GPS无线电掩星技术监测地球大气

【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

【学位授予单位】：中国科学院上海天文台
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2000
【分类号】：P412.27;P228.4