【摘要】：地球大氣層作為人類賴以生存的保護屏障,一直是人類研究的重要課題。相比于傳統(tǒng)的地球大氣探測手段,20世紀90年代開展的無線電掩星地球大氣探測技術(shù)具有高精度、高垂直分辨率、全球覆蓋、全天候觀測、自校準性,以及長期穩(wěn)定性等特點,十分適用于地球大氣的探測研究。無線電掩星技術(shù)的大氣反演資料不僅可以彌補傳統(tǒng)大氣探測手段的不足,而且還可以改善數(shù)值天氣預報(NWP)的精度,以及提高全球氣候變化的監(jiān)測能力等等,因此無線電掩星探測技術(shù)對氣象學和氣候?qū)W的研究具有重大科學意義和現(xiàn)實意義。 在無線電掩星的各種誤差源中,電離層誤差是主要誤差源之一。而在無線電掩星數(shù)據(jù)處理中,雙頻線性組合只能消除或削弱電離層一階項延遲的影響,電離層高階項誤差依然存在,影響著高層大氣參數(shù)的反演精度。在太陽活動極大年,甚至會影響到25km處的大氣參數(shù)的反演精度,從而限制了掩星探測技術(shù)在地球大氣科學研究中的應用。因此,為改善掩星反演精度,提高掩星探測技術(shù)在地球大氣科學研究中的重要作用,無線電掩星中的電離層誤差研究是十分迫切必要的。由此,本文開展了相關(guān)研究工作。 本文主要研究內(nèi)容如下： 1、從無線電掩星探測計劃的發(fā)展歷程出發(fā),評述了無線電掩星探測技術(shù)的研究進展及其在地球大氣科學研究中的重要作用。進一步評述了GNSS數(shù)據(jù)處理中電離層誤差的研究進展,尤其是詳細評述了無線電掩星的電離層誤差的研究現(xiàn)狀以及不足之處。 2、闡述了無線電掩星探測技術(shù)的理論基礎(chǔ)——Helmholtz方程,以及幾何光學近似條件下的射線方程和Bouguer定律。詳細描述了幾何光學反演方法的基本數(shù)據(jù)處理流程,并解釋和說明了一些關(guān)鍵的反演步驟。對當前普遍采用的無線電掩星正演方法——三維射線追蹤仿真方法進行了詳細介紹,為掩星的仿真分析提供依據(jù)。 3、詳細推導了幾何光學反演方法中由附加相位誤差到彎曲角、折射率、以及溫度和氣壓等參數(shù)反演誤差的公式。結(jié)合全球時空均勻分布的180次真實掩星事件的GNSS/LEO衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù),以及相應的大氣模型,利用仿真方法重點統(tǒng)計分析了掩星探測技術(shù)中的地球扁率、衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘穩(wěn)定度,局部多路徑效應,以及熱噪聲對參數(shù)反演精度的影響。 4、按電離層誤差的性質(zhì)將其分為四個部分：電離層中射線路徑／彎曲引起的中性大氣延遲誤差和附加射線長度,電離層一階項延遲,以及電離層二階項延遲。以此分類為基礎(chǔ),詳細研究分析了電離層各項誤差的特性,它們與近地點高度、太陽活動水平、地理位置,以及地方時之間的變化關(guān)系。在無線電掩星中,經(jīng)雙頻線性組合改正后,L1和L2射線路徑上的TEC差異所引起的殘余誤差△s1和附加射線長度誤差△slen占主要成分,二階項殘余誤差As2則次之,而電離層中射線路徑色散/彎曲引起的中性大氣延遲殘余誤差項△sneu幾乎可以忽略不計。受電離層E層電子密度結(jié)構(gòu)的影響,殘余誤差△s1和△slen具有明顯的“凸起”結(jié)構(gòu)特征；而△s1和△slen與射線路徑上TEC的變化率dTEC/dt成正比關(guān)系。 5、首次研究分析了無線電掩星中二階項殘余誤差△82與掩星事件方位角之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：二階項誤差△82隨掩星方位角具有正弦變化特性,最大正值和負值約分別位于方位角0°(南向)和180°(北向)上；△s2的正弦變化特性使得掩星反演參數(shù)誤差也同樣具有正弦變化特性,但變化趨勢恰好相反,參數(shù)反演誤差的最大正值和負值約分別對應誤差△s2的最大負值和正值,即約分別位于方位角18°(北向)和0°(南向)上。當掩星方位角為0°/180°時,全球二階項誤差△82幾乎都為正/負值。由于電離層赤道異常現(xiàn)象、地磁極傾斜,以及掩星射線的低高度角傳播特性,使得當掩星方位角為0。時,全球二階項誤差△s2具有“三峰”結(jié)構(gòu)特征,約分別位于3O°N～45°N、0°N～15°N,以及15°S～300S左右,在中等太陽活動水平下約為1.2-1.6cm。 6、以上述電離層誤差的分類為基礎(chǔ),首次分類研究分析了無線電掩星中的基于歷元的附加相位組合PCE和基于碰撞參數(shù)的彎曲角組合BCI之間的差異,并指出PCE方法的不足之處。以此為出發(fā)點,提出了基于碰撞參數(shù)的附加相位組合PCI,并對比分析了PCE與PCI組合的異同點。以PCE和PCI組合的對比分析為出發(fā)點,提出了一種新的電離層誤差改正方法——-PCEI方法,該組合方法融合了PCE和PCI組合,改正效果較好,且實現(xiàn)較為簡單。分別從仿真和實測掩星數(shù)據(jù)對PCEI方法進行了驗證,結(jié)果表明：PCEI方法的改正效果明顯優(yōu)于PCE方法,與掩星中常用的BCI方法基本相當；與CDAAC的15-35km的溫度差異基本在1K以內(nèi),證明了所提的PCEI方法的正確性和有效性。 7、由于PCEI組合方法中仍存在電離層殘余系統(tǒng)誤差,而未來的GPS、Galileo、Beidou等GNSS系統(tǒng)都可以提供三頻信號,甚至多頻信號。由此,論文首次對無線電掩星中的三頻組合方法進行了初步研究。研究結(jié)果表明：在現(xiàn)有的L波段的基礎(chǔ)上加入C波段的數(shù)據(jù)后,L波段雙頻組合中的電離層殘余系統(tǒng)誤差可被削弱至mm級水平,而且具有較小的熱噪聲；通過所反演的溫度誤差可知,與C波段有關(guān)的三個組合都可以獲得0-40kmn內(nèi)幾乎無偏的溫度剖面,非常適合于監(jiān)測十年尺度以上的氣候變化趨勢；而與雙頻組合相比,由于噪聲放大問題,L1、L2和Ls三頻組合的溫度反演精度并沒有明顯提升,反而可能會降低,需開展更有效的濾波算法研究。 8、利用PCEI方法首次量化了電離層殘余系統(tǒng)誤差RIEs及其引起的參數(shù)反演誤差。研究表明：全球日間掩星事件的RIEs及參數(shù)反演誤差要大于夜間事件,而高緯度地區(qū)的日間和夜間事件的RIEs及參數(shù)誤差的差異并不大；中低緯度地區(qū)掩星事件的RIEs及參數(shù)反演誤差要大于高緯度地區(qū)。
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【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：P228.4
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本文編號：2350436