COSMIC-2近实时廓线反演对流层延迟及其质量分析

为了进一步提高全球大气探测和极端天气预报的精度,提出一种气象、电离层与气候星座观测系统2代(COSMIC-2)近实时廓线反演对流层延迟方法:指出随着气象、电离层与气候星座观测系统2代(COSMIC-2)掩星探测深度的加深,通过掩星手段为地表全球卫星导航系统(GNSS)观测站提供近实时先验天顶对流层延迟(ZTD)产品成为可能;采用COSMIC-2掩星Level 2近实时产品wetPf2大气湿度廓线获取掩星ZTD,并以欧洲中期数值天气预报中心第五代再分析资料(ERA5)作为参考,分高程、纬度、季节评估其反演精度。结果表明,COSMIC-2掩星反演天顶对流层延迟ZTD整体精度较高,10 km高程以下全球定位系统(GPS)信号反演ZTD精度较格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)信号更优;掩星反演ZTD精度随高程增加而提升,在0~1 km高程范围内精度最低,均方根(RMS)分别为11.33 mm(GPS)、11.54 mm(GLONASS);中低纬度区域(25°N—35°N)反演ZTD精度低于低纬(15°N—25°N)和中纬(35°N—45°N)区域,其中中纬区域精度最高,RMS分别为4.74 mm(GPS)、4.70 mm(GLONASS);掩星反演ZTD精度同样受季节影响,GPS/格洛纳斯全球卫星导航系统(GLONASS)双模信号均在夏季反演精度最差,冬季反演精度最高,冬季RMS分别为4.15 mm(GPS)、4.18 mm(GLONASS)。

利用MERRA-2地表温压资料进行中国区域GNSS水汽反演的精度分析

为分析美国宇航局发布的最新MERRA-2再分析资料地表温压产品在中国区域进行GNSS水汽反演的精度,联合中国区域609个地面气象站实测温度和气压数据、48个GNSS站及并址探空站资料,评估MERRA-2温压产品及其在GNSS PWV反演中的精度。结果表明:1)MERRA-2气压和温度年均bias分别为-0.01 hPa和0.38 K,年均RMSE分别为1.08 hPa和2.66 K,MERRA-2再分析资料温压产品在中国区域具有较高的精度;2)MERRA-2再分析资料温压产品在中国大部分地区呈现负偏差,精度从高到低依次为南方地区、北方地区、西北地区和青藏高原地区;3)将MERRA-2温压产品的PWV反演结果与并址探空站实测PWV进行对比可知,MERRA-2再分析资料温压产品反演的GNSS PWV平均RMSE为2.16 mm,能较好地反映PWV的日变化。因此,MERRA-2地表温压产品在中国区域的气象研究及GNSS水汽监测中具有重要意义。

HY-2卫星精密轨道拟合与外推的两种方法比较

分别采用切比雪夫曲线和最小二乘曲线拟合HY-2(海洋二号)卫星精密轨道,并进一步解算速度场与预报轨道。结果表明:最小二乘曲线拟合结果明显优于切比雪夫曲线拟合结果,拟合轨道精度为1～2cm,拟合速度场精度为1～2cm/s,且可以进行轨道短期预报,预报轨道精度与拟合轨道精度相当。

基于GNSS浮标和验潮资料的HY-2A卫星高度计绝对定标

为探测我国HY-2A卫星高度计海面高测量绝对偏差及其在轨运行状态,本文利用GNSS浮标星下点同步测量和验潮资料海面高传递方法在山东千里岩和珠海担杆岛海域开展定标研究。为验证GNSS浮标定标方法的准确性,还对国外卫星Jason-2和Saral进行了定标实验。实验表明GNSS浮标绝对海面高测量精度达2cm,对Jason-2和Saral高度计多个周期定标得到的海面高偏差均值分别为5.7cm和-2.3cm,与国际专门定标场的结果符合较好。2014年9月和2015年5月HY-2A卫星高度计浮标定标结果分别是-65cm和-91cm,因两次结果差异显著,故又利用千里岩验潮站资料对HY-2A卫星高度计第56至73周期进行了定标分析,结果证明HY-2A卫星海面高存在约-51cm/a的漂移,置信度为95%的回归分析表明浮标和验潮定标结果符合。本文研究结果表明在我国尚无专门定标场的情况下,可利用GNSS浮标对我国高度计实施灵活、精准的在轨绝对定标,在有高度计轨迹经过验潮站的情况下可使用验潮资料结合精密大地水准面模型进行绝对定标。

2-DCCF卫星定位信号接收机的设计

介绍了当今卫星定位系统(GNSS)接收机中的天线赋形技术、软件无线电技术和FPGA实现技术,以及它们在二维弹道修正引信(2-DCCF)的应用。最后,文中给出了用于旋转弹二维弹道修正引信的GPS接收系统的工作原理框图。

COSMIC-2掩星反演数据质量分析

为评价COSMIC-2掩星反演数据精度,利用探空站点资料,对比验证了基于COSMIC-2附加相位数据由无线电掩星数据处理软件ROPP计算得到的大气折射率及温湿廓线。实验结果表明:COSMIC-2数据经反演后的大气廓线质量较高,大气折射率相对偏差标准差为1.5%~4.3%,大气温度和相对湿度均方根误差分别为1.3~2.2 K、10%~15%;低纬地区样本精度总体优于中纬地区;季节性差异不明显,但冬春季样本精度总体略优于夏秋季。反演数据与COSMIC-2二级产品相比,折射率与温度在部分高度层精度更优,相对湿度在总体上精度更优。

基于RadarSat-2的天津市地面沉降监测与精度验证

利用16期高分辨率RadarSat-2(R2)SAR影像数据,以天津市为主要研究区,获取该城市2020-09至2021-10期间地面沉降速率信息。经初步分析天津市沉降速率超过30 mm/a的区域分布较广泛,超过50 mm/a的辖区包括武清、静海及西青。其中,静海地面沉降整体趋势最为明显。根据收集GNSS监测与水准同期观测数据对获取的InSAR结果利用临近点法匹配同名点进行精度验证分析,由结果可知,23个GNSS监测站统计结果显示,整体偏差的平均误差为6.1 mm,中误差为7.3 mm,正态分布趋势不显著;GNSS与1400余个水准点进行动态平差结果统计分析显示,平均误差为4.73 mm,中误差为6.27 mm,偏差趋近正态分布规范,验证精度优于单GNSS监测结果。本文综合利用InSAR与常规地面沉降观测技术,较好地提取了城市地面沉降相关资料,可为天津精细化控沉管理提供基础数据。

不同地磁活动下全球电离层产品的评估

针对地磁活动会对电离层产品产生影响的问题,提出一种不同地磁活动下全球电离层产品的评估方法:通过评估6家电离层联合分析中心(IAACs)发布的全球电离层地图(GIM)总电子含量(TEC)数据在不同地磁活动条件下的精度,比较2018年地磁平静(8月19—24日)和扰动(8月25—30日)的2个时间段各个分析中心产品的差异。结果表明,磁暴期间,各个分析中心的平均全球总电子含量相对于平静期间可增加0.5个总电子含量单位(TECU)左右;同时磁暴期间的GIM产品精度降低,与全球定位系统(GPS)实测垂直总电子含量(VTEC)相比,各个分析中心模型均方根误差(RMS)可平均增大0.2个TECU,与詹森2号(Jason-2)测高卫星提供的VTEC相比,各个分析中心RMS可平均增大0.4个TECU;加拿大自然资源部门(EMR)和欧洲太空局(ESA)的产品受地磁扰动影响较大,欧洲定轨中心(CODE)的产品和IGS综合GIM的产品受地磁扰动影响最小;地磁扰动对各个分析中心的产品在低纬度地区和高纬度地区的精度影响较大,对中纬度地区的精度影响相对较小。

中国区域大气加权平均温度垂直递减率格网模型

大气加权平均温度(T m)是全球导航卫星系统(GNSS)反演大气水汽(PWV)的关键参数。然而,已有经验T m模型难以捕获T m的日周期变化,限制了其在高时间分辨率GNSS-PWV监测中的应用。利用大气再分析资料可获取高时间分辨率的T m信息,但需使用高精度的T m垂直递减率模型对其进行高程改正。针对已有T m垂直递减率模型建模仅使用单一格网点数据等不足,本文引入滑动窗口算法,利用2012—2016年的MERRA-2再分析资料建立了顾及时变垂直递减率的中国区域水平分辨率分别为1°×1.25°、2°×2.5°和4°×5°的T m垂直递减率格网模型(简称“CTm-H1、CTm-H2和CTm-H3模型”)。联合2017年的MERRA-2、GGOS大气格网数据和探空站资料,对CTm-H模型进行精度检验,并与中国区域统一的T m垂直递减率模型(简称“统一模型”)进行比较分析。结果表明:①以MERRA-2格网数据为参考值,通过CTm-H模型将MERRA-2地表格网数据改正到分层格网数据各层高度处检验,CTm-H 3个模型性能相当,在两种T m数据高程差异较大时,CTm-H模型表现出显著的优势,相比于统一模型,精度(RMS值)整体提高了30%。②以探空站资料为参考值,通过CTm-H模型将MERRA-2地表格网数据和GGOS大气格网产品分别改正到探空站高度处检验,与统一模型相比,CTm-H 3个模型的精度整体分别提高了3%和5%,且CTm-H和统一模型的精度相比于未顾及垂直改正提升较大,尤其在中国西部地区表现出显著的优势。总体而言,CTm-H 3个模型在中国区域均具有较高的精度,不需要实测气象参数即可提供中国区域近地空间范围内(本文指0~10 km的高程范围)任意位置实时高精度的T m高程改正值,因此,它在中国区域的实时高精度GNSS水汽探测中具有重要的应用。

电离层多源数据同化方法研究

多源数据同化是实现电离层天气现报和预报的重要途径.选择参数化电离层模型作为背景模型,基于地基全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)观测以及第二代气象/电离层气候卫星探测系统(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate 2,COSMIC 2)掩星测量,利用经验电离层模型NeQuick计算得到多源观测数据,结合水平和垂直方向分离的高斯型协方差矩阵及卡尔曼滤波方法实现了中国区域电离层多源数据同化反演.同化结果表明,多源数据同化方法能将观测资料有效地同化到背景模式中从而获得较好的同化结果.与背景模式相比,同化后得到的电离层总电子含量及电子密度误差均显著下降.

全球卫星导航系统接收机的正交二分频器设计

将全球卫星导航系统(GNSS)接收机用于手持移动设备必须降低正交二分频器等大功耗模块的功耗,因此,本文提出了工作于1V电压以下的正交二分频器。使用提出的正交二分频器可使电路在各工艺角下高速稳定的工作,并大大降低模块的功耗。首先,介绍已有的高速二分频器。接着,计算了所提出结构的直流静态偏置,并对提出的锁存器进行小信号建模和分析。最后,根据小信号模型分析得到的条件和GNSS接收机的应用要求,设计了提出的低功耗结构。实验结果表明:提出的二分频器最高工作频率为6.55GHz,最低可工作到0.25GHz,消耗电流为0.8mA,占用面积为0.014 4mm2。提出的电路结构在0.13μm CMOS工艺上实现,可稳定工作于1V电压下,目前已成功应用于低功耗的移动GNSS接收机中。

基于现场的卫星高度计定标技术研究

卫星高度计数据的广泛应用离不开准确的现场定标检验工作。在青岛千里岩海上试验的基础上,分别使用GNSS浮标法和潮汐法对Jason-2卫星高度计进行了定标。其结果显示:(1)GNSS浮标法使用高精度GNSS数据处理软件GAMIT/GLOBK及其Track模块,对GNSS浮标数据进行高精度处理,得到的高度计偏差为+195.7 mm,该方法可以消除大地水准面和潮位的影响,精度较高;(2)在潮汐法中,利用FVCOM海洋模式模拟了千里岩周边的潮位,并对比了GNSS浮标测得的潮位结果,二者的标准偏差达到了1.3 cm,满足高度计定标的要求,结合EGM2008计算的大地水准面和平均动力地形,得到的高度计偏差结果为+150.9±35.1 mm,该方法受限较多,精度较差。但两种方法最终得到的高度计偏差与国际其他定标场的结果相当。

欧洲区域性卫星导航系统论证方案

从用户需求和技术可行性提出了欧洲区域性卫星导航系统方案，并用信号设计，系统空间段、用衣段和地面段的组成等方面对两种方案的性能进行了对比分析和评估，确定了系统的构成并对系统的成本进行了分析。