利用地球卫星的无线电掩星技术

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1、利用地球卫星的无线电掩星技术利用地球卫星的无线电掩星技术——波动说处理法第1章利用地球卫星进行无线电掩星的背景和概述第1章利用地球卫星进行无线电掩星的背景和概述1.1引言本书关注无线电掩星过程中电磁波的相位和振幅。电波来自遥远的发射机，穿过中间介质到达接收机。接收机在掩星事件过程中测量电波的相位和振幅。利用这些测量值序列可推断中间介质的物理特性。无线电掩星是一种探测技术，远方航天器发射的无线电波在到达接收机前穿过中间的行星大气。所谓“掩星”、“被掩”或者“星掩”是指发射机、行星及其大气、接收机的几何关系随时间

2、的变化。虽然通常涉及掩或者星食(或月食)的行星，最近使用这个词时也包括了无星掩事件的情况，例如，通过电离层的航天器对航天器的探测或接收从反射面来的反射波。从严格掩星的接收机看，发射机可从被掩行星的边缘升起或落下。当来自发射机的无线电波经过中间大气层时，折射介质会改变其传播方向和速度。因此，相对于无中间介质或无掩行星情况下保持不变的相应值，接收机处电波的相位和振幅均发生了改变。随着时间的演化，接收机处就产生电波相位变化和振幅变化的剖面并被接收机记录。这些剖面可提供中间介质的折射特性信息。在地震学中，使用分布在一

3、定地理范围内的地震波检测阵列研究从遥远地震传到每个地震波检测器上的各种类型的地震波。使用这种阵列，可以测量波到达阵内不同站的不同时间和各种波的谱特性。从这些观测量中可导出各种波经过的不同路径和介质的某些物理特性。在无线电掩星中，提供类似信息的是掩星过程中一对发射机/接收机的运动学。1.1.1掩星技术的历史18世纪测量月球掩恒星的掩始和掩终时刻的天文观测可能是掩星技术最早的科学应用。这种测量月球距离的方法成为18世纪和19世纪海员实现高精度格林尼治时的守时来确定海上经度的常用方法，用于取代昂贵计时器，甚至在远距

4、离航行中可校准航海计时器。它主要取决于精确的月球星历表。月球星历表又取决于相对恒星背景的月球精确天文观测和良好的月球轨道动力学理论。很多年以后，才将月球临边作为一个峰脊，获得来自某些类星体的微波衍射图形［1］。该衍射图的条纹间隔和振幅提供了来自这些致密射电源的辐射密度角分布信息。同样，当恒星被行星掩的时候，通过分析在掩始和掩终期间发生的恒星折射和闪烁效应来研究行星大气层［2~4］。几乎在行星探测初期就开始使用航天器的无线电掩星技术来探测行星大气层。1964年第一个到达火星的探测器(水手4号)沿着一条从地球上看

5、似穿过火星背面的轨道飞行［5，6］。当水手4号经过火星背面从另一边出现时，观测到水手4号和地基射电望远镜之间无线电链路的附加载波相位延迟和振幅变化，提供了有关火星的特别稀薄大气层及其电离层的密度信息［7］。此后，在行星探测任务中进行了许多次试验，来研究太阳系中几乎所有行星的大气层，包括研究土星的卫星和土星环［8~12］。1.1.2利用地球卫星的掩星理论上说，用任何两颗互相配合的卫星，就可以完成用掩星技术对地球大气层和电离层的探测。在全球定位系统(GPS)开始工作前，进行了一些早期的利用卫星卫星间跟踪链路的无

6、线电掩星试验，其中包括和平号轨道空间站和地球静止卫星之间［13］、GEOS3与ATS6之间［14］的无线电链路。然而，本书主要集中在低地球轨道航天器(LEO)的星载GPS接收机在GPS卫星被地球临边掩的时候跟踪GPS卫星发射的导航信号测量到的载波相位和振幅上［15］。1995年发射的MicroLab1上进行的掩星试验GPS/MET(全球定位系统/气象学)是第一次用GPS进行的掩星试验［16~19］。虽然是试验性的，使用了来自GPS/MET的超过11000次掩星来复原折射率、密度、压力、温度和水蒸气剖面［

7、19］。GPS/MET提供了权威的掩星技术概念的工程验证结果，其数据集成为了具有GPS掩星能力的后续地球卫星改进跟踪能力和数据处理方案的试验平台。GPS/MET还成为评估该技术在不同应用中科学和社会价值的基础，这些应用包括气象学、边界层研究、数值天气预报(NWP)和全球气候变化等。此后，还发射了CHAMP(2001，挑战微小卫星有效载荷卫星)［20］，SACC(2001，气候应用卫星)和GRACE(2002，重力测量和气象实验卫星)等卫星，现在还通过这些卫星或多或少地不断进行着无线电掩星观测［21］。这些卫

8、星每天分别能返回近1000次掩星观测数据。未来一些实用航天任务已被列入计划，例如，专门用于掩星的低地球轨道气象、电离层和气候结构星座观测系统(COSMIC)将在2005年发射［22~24］。该系统将利用每天大约4000次全球分布的掩星观测数据给出准实时探测信息，这将被纳入到NWP工程中。而且，如俄罗斯GLONASS那样的其他全球导航卫星系统(GNSSs)和欧洲正在计划的Galileo系统那样的未来导