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基于软件无线电技术的大气水汽探测系统研究

陆临风  
【摘要】:由于温室效应加剧,导致全球范围内恶劣极端天气增多,对人类生存造成极大影响,因此高精度、实时的大气水汽监测及预报灾害性天气情况就显得尤为重要。自上世纪90年代至今,GPS气象学不断的发展衍生出新的水汽探测方法,不仅可完善传统水汽探测手段的不足,还能实现高时效性、高精度等要求。本文利用具备开放、通用、可重配置等优势的软件无线电技术为基础构建大气水汽探测系统,分为GPS数据接收部分以及数据处理部分,通过两部分结合验证该探测系统在反演大气可降水量PWV的可行性及精度等,最后提出水汽探测系统的优化方案。本文主要内容如下:(1)详细介绍了 GPS气象学原理与思路,整个系统基于此原理需求,选择软件无线电中软件平台GNU Radio与硬件平台USRP组成实验平台,以接收GPS信号为例分析接收过程中涉及到的理论基础。针对无关误差电离层延迟进行讨论,详细介绍对流层延迟改正模型并对比各种模型改正效果,选中双频改正法消除电离层延迟,并以此为基础设计接收部分使用GPSL1、L2信号进行后续实验。(2)对系统数据处理部分进行设计,重点介绍了整个水汽反演部分流程设计,选择GAMIT软件进行解算。引入一台双频接收机组成短基线共同接收GPS数据供后期解算。依据数值积分思想及探空站数据计算南昌地区2019年7月至9月UTC=12时大气加权平均温度Tm,Tm精度越高越有利于大气可降水量PWV的反演,介绍三种适合南昌地区是用的对流层延迟模型并根据三种模型计算出的Tm与实际Tm进行对比分析,选出精度及稳定性最好的Tm模型。(3)在数据接收部分实现过程中发现接收稳定度不够,引入基于GNU Radio的GNSS SDR,完成系统接收需求所对应的模块配置文件编写,将接收到的数据导入谷歌地球验证了定位的准确性。重点介绍GAMIT软件输入输出文件及设置,将反演出的GPS/PWV与高精度的探空站Radio/PWV进行误差对比并量化评价,得出平均偏差Bias=0.6422,均方根误差RMSE=2.4730,相关系数R=0.9698,验证了该系统反演大气水汽PWV的可行性。最后对反演误差进行分析,着重阐述了不同对流层模型误差,以常用的Black模型与Hopfield模型与上述实验选用的Saastamoinen模型的数据进行误差对比分析,得出三种模型皆可有效反映PWV趋势,且Saastamoinen模型更适合南昌地区水汽反演。(4)在完成上述水汽探测系统研究后,基于现有案例,提出探测系统的后续优化方案,可利用软件无线电技术实现“水平+垂直”两个方向上的水汽探测并组成一个系统有望提高水汽反演精度及监测能力。简单介绍水平探测原理,随后进行初步实验,针对目前难点进行分析之后列出几种改进措施。


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