大气掩星反演误差特性初步分析
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G ong X Y,Hu X ,Wu X C ,et al. Preliminary analysis of error characteristics in atmospheric inversion of GPS radio occultation. Chinese J .
Geophys . (in Chinese) , 2007 , 50 (4) :1017～1029
第 50 卷 第 4 期 2007 年 7 月
地 球 物 理 学 报
CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSICS
Vol. 50 , No. 4 Jul. , 2007
宫晓艳 ,胡 雄 ,吴小成等 . 大气掩星反演误差特性初步分析 . 地球物理学报 , 2007 , 50 (4) :1017～1029
100～800 km 的电离层电子密度剖面
[5～7 ] [3 ,4 ]
气掩星反演精度的影响进行初步分析 , 为今后进一 步完善和优化反演算法提供参考 .
2 大气掩星原理和反演过程
大气 GPS 掩星观测是指在低轨卫星 (LEO) 上利 用 GPS 接收机临边接收 GPS 卫星发射的电波信号 , 当电波路径穿过电离层和大气层时 , 由于介质对电 波的折射作用 , 射线发生弯曲 . 其几何关系如图 1 所示 .
Preliminary analysis of error characteristics in atmospheric inversion of GPS radio occultation
G ONG Xiao2Yan1 ,2 ,HU Xiong1 ,WU Xiao2Cheng1 ,2 ,3 ,ZHANG Xun2Xie3
Abstract GPS radio atmospheric occultation technique can measure the profiles of the global meteorological fields of the neutral atmosphere , from which we can obtain the atmosphere refractivity , pressure , density , temperature , and water vapor. The basic theory of the technique is the inversion method of Abel integration. Some factors such as the Earthπs oblateness , the ionospheric dalay , the large2scale horizontal refractive index gradients in the atmosphere ,and atmospheric multipath can influence the precision of retrieval. In this paper , we discuss the effect of the Earthπs oblateness and ionosphere on the retrieval , and analyze the result of the local curvature correction and the ionosphere calibration. The excess phase delay is simulated by using the observed CHAMP orbit data , the ionospheric model and experiential atmospheric model , and the method of 3D2tracing technology. Inversion errors of the height from 0 to 60 km are obtained by comparison of the retrieval parameter profile and model profile , and studied by using statistical methods for several occultations. The result shows that local curvature calibration and ionosphere calibration are very important for GPS occultation inversion of high precision. Ionospheric residual influence is the main reason of restricting the retrieval precision from 30 km to
大气掩星反演误差特性初步分析
宫晓艳
1 ,2
,胡 雄 ,吴小成
1
1 ,2 ,3
,张训械
3
1 中国科学院空间科学与应用研究中心 ,北京 100080 2 中国科学院研究生院 ,北京 100049 3 中国科学院武汉物理与数学研究所 ,武汉 430071
摘 要 GPS 大气掩星探测技术可以获得全球大气折射率 、 气压 、 密度 、 温度和水汽压等气象参数 ,该技术基本原理 是基于几何光学近似的 Abel 积分反演 . 地球扁率 、 电离层传播时间延迟 、 大气大尺度水平梯度 、 多路径传播现象等 因素在某些高度范围影响大气反演的精度 . 本文采用模拟的方法 ,分析其中地球扁率及电离层对反演结果的影响 , 并讨论局部圆弧修正及电离层修正的效果 . 利用 CHAMP 掩星实测轨道数据和有关电离层和大气经验模式 、 采用三 维射线追踪方法模拟计算几种情形下的 GPS 掩星观测附加相位数据 ,对模拟数据进行反演 ,将反演气象参量剖面 与模拟时给定模式剖面进行比较 ,得到了 0～60 km 高度范围内的反演误差 . 误差统计分析结果表明 ,局部圆弧中心 的修正以及电离层修正 ,对于高精度的 GPS 掩星反演是非常重要的 ; 电离层修正残差仍是制约 30～60 km 高度范围 内反演精度的重要因素 ,进一步完善和优化大气掩星反演需要发展新的电离层修正算法 . 关键词 GPS ,大气掩星 ,地球扁率 ,电离层修正 ,几何光学反演方法 ,反演误差 文章编号 0001 - 5733 (2007) 04 - 1017 - 13 中图分类号 P407 收稿日期 2006 - 05 - 27 , 2007 - 03 - 21 收修定稿
基金项目 国家自然科学基金 (40204011) 和中国科学院知识创新方向性项目 ( KGCX22SW2408) 资助 . 作者简介 宫晓艳 ,女 ,1980 年生 ,中国科学院空间科学与应用研究中心硕博连读生 ,从事无线电掩星研究 . E2mail :xygong @earth. sepc. ac. cn
, 以及中性
大气 0～60 km 的大气参量剖面 . 许多学者将掩 星探测技术与其他探测手段的结果进行比较发现符 [8～10 ] 合较 好 . 随 着 更 多 的 观 测 卫 星 如 Orsted 、 CHAMP 、 SAC2C 、 GRACE 和 COSMIC 等的相继发射 , 掩星观测技术和反演技术都在不断提高 . 无线电大气掩星反演技术基于 Abel 积分反演 原理 ,即通过测量电波的载波相位 ,利用 LEO 和 GPS 卫星的精密速度和位置信息 , 计算电波由于大气折 射的弯曲角剖面 , 在地球大气介质局部球对称的假 设下 ,利用 Abel 积分变换反演得到大气折射率剖 面 ,结合理想气体状态方程和大气静力学方程可进 一步获得大气各气象场参量剖面 . 大气掩星气象数 据产品的质量除受到 GPS 工程技术指标 ( 如卫星钟 的漂移 、 定轨精度等 ) 和测量误差的限制以外 , 还与 一些物理因素有关 ,如大气大尺度水平梯度 、 地球 扁率 、 电离层附加时间延迟 、 多路径传播现象 、 超折 射现象等都影响反演的精度 . 近年来 ,国内一些学者 致力于发展我国自主的大气和电离层掩星反演技 [11～16 ] 术 ,并开展了山基 GPS 掩星观测和反演原理研 究 . 但是 ,对于上述物理因素对大气反演精度影 响的研究和分析还不够 . 本文简要介绍大气掩星观测原理和几何光学反
GPS 卫星和 LEO到 GPS 卫星和 LEO 卫星的矢量 , <G 为 r G 与信号入射方向的夹角 , <L 为 rL 与信号出射 方向的夹角 ; 电波与大气的正切半径为 rt ,即电波射 线离地心最近的距离 . 在发生掩星的局部 ,可假设大气球对称分布 ,电 波信号路径由于介质折射作用发生弯曲 , 其弯曲角 可由 Abel 积分公式表示为 ∞ d lnμ 1 α( a0 ) = 2 a0 ( 1) dr, 2 2 d r r μ r - a2 t 0
演方法 ,采用模拟的方法对地球扁率和电离层对大
1 引 言
GPS - LEO 无线电掩星探测技术是 21 世纪最先 进的空间探测技术之一 ,该技术具有高精度 、 高垂直 分辨率 、 长期稳定 、 全球覆盖 、 全天候等诸多优点 . 对 于精确研究对流层和平流层全球气候变化有着不可 替代的潜在优势 . 1965 年 , Fischbach 提出了应用无 [1 ] 线电掩星技术探测地球大气参数的建议 , 但因当 时技术条件限制未能实现 . GPS 全球定位系统的建 [2 ] 立为掩星探测地球大气提供了条件 . 随着理论和 技术的发展 ,1995 年 4 月 , 美国大学大气研究联合 会 UCAR ( University Cooperation for Atmospheric Research) 成功发射了搭载有 TurboΠ Rogue GPS 接收 机的 Microlab21 低轨卫星 ,真正从理论和技术上实现 了无线电掩星技术探测地球大气 , 并反演得到了
1018
地 球 物 理 学 报 ( Chinese J . Geophys. )
50 卷
Geophys . (in Chinese) , 2007 , 50 (4) :1017～1029
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地 球 物 理 学 报
CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSICS
Vol. 50 , No. 4 Jul. , 2007
宫晓艳 ,胡 雄 ,吴小成等 . 大气掩星反演误差特性初步分析 . 地球物理学报 , 2007 , 50 (4) :1017～1029
100～800 km 的电离层电子密度剖面
[5～7 ] [3 ,4 ]
气掩星反演精度的影响进行初步分析 , 为今后进一 步完善和优化反演算法提供参考 .
2 大气掩星原理和反演过程
大气 GPS 掩星观测是指在低轨卫星 (LEO) 上利 用 GPS 接收机临边接收 GPS 卫星发射的电波信号 , 当电波路径穿过电离层和大气层时 , 由于介质对电 波的折射作用 , 射线发生弯曲 . 其几何关系如图 1 所示 .
Preliminary analysis of error characteristics in atmospheric inversion of GPS radio occultation
G ONG Xiao2Yan1 ,2 ,HU Xiong1 ,WU Xiao2Cheng1 ,2 ,3 ,ZHANG Xun2Xie3
Abstract GPS radio atmospheric occultation technique can measure the profiles of the global meteorological fields of the neutral atmosphere , from which we can obtain the atmosphere refractivity , pressure , density , temperature , and water vapor. The basic theory of the technique is the inversion method of Abel integration. Some factors such as the Earthπs oblateness , the ionospheric dalay , the large2scale horizontal refractive index gradients in the atmosphere ,and atmospheric multipath can influence the precision of retrieval. In this paper , we discuss the effect of the Earthπs oblateness and ionosphere on the retrieval , and analyze the result of the local curvature correction and the ionosphere calibration. The excess phase delay is simulated by using the observed CHAMP orbit data , the ionospheric model and experiential atmospheric model , and the method of 3D2tracing technology. Inversion errors of the height from 0 to 60 km are obtained by comparison of the retrieval parameter profile and model profile , and studied by using statistical methods for several occultations. The result shows that local curvature calibration and ionosphere calibration are very important for GPS occultation inversion of high precision. Ionospheric residual influence is the main reason of restricting the retrieval precision from 30 km to
大气掩星反演误差特性初步分析
宫晓艳
1 ,2
,胡 雄 ,吴小成
1
1 ,2 ,3
,张训械
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1 中国科学院空间科学与应用研究中心 ,北京 100080 2 中国科学院研究生院 ,北京 100049 3 中国科学院武汉物理与数学研究所 ,武汉 430071
摘 要 GPS 大气掩星探测技术可以获得全球大气折射率 、 气压 、 密度 、 温度和水汽压等气象参数 ,该技术基本原理 是基于几何光学近似的 Abel 积分反演 . 地球扁率 、 电离层传播时间延迟 、 大气大尺度水平梯度 、 多路径传播现象等 因素在某些高度范围影响大气反演的精度 . 本文采用模拟的方法 ,分析其中地球扁率及电离层对反演结果的影响 , 并讨论局部圆弧修正及电离层修正的效果 . 利用 CHAMP 掩星实测轨道数据和有关电离层和大气经验模式 、 采用三 维射线追踪方法模拟计算几种情形下的 GPS 掩星观测附加相位数据 ,对模拟数据进行反演 ,将反演气象参量剖面 与模拟时给定模式剖面进行比较 ,得到了 0～60 km 高度范围内的反演误差 . 误差统计分析结果表明 ,局部圆弧中心 的修正以及电离层修正 ,对于高精度的 GPS 掩星反演是非常重要的 ; 电离层修正残差仍是制约 30～60 km 高度范围 内反演精度的重要因素 ,进一步完善和优化大气掩星反演需要发展新的电离层修正算法 . 关键词 GPS ,大气掩星 ,地球扁率 ,电离层修正 ,几何光学反演方法 ,反演误差 文章编号 0001 - 5733 (2007) 04 - 1017 - 13 中图分类号 P407 收稿日期 2006 - 05 - 27 , 2007 - 03 - 21 收修定稿
基金项目 国家自然科学基金 (40204011) 和中国科学院知识创新方向性项目 ( KGCX22SW2408) 资助 . 作者简介 宫晓艳 ,女 ,1980 年生 ,中国科学院空间科学与应用研究中心硕博连读生 ,从事无线电掩星研究 . E2mail :xygong @earth. sepc. ac. cn
, 以及中性
大气 0～60 km 的大气参量剖面 . 许多学者将掩 星探测技术与其他探测手段的结果进行比较发现符 [8～10 ] 合较 好 . 随 着 更 多 的 观 测 卫 星 如 Orsted 、 CHAMP 、 SAC2C 、 GRACE 和 COSMIC 等的相继发射 , 掩星观测技术和反演技术都在不断提高 . 无线电大气掩星反演技术基于 Abel 积分反演 原理 ,即通过测量电波的载波相位 ,利用 LEO 和 GPS 卫星的精密速度和位置信息 , 计算电波由于大气折 射的弯曲角剖面 , 在地球大气介质局部球对称的假 设下 ,利用 Abel 积分变换反演得到大气折射率剖 面 ,结合理想气体状态方程和大气静力学方程可进 一步获得大气各气象场参量剖面 . 大气掩星气象数 据产品的质量除受到 GPS 工程技术指标 ( 如卫星钟 的漂移 、 定轨精度等 ) 和测量误差的限制以外 , 还与 一些物理因素有关 ,如大气大尺度水平梯度 、 地球 扁率 、 电离层附加时间延迟 、 多路径传播现象 、 超折 射现象等都影响反演的精度 . 近年来 ,国内一些学者 致力于发展我国自主的大气和电离层掩星反演技 [11～16 ] 术 ,并开展了山基 GPS 掩星观测和反演原理研 究 . 但是 ,对于上述物理因素对大气反演精度影 响的研究和分析还不够 . 本文简要介绍大气掩星观测原理和几何光学反
GPS 卫星和 LEO到 GPS 卫星和 LEO 卫星的矢量 , <G 为 r G 与信号入射方向的夹角 , <L 为 rL 与信号出射 方向的夹角 ; 电波与大气的正切半径为 rt ,即电波射 线离地心最近的距离 . 在发生掩星的局部 ,可假设大气球对称分布 ,电 波信号路径由于介质折射作用发生弯曲 , 其弯曲角 可由 Abel 积分公式表示为 ∞ d lnμ 1 α( a0 ) = 2 a0 ( 1) dr, 2 2 d r r μ r - a2 t 0
演方法 ,采用模拟的方法对地球扁率和电离层对大
1 引 言
GPS - LEO 无线电掩星探测技术是 21 世纪最先 进的空间探测技术之一 ,该技术具有高精度 、 高垂直 分辨率 、 长期稳定 、 全球覆盖 、 全天候等诸多优点 . 对 于精确研究对流层和平流层全球气候变化有着不可 替代的潜在优势 . 1965 年 , Fischbach 提出了应用无 [1 ] 线电掩星技术探测地球大气参数的建议 , 但因当 时技术条件限制未能实现 . GPS 全球定位系统的建 [2 ] 立为掩星探测地球大气提供了条件 . 随着理论和 技术的发展 ,1995 年 4 月 , 美国大学大气研究联合 会 UCAR ( University Cooperation for Atmospheric Research) 成功发射了搭载有 TurboΠ Rogue GPS 接收 机的 Microlab21 低轨卫星 ,真正从理论和技术上实现 了无线电掩星技术探测地球大气 , 并反演得到了
1018
地 球 物 理 学 报 ( Chinese J . Geophys. )
50 卷
