改进的GPS掩星滑动频谱方法

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1、2011年8月中国空间‘科学技术1篁!垫；；堑垒!垒呈!!童呈呈!竺兰!!呈呈呈呈呈呈垒!呈!垒里呈!呈圣兰改进的GPS掩星滑动频谱方法徐贤胜‘郭鹏2(1上海大学上海市应用数学和力学研究所，上海200072)(2中国科学院上海天文台，上海200030)摘要在大气多路径和噪声的条件下，高斯白噪声会造成滑动频谱方法获得的弯曲角与真值之间的偏离，无法获得较好的反演结果。为此，文章提出了一种改进的滑动频谱方法，即利用信号的振幅和谱能量信息对滑动频谱方法进行修正，削弱了信号中噪声的影响，与真值较为接近。分别用改进前后两种方法对中华卫星三号计划(Constell

2、ationObservingSystemforMeteorology，IonosphereandClimate，CoSMIC)的掩星进行反演，并将其折射率计算结果和通过全谱反演方法获得的折射率一起，与欧洲中期天气预报中心(EuropeanCentreforMedium—RangeWeatherForecasts，ECMWF)的分析场资料进行了统计比较。结果表明：改进的滑动频谱方法删除了信号中的部分噪声，减少了系统偏差；与全谱反演方法进行比较，发现两者具有相当的反演精度。关键词无线电掩星滑动频谱方法开环模式多相位屏技术卫星导航DOI：10．3780／j

3、．issn．1000—758X．2011．04．0011引言通过GPS无线电掩星技术可以获得地球大气参数，包括中性层的折射率、密度、温度、水汽压廓线和电离层的电子密度廓线⋯。1995年4月3日，GPS／MET(GlobalPositioningSystem／METeorology)计划发射的第一颗LEO(LowEarthOrbit)掩星试验卫星，验证了无线电掩星技术具有其他探测手段无法比拟的优点：全天候、全球覆盖、高精度以及长期稳定性【2】。然而，GPS／MET计划采用的接收机由于没有专门的跟踪软件，因此经常在水汽含量丰富、折射率梯度变化剧烈的热带低

4、对流层丢失信号[3】。2006年4月14日。中国台湾和美国联合研制的COSMIC计划成功实施，每天能提供约2500个中性层和电离层的掩星廓线【4‘5]。COSMIC掩星接收机采用开环模式跟踪GPS信号，有效地避免了失锁现象的发生，使得GPS信号能够穿透大气边界层；且开环模式具备跟踪上升掩星的能力，提高了低层掩星观测的质量和数量L6培J。低湿对流层是掩星大气反演经常遇到困难的地方，信号在低湿对流层不仅会发生大气多路径传播，还会发生衍射、反射和吸收等现象．同时还会受到噪声的影响【9】。在严重的情况下可能会导致信号失锁，造成信号缺失或不可用。传统的几何光学

5、方法会在多路径区域失效，为了反演低湿对流层的信号，相继提出了不同的无线电全息方法：后向传播方法、滑动频谱方法(SlidingSpectralmethod，SS)、正则变换方法以及全谱反演方法。地震行业科研专项(201108004)．圆隶863高科技计划(2009AAl22319)．国家自然科学基金(41075081)资助项目收稿日期l201卜03—20．收惨改稿日期l201卜04—07；主垦窒囹塾堂堇查!!!!至!旦滑动频谱方法在有限大小的孔径内对LEO卫星接收的信号进行频谱分析，通过局部极大频谱对应的频率计算谐波弯曲角，最后以谱能量为权重进行滑动平

6、均计算弯曲角和碰撞参数[1叫。滑动频谱方法不进行局部极大频谱的辨别和选择，当信号中包含噪声时，便会造成较大的反演误差。Hocke等将信号分解后选取了5条主谱线，避免了噪声的影响u¨。Gorbunov等将后向传播方法和滑动频谱方法进行了比较，并指出将错误的局部极大频谱进行辨别和剔除是滑动频谱方法取得成功的关键‘12。。本文提出一种改进的滑动频谱方法(ModifiedSlidingSpectralmethod，MSS)，利用信号的振幅和谱能量信息对滑动频谱方法进行修正，剔除信号中的部分噪声，提高了反演精度。通过模拟仿真和统计处理COSMIC掩星数据两种方

7、式对改进的滑动频谱方法进行验证。2滑动频谱方法滑动频谱方法在有限大小的孔径(时间)内对LEO卫星接收的复信号进行谐波分解，不同谐波的弯曲角和碰撞参数可通过局部极大频谱对应的频率和孔径中心的位置计算得到。由于大气多路径效应，低湿对流层的信号中会出现多个局部极大频谱，Sokolovskiy提出一种利用孔径内所有谱分量进行滑动平均计算弯曲角的方法u引。假设LEO卫星测量得到的信号U(f)为“(￡)=A(￡)exp[iks(t)](1)式中A(￡)为信号的振幅；t为掩星时间；i为虚数单位；志为波数；s(t)为相位。对掩星相位廓线进行3次样条回归，得到相位模式

8、值s删(￡)。消除公式(1)中相位的主项：口(￡)=A(t)exp{ik[s(t)一srIlod(f)]}(