【摘要】：全球氣候多變和極端天氣事件頻發(fā),嚴重威脅人類的生存和發(fā)展,而高精度、高時空分辨率的大氣水汽分布是監(jiān)測和預(yù)測全球氣候變化和災(zāi)害性天氣的重要信息源。空基和地基GNSS作為一種新的水汽探測手段,不僅能夠有效彌補傳統(tǒng)水汽探測手段的不足,同時還具備準實時、全天候、無需人工干預(yù)的優(yōu)勢,且觀測資料具有長期穩(wěn)定性。新一代GNSS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的不斷完善以及第二代COSMIC掩星探測技術(shù)的實施,為發(fā)展空基和地基GNSS聯(lián)合探測大氣水汽奠定了堅實的基礎(chǔ)。本論文以改善GNSS探測水汽時空分布性能為主要研究目標,深入研究融合多源大氣觀測數(shù)據(jù)輔助地基GNSS層析探測的理論和方法。首先,論文研究了融合GNSS無線掩星資料和無線探空資料,輔助地基GNSS估算斜路徑水汽含量SWV的理論與方法。論文在深入分析GNSS無線掩星探測資料誤差特性的基礎(chǔ)上,提出了利用“非差法”處理手段提取GNSS掩星的附加相位延遲,并應(yīng)用于GNSS掩星水汽反演中,以改善GNSS掩星低對流層大氣反演的質(zhì)量。另外,論文還研究了影響SWV精度的兩個關(guān)鍵變量:天頂對流層干項延遲ZHD和濕度轉(zhuǎn)換因子。ZHD通常是利用經(jīng)典的模型來獲得,濕度轉(zhuǎn)換因子可通過以大氣加權(quán)平均溫度為變量的函數(shù)來獲取,而大氣加權(quán)平均溫度通�；趥鹘y(tǒng)的模型來求取。為了檢驗傳統(tǒng)模型的性能,論文評估了三個經(jīng)典的天頂干項延遲模型以及傳統(tǒng)的大氣加權(quán)平均溫度模型的精度,在此基礎(chǔ)上,以無線電探空和無線電掩星歷史觀測資料作為背景場,標定了區(qū)域性對流層干項延遲,并建立了顧及地面溫度、時間和高程多因子變量的大氣加權(quán)平均溫度模型。最后,對GNSS層析過程中若干關(guān)鍵技術(shù)進行了系統(tǒng)性的研究,定義了水汽層層頂和水汽密集層層頂,并給出了測量這兩個變量高度的方法。結(jié)合這兩個變量的高度,提出了一種新的層析網(wǎng)格劃分方法,最后,使用香港地區(qū)2014年2月份觀測數(shù)據(jù)驗證了論文中提出的新方法。本文主要的研究內(nèi)容和相關(guān)結(jié)論如下:1、提出了“非差法”估算GNSS無線掩星附加相位延遲的方法。從GNSS無線電掩星載波相位提取出的附加相位延遲是整個掩星數(shù)據(jù)反演的基礎(chǔ),處理精度直接影響最終大氣產(chǎn)品的質(zhì)量。同傳統(tǒng)的“雙差法”和“單差法”處理手段相比,“非差法”無需引入輔助測站來消除接收機鐘差的影響。輔助測站本身存在的誤差將會傳入到“雙差法”和“單差法”估算的附加相位延遲中,而“非差法”提取的附加相位延遲不僅降低了噪聲水平,同時也削弱了低對流層中大氣多路徑效應(yīng)的影響。本文選取了 200個COSMIC無線掩星事件進行試驗,將數(shù)值天氣預(yù)報再分析資料產(chǎn)品視為真值,統(tǒng)計結(jié)果顯示:在10km以下,“非差法”獲得的大氣折射率優(yōu)于“單差法”估算的結(jié)果。2、標定了區(qū)域性天頂對流層干延遲模型。首先,提出了一種顧及相鄰高度層上折射指數(shù)與壓強變化規(guī)律的估算天頂對流層延遲的積分方法。新的積分模型能夠從高垂直分辨率的氣象產(chǎn)品中估算出高精度的天頂對流層延遲值。本文利用新的積分模型,結(jié)合無線探空資料及無線掩星資料估算了天頂對流層干延遲,并將此估計值作為真值評估了三個經(jīng)典的天頂對流層干延遲模型(Saastamoinen、Hopfield和Black)的精度。最后,借助于探空和掩星歷史資料,標定了區(qū)域性Saastamoinen模型。將無線探空和GNSS掩星資料基于新的積分算法估計的天頂干延遲作為真值,選取編號45004探空測站2016年的觀測資料以及這一年發(fā)生在香港地區(qū)的掩星產(chǎn)品評估了標定后的模型,統(tǒng)計結(jié)果表明與Saastamoinen模型分別利用這兩種產(chǎn)品獲得的ZHD相比,標定后的模型的精度分別提高了 44.6%和36.8%。3、發(fā)展了一種顧及多變量因子的大氣加權(quán)平均溫度模型。首先,基于相鄰高度層內(nèi)水汽壓隨高程近似指數(shù)的變化規(guī)律和大氣溫度隨高程的似線性的變化規(guī)律,論文提出了一種新的基于高垂直分辨率氣象資料精確地計算大氣加權(quán)平均溫度的積分模型。然后,根據(jù)無線探空和無線掩星資料利用新的積分模型計算的大氣加權(quán)平均溫度作為背景場,發(fā)展了一種同時考慮地表溫度、時間和高程因素的大氣加權(quán)平均溫度模型。為了檢驗新的大氣加權(quán)平均溫度模型的有效性,論文選用2016年1月1日到2016年10月31日的編號45004無線探空測站產(chǎn)品以及與香港地區(qū)共址的COSMIC掩星產(chǎn)品作為真值。將新的Tm模型結(jié)果分別與探空產(chǎn)品以及掩星產(chǎn)品獲得的Tm相比較,其RMS分別為1.84K和2.31K,與Bevis模型Tm相比,精度分別提高了 45.40%和34.75%。4、研究了改善地基GNSS層析技術(shù)的若干關(guān)鍵問題。論文提出將高斯指數(shù)模型作為垂直約束引入到地基GNSS層析技術(shù)中。并定義了水汽層層頂和水汽密集層層頂,基于探空和掩星資料確定了這兩個變量的高度,將水汽層層頂視為層析反演的上邊界層�；谶@兩個高程量,給出了一種新的垂直方向上層析網(wǎng)格劃分的方法。選取香港地區(qū)2014年2月1日至2014年2月28日共28天的實測數(shù)據(jù)進行反演。將相同區(qū)域及時間的無線探空資料和掩星產(chǎn)品視為真值,經(jīng)過統(tǒng)計和分析可知,優(yōu)化的層析技術(shù)獲得的水汽密度與探空產(chǎn)品在3.75km以上和3.75km以下偏差的RMS分別為2.52 g/m3和0.86 g/m3,與傳統(tǒng)的層析結(jié)果相比,分別提高了 15%和12%。優(yōu)化的層析技術(shù)獲得的水汽密度與無線掩星產(chǎn)品在3.75km以上和3.75km以下偏差的RMS值分別為1.24 g/m3和0.72 g/m3,與傳統(tǒng)的層析結(jié)果相比,分別提高了 15%和19%。
【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P228.4;P405
【圖文】：

本文借助于Ｆｌｏｒｅｓ建議的基于像素基的層析模型，將研宄區(qū)域上方分割成不同的三逡逑維網(wǎng)格，每個獨立網(wǎng)格的水汽信息視為待估參數(shù)，把一定時間內(nèi)的ＳＷＶ觀測值作為輸逡逑入值反演出這些參數(shù)。若研宄區(qū)域在經(jīng)度和yN度方向分別被分割成成ｎ／和個格網(wǎng)，逡逑高程方向上被劃分為Ｍ個網(wǎng)格。則第ｇ條電磁波信號方向上的ＳＷＶ與其穿越網(wǎng)格內(nèi)的逡逑水汽密度及穿越距離之間的函數(shù)關(guān)系可以表示為（Ｆｌｏｒｅｓ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０００）：逡逑Ｉ：；說邐（２－２３）逡逑其中，ｐ表示水汽密度；ＳＷＶ１７表示第？條ＧＮＳＳ電磁波信號方向上的斜路徑水汽逡逑含量，單位為毫米；NB是分割的三維網(wǎng)格的坐標。逡逑受制于地面觀測值與衛(wèi)星星座之間幾何關(guān)系的影響，所分割的層析網(wǎng)格中會存在部逡逑分網(wǎng)格內(nèi)未有電磁波信號穿過的情況。這使得公式（２－２３）不能直接利用平差處理方式進逡逑行解算。在實際的解算中，需要附加一些約束信息，比如水平約束、垂直約束、先驗信逡逑息約束等。這使得層析觀測方程變得十分復(fù)雜，因此，直接利用平差最小二乘求逆解算逡逑非常困難。許多研究者利用不同的解算手段來解決這個難題，最常用的兩類解算方式為：逡逑

發(fā)射端和接收端衛(wèi)星的運動，電磁波信號能夠在１？２分鐘內(nèi)從高到低或者從低到高橫穿逡逑整個地球大氣層，這一事件的過程被稱為下降掩星觀測或上升掩星觀測。其基本原理如逡逑圖２－２所７Ｋ：逡逑２４逡逑

３．４邋ＰＡＮＤＡ軟件處理ＬＥＯ軌道精度逡逑當前，可實現(xiàn)ＬＥＯ衛(wèi)星精密定軌的ＧＮＳＳ數(shù)據(jù)處理軟件有很多，如Ｂｅｒｎｅｓｅ邋５．０／５．２、逡逑ＰＡＮＤＡ邋等。ＵＣＡＲ／ＣＤＡＡＣ邋基于邋Ｂｅｒｎｅｓｅ邋５．２邋對邋ＣＯＳＭＩＣ、ＧＲＡＣＥ、ＣＨＡＭＰ邋等掩星任逡逑務(wù)精密地確定ＬＥＯ的軌道信息。Ｂｅｒｎｅｓｅ軟件是瑞士伯爾尼大學天文研究所開發(fā)的一個逡逑高精度ＧＮＳＳ數(shù)據(jù)處理軟件，該軟件不僅僅可以實現(xiàn)非差精密單點定位的解算，也可以逡逑３１逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2751676