GNSS无线电掩星的电离层误差特性及改正方法研究

发布时间：2018-11-22 20:11

【摘要】：地球大气层作为人类赖以生存的保护屏障,一直是人类研究的重要课题。相比于传统的地球大气探测手段,20世纪90年代开展的无线电掩星地球大气探测技术具有高精度、高垂直分辨率、全球覆盖、全天候观测、自校准性,以及长期稳定性等特点,十分适用于地球大气的探测研究。无线电掩星技术的大气反演资料不仅可以弥补传统大气探测手段的不足,而且还可以改善数值天气预报(NWP)的精度,以及提高全球气候变化的监测能力等等,因此无线电掩星探测技术对气象学和气候学的研究具有重大科学意义和现实意义。 在无线电掩星的各种误差源中,电离层误差是主要误差源之一。而在无线电掩星数据处理中,双频线性组合只能消除或削弱电离层一阶项延迟的影响,电离层高阶项误差依然存在,影响着高层大气参数的反演精度。在太阳活动极大年,甚至会影响到25km处的大气参数的反演精度,从而限制了掩星探测技术在地球大气科学研究中的应用。因此,为改善掩星反演精度,提高掩星探测技术在地球大气科学研究中的重要作用,无线电掩星中的电离层误差研究是十分迫切必要的。由此,本文开展了相关研究工作。 本文主要研究内容如下： 1、从无线电掩星探测计划的发展历程出发,评述了无线电掩星探测技术的研究进展及其在地球大气科学研究中的重要作用。进一步评述了GNSS数据处理中电离层误差的研究进展,尤其是详细评述了无线电掩星的电离层误差的研究现状以及不足之处。 2、阐述了无线电掩星探测技术的理论基础——Helmholtz方程,以及几何光学近似条件下的射线方程和Bouguer定律。详细描述了几何光学反演方法的基本数据处理流程,并解释和说明了一些关键的反演步骤。对当前普遍采用的无线电掩星正演方法——三维射线追踪仿真方法进行了详细介绍,为掩星的仿真分析提供依据。 3、详细推导了几何光学反演方法中由附加相位误差到弯曲角、折射率、以及温度和气压等参数反演误差的公式。结合全球时空均匀分布的180次真实掩星事件的GNSS/LEO卫星轨道数据,以及相应的大气模型,利用仿真方法重点统计分析了掩星探测技术中的地球扁率、卫星星历误差、卫星钟稳定度,局部多路径效应,以及热噪声对参数反演精度的影响。 4、按电离层误差的性质将其分为四个部分：电离层中射线路径／弯曲引起的中性大气延迟误差和附加射线长度,电离层一阶项延迟,以及电离层二阶项延迟。以此分类为基础,详细研究分析了电离层各项误差的特性,它们与近地点高度、太阳活动水平、地理位置,以及地方时之间的变化关系。在无线电掩星中,经双频线性组合改正后,L1和L2射线路径上的TEC差异所引起的残余误差△s1和附加射线长度误差△slen占主要成分,二阶项残余误差As2则次之,而电离层中射线路径色散/弯曲引起的中性大气延迟残余误差项△sneu几乎可以忽略不计。受电离层E层电子密度结构的影响,残余误差△s1和△slen具有明显的“凸起”结构特征；而△s1和△slen与射线路径上TEC的变化率dTEC/dt成正比关系。 5、首次研究分析了无线电掩星中二阶项残余误差△82与掩星事件方位角之间的关系。研究结果表明：二阶项误差△82随掩星方位角具有正弦变化特性,最大正值和负值约分别位于方位角0°(南向)和180°(北向)上；△s2的正弦变化特性使得掩星反演参数误差也同样具有正弦变化特性,但变化趋势恰好相反,参数反演误差的最大正值和负值约分别对应误差△s2的最大负值和正值,即约分别位于方位角18°(北向)和0°(南向)上。当掩星方位角为0°/180°时,全球二阶项误差△82几乎都为正/负值。由于电离层赤道异常现象、地磁极倾斜,以及掩星射线的低高度角传播特性,使得当掩星方位角为0。时,全球二阶项误差△s2具有“三峰”结构特征,约分别位于3O°N～45°N、0°N～15°N,以及15°S～300S左右,在中等太阳活动水平下约为1.2-1.6cm。 6、以上述电离层误差的分类为基础,首次分类研究分析了无线电掩星中的基于历元的附加相位组合PCE和基于碰撞参数的弯曲角组合BCI之间的差异,并指出PCE方法的不足之处。以此为出发点,提出了基于碰撞参数的附加相位组合PCI,并对比分析了PCE与PCI组合的异同点。以PCE和PCI组合的对比分析为出发点,提出了一种新的电离层误差改正方法——-PCEI方法,该组合方法融合了PCE和PCI组合,改正效果较好,且实现较为简单。分别从仿真和实测掩星数据对PCEI方法进行了验证,结果表明：PCEI方法的改正效果明显优于PCE方法,与掩星中常用的BCI方法基本相当；与CDAAC的15-35km的温度差异基本在1K以内,证明了所提的PCEI方法的正确性和有效性。 7、由于PCEI组合方法中仍存在电离层残余系统误差,而未来的GPS、Galileo、Beidou等GNSS系统都可以提供三频信号,甚至多频信号。由此,论文首次对无线电掩星中的三频组合方法进行了初步研究。研究结果表明：在现有的L波段的基础上加入C波段的数据后,L波段双频组合中的电离层残余系统误差可被削弱至mm级水平,而且具有较小的热噪声；通过所反演的温度误差可知,与C波段有关的三个组合都可以获得0-40kmn内几乎无偏的温度剖面,非常适合于监测十年尺度以上的气候变化趋势；而与双频组合相比,由于噪声放大问题,L1、L2和Ls三频组合的温度反演精度并没有明显提升,反而可能会降低,需开展更有效的滤波算法研究。 8、利用PCEI方法首次量化了电离层残余系统误差RIEs及其引起的参数反演误差。研究表明：全球日间掩星事件的RIEs及参数反演误差要大于夜间事件,而高纬度地区的日间和夜间事件的RIEs及参数误差的差异并不大；中低纬度地区掩星事件的RIEs及参数反演误差要大于高纬度地区。
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【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P228.4
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本文编号：2350436