的条件下，对于每条射线路径，附加多普勒与卫星的位豎和速度之间满足多普勒观测方程叫+Rlc—(I氏

7、cos卩(a)—IRgIcos^(a))=0(2)式中，At为附加多普勒;As为GPS卫星到LEO卫星的距离对时间的导数)瓦为LEO卫星速度在GPS卫星与LEO卫星及折射中心三点构成的掩星平面上的投影店g为GPS卫星速度在掩星平面上

8、的投影2为该条射线路径的影响参数;卩为信号入射方向与的夹角以为信号出射方向与Rg的夹角。该射线路径对应的折射角为*a=0—arccos(a/

9、RLI)一arccos(a/

10、jRgI)(3)式中』为GPS与LEO卫星相对于折射中心的位置矢量之间的夹角;丘为折射中心到LEO卫星位置的矢量;氏为折射中心到GPS卫星位置的矢量。对多普勒观测方程求解，得到了折射角与影响参数之间的对应关系a(a)°下一步利用Abel积分反演方法得到大气折射率廓线，Abel方程可以表达为〔7〕：a(

11、ln(/z(a0))=—7TJa-aQ(5)在理想气体法则下，利用大气状态方程并忽略水汽含量影响可以解算各大气参数⑻：p(h)=CN〈h)(6)式中，人为影响参数为a处对应的几何高度，人=a/p-RE}RE为地球平均曲率半径；N5)代表h高度处的大气折射指数，它与对应高度处的折射率“之间的关系为N(h)=106(Az(a)-l);C1为常数叩(册为h高度处的大气密度。h高度处的气压和气温分别为：p(/i)=g(A，)p(/i，)d/iz(7)T(h)=Gp(h)/p(h)(8)式中，g(F)为H高度处的重力加速度S、p(/i)由式(6)得

12、到，C?为常数。1.2电离层形响改正实际上，信号路径不仅受到中性大气层的影响，还受到电离层的影响，在反演的过程中还必须进行电离层改正，改正的思想是基于双频组合的。1.2.1传统的