GPS无线电掩星技术监测地球大气

【作者】 黄栋；

【导师】 黄珹；

【作者基本信息】 中国科学院上海天文台 ， 天体测量与天体力学， 2000， 博士

【摘要】 GPS全称全球定位导航系统，它能提供高精度、高效率的大地测量和地球动力学服务，并且很可能成为今后发射的地球低轨卫星的主要定轨工具之一。90年代以前，GPS技术在其应用领域的数据处理过程中，一般是将大气的影响作为噪声予以改正和消除。随着GPS应用和测量精度的提高，大气的传播改正已成为可探测的有用信号，并由此而形成了一门新兴的由卫星动力学、大地测量学和气象学交叉派生出来的学科-GPS气象学。它的两大分支是地面GPS技术和星载GPS无线电掩星技术。 为地球科学服务的星载GPS技术用GPS系统对低轨卫星进行精密定轨，它在大地测量、气候学、气候模型和电离层成图方面已经取得了很好的研究成果。而无线电掩星技术是源于60年代起始的探测太阳系行星大气层和电离层的技术。我们在本文所探讨的星载GPS无线电掩星技术是上述两种技术的结合。星载GPS无线电掩星技术能提供掩星点（其对应的地面位置称为地面测点）上空大气的温度、压力和水汽的剖面分布，相对于传统的大气测量技术，例如无线电探空气球，它具有垂直分辨率高、全球分布均匀和费用低等优点。1995年4月3日，美国小型卫星Microlabl被发射到距地面750km高和70°倾角的轨道上，用以进行GPS气象学研究。这次实验被称为GPS/MET计划。 在本文中，首先对星载GPS卫星精密定轨的动力学模型、测量模型及资料处理过程作了理论分析。然后，详细讨论使用掩星资料反演大气参数廓线分布的理论和方法，并得到了计算实例。 实现掩星事件的地面测点在地球表面上某个区域内每隔一定时间重复无疑对GPS无线电掩星技术在气象和大气的研究上有很大的好处。本文提出一种用低轨通约卫星的方法来控制地面测点的设想。模拟地球低轨道（LEO）卫星的结果表明：这种方法可以使掩星事件的地面测点在60-200天左右内，漂移小于100公里。． OPS掩N拙术敝测地球大气 卜． 小义们“先对显敝0陀卫贝＊，Y密定轨进行了J’DI论分析，上业工作 有： 选择适当的动力学棋型；．．选择适当的测量模型； 确定待估参数和资料处理过程； 星载GPS卫星精密定轨软件的初步编制；＠对使用掩星资料反演大气参数廓线分布部分做了以下工作： 由掩星资料反演地球大气参数计算方法和完整计算公式的确 定； 综台其他研究者的工作，对掩星资料反演地球大气参数方法的．、＿＿、＿＿＿．t。＿＿＿、．＿。＿＿，＿，＿，＿，。l＿一 误差源和分辨率等关键问题作了仔细分析； 反演计算方祛软件的编制； 计算了地球大气参数反演实例，并对此作了分析和讨论。． 为监测区域地球大气，设计了LE O卫星轨道，其内容包括： 提出了设计LEO卫星以实现监测区域地球大气的设想，并得到了＿国外同行的认可；＠——·。。、．、。、v、 对GPS和LEO卫星的轨道特征以及由它们确定的掩星事件对应的 地面测点的分布规律作了仔细分析，得到设计通约地球低轨卫星 可以控制掩星事件的地面测点的结论；＠．从理论上分析并设计完整的LEO卫星轨道搜索过程； 设计了在考虑主要摄动因素以后的掩星事件地面测点计算方 法，用以检验最终的LEO卫星设计结果；＠·LEO卫星设计方法完整程序的编制； 计算了一些设计实例，得到了使用我们的方法可以使掩星事件 的地面测点在 60—200天左右内，漂移小于 100公里的结论。其中的 一个实例可以做到掩星事件的地面测点维持在上海地区附近（范．＿＿。＿＿－。＿＿一、＿＿＿＿＿＿’围是 100krnXI 00kin）220天左右。．．． OPS地＊仪术洲测地球大气V． 今后有待于进一步研究的工作包括： 建立完整的星载GPS定轨软件，完成后将能实现多星同时定轨，＠并且对GPS资料、激光资料等多种数据实现联合处理； 完善掩星资料反演地球大气参数的求解方法和误差分析方法， 并将掩星反演大气参数结果与天气预报及气候模型结台，以增进＠数值天气预报能力； 设计监测中国主要城市和灾害多发地区的LEO卫星星座，另外， 对LEO卫星定期的姿态调准进行研究，以增加它的使用寿命； 目前的GPS卫星轨道对于我们为监测区域地球大气为目的轨道设＠计要求并不是最佳的，因而成为我们进一步提高LEO卫星轨道设 计效果的一大限制。如果建立专门为掩星技术服务的G更多还原

【Abstract】 Global Positioning Systcm(GPS) Is quickly achlcving a routine prcscnce In space for basic utility functions of real time onboard state determination, precise time and frequency transfer, and modcrate precision attitude determination, and Is likely to be a good choice for many future Earth satellites of those tasks. As a ramification of such disciplines as GPS surveying technique and Meteorology, GPS meteorology is becoming an emerging subject, which includes both space-borne GPS radio occultation technique and ground-based GPS technique. Space-borne GPS for Earth science is in the exiting early phase of invention, with promising developments underway in geodesy, climatology, weather modeling, and ionospheric imaging. By the way, occultation technique was pioneered by JPL and Stanford University oi抏r 30 years ago for study of planetary atmospheres and ionospheres.We describe in this paper a particular remote-sensing application that is well suited to the combination of space-borne GPS and occultation technique the space-borne GPS radio occultation technique. Since the end of 1980?s, this technique has been noticed in application to meteorological researches. Radio occultation studies of the terrestrial atmosphere are now possible through use of signals transmitted by GPS satellites and received by one or more other satellites in low Earth- orbit(LEO), high-vertical-resolution profiles for atmospheric parameters can be retrieved from observations obtained when the radio path between transmitter and receiver traverses the Earth?s atmosphere. On April 3, 1995, the launch of the first experimental LEO satellite MicroLab 1 opened a new ear of GPS meteorology(GPS/MET), and its experimental data and achievements proved its potential scientific roles in probing the Earth atmospheric profiles. In this paper, a study has been performed to analyze several aspects of LEO satellite precise orbit determination using the GPS. Consequently, it is briefly and systematically introduced how to apply the GPS radio occultation technique to measure and monitor the vertical profile of global atmospheric refractive index, temperature, pressure and moisture. Preliminary results from the GPS/MET experiment are also outlined. Long sequential occultation data at a ground grazing point will definitely benefit the meteorological and atmospheric research applications of LEO satellite. A new idea of commensurate LEO satellite to control grazing points on the Earth surface was proposed in this paper. Results from simulating computation have shown that in the period of about 60-200 days or longer the drifts of grazing points on earth surface could be controlled to be less than 100km.更多还原