无线电掩星技术与CHAMP掩星资料反演

论文摘要

无线电掩星技术能提供高精度、高垂直分辨率、全球覆盖的地球电离层和中性层大气剖面。它具有全天候、低费用、无系统长期漂移等优点。1995年4月至1997年3月，首次GPS／MET试验的MicroLab1实验卫星显示了GPS掩星技术对监测全球大气具有潜在的作用。 本论文介绍了无线电掩星技术的历史、最新进展和基本原理，并围绕无线电掩星技术展开各方面的研究和讨论，主要研究内容如下： 1．介绍国际上已经实施和在研的GPS掩星计划的现状及取得的进展，对整个掩星系统以及数据处理系统做了深入的调研工作，积极推进我国掩星计划的开展。 2．结合JPL和GFZ的中性大气标准反演算法，独立发展了上海天文台中性大气掩星标准反演算法流程。对CHAMP观测资料进行中性大气反演，并将反演结果与欧洲中尺度天气预报分析（ECMWF）资料进行比较和统计分析，讨论了CHAMP掩星数据的质量，以及分析了CHAMP掩星数据的观测误差和ECMWF的分析模型误差。提出了一种优化的统计分析方法，它能更客观地反映GPS掩星技术的外部符合。统计分析结果表明GPS掩星数据将有可能成为数值天气预报和长期监测地球气候的非常有价值的数据资料。 3．在当前采用的一维变分同化反演技术中，可以用掩星观测资料的大气折射率或弯曲角剖面进行同化，来反演大气水汽和温度剖面以及海平面压强。以欧洲中尺度天气预报分析（ECMWF）资料为背景场，CHAMP掩星观测得到的折射率剖面为观测值，采用Levenberg-Marquardt方法实行GPS掩星资料一维变分同化。在讨论中，用掩星观测点附近相应的探空气球资料来检验CHAMP掩星资料变分同化的结果。 4．分别在单路径和多路径条件下，模拟无线电信号在中性大气层中的传播正演过程。模拟仿真对掩星试验中的大气多路径、超折射以及反演过程中存在的问题等等的研究具有指导意义。 5．在非圆轨道GPS和LEO卫星条件下，给出一种较为直接的GPS／LEO掩星反演地球大气参数技术中弯曲角序列的迭代算法，并在理论上对该迭代法的收敛性进行了严格的数学证明。利用GPS掩星反演模拟程序，定量估算了卫星圆轨道假设对GPS／LEO掩星反演地球大气参数的影响，并验证了在非圆轨道条件下各种迭代法的一致性。 6．在GPS／LEO无线电掩星反演地球大气技术中，Abel积分是反演地球大气折射指数的最常用的方法。根据Abel积分存在积分奇点的问题，本文讨论了解决奇异积分的几种不同的积分方法，提出了一种直接求Abel积分变换的解析解。通过数值积分模拟计算，对比了各种不同积分方法引入了的计算误差，

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 英文缩写
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 大气探测的常规技术
• 1.3 无线电掩星技术的历史背景
• 1.4 国际以及国内的研究动态
• 1.5 无线电掩星技术的科学意义
• 第二章 GPS掩星技术低轨卫星计划的现状和进展
• 2.1 GPS／MET实验卫星MicroLab1
• 2.2 φrsted和Sunsat计划
• 2.3 SAC-C计划和CHAMP计划
• 2.4 COSMIC计划
• 2.5 ACE+计划
• 2.6 小结
• 第三章 无线电掩星系统
• 3.1 COSMIC空间部分
• 3.2 COSMIC地面部分
• 3.3 COSMIC计划的数据分析和存储中心—CDAAC
• 第四章 无线电掩星数据处理系统
• 4.1 GPS信号结构与观测
• 4.2 无线电掩星数据处理系统
• 4.3 科学数据产品
• 4.4 数据处理系统的时间延迟
• 第五章 中性大气层标准反演技术和反演结果统计分析
• 5.1 引言
• 5.2 标准反演技术
• 5.3 反演个例
• 5.4 统计分析
• 5.5 CHAMP观测误差和ECMWF模型误差的优化统计
• 5.6 概要和小结
• 第六章 GPS掩星折射率剖面一维变分同化
• 6.1 GPS掩星技术和变分同化反演
• 6.2 优化估计反演方法
• 6.3 折射率一维变分同化
• 6.4 CHAMP掩星资料大气折射率一维变分同化结果
• 6.5 变分同化技术的展望
• 第七章 大气正演模拟仿真
• 7.1 射线追踪模拟和SHAOOS软件包
• 7.2 多相位屏模拟
• 第八章 GPS／LEO掩星反演算法改进和讨论
• 8.1 非圆轨道GPS／LEO掩星反演地球大气参数的算法及讨论
• 8.2 Abel积分的奇点问题
• 第九章 低对流层反演技术的研究
• 9.1 大气多路径效应
• 9.2 超折射效应
• 第十章 总结与展望
• 10.1 主要研究内容
• 10.2 后续研究展望
• 附录A 大气基础理论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表和已被录用的论文目录
• 致谢