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)。

COSMIC低轨卫星GPS接收机差分码偏差估计

GPS接收机差分码偏差(Differential Code Bias,DCB)是利用COSMIC低轨卫星观测值反演电离层总电子含量TEC的一项重要误差源.本文将COSMIC卫星轨道高度以上的电离层作为一个单层,采用球谐函数来参数化电离层TEC值,并利用最小二乘法同时估算电离层球谐系数和DCB参数.运用这种方法对2012年12月份的所有COSMIC卫星GPS接收机DCB进行了解算,并与COSMIC数据分析与档案中心CDAAC提供的产品进行了比较.实验结果表明:在2012年12月期间,估计的接收机DCB与CDAAC结果符合的较好,二者DCB变化趋势相近,DCB差值的RMS值在2TECU以内,且最大绝对差值小于3TECU;此外,本文计算的接收机DCB估计误差主要分布在0.2～0.4TECU之间,具有较高的内符合精度.

星基GNSS掩星事件预报方法分析

针对全球卫星导航系统(GNSS)星基掩星观测时长通常仅有几十秒,特别是在升星掩星观测中,需要快速实现负高度角卫星信号的捕获跟踪,才能获得及时有效的掩星观测时长的问题,基于先验轨道信息辅助的开环跟踪技术,提出一种基于切线高度的掩星事件快速预报方法,以辅助掩星接收机快速捕获和跟踪GNSS掩星信号,从而保证掩星观测数据质量和有效观测时长:对地球局部曲率中心进行修正,得到更为精准的切线高度;然后设置掩星事件的判决条件,采用极值的方式快速预报出符合阈值的掩星事件;最后对全球内曲率中心和曲率半径进行分析。实验结果表明,曲率中心的修正距离最大值可至45 km,曲率半径波动范围可达到65 km,足以影响掩星探测的准确预报。基于气象、电离层和气候星座观测系统(COSMIC-2)实测数据的仿真结果表明,掩星预报的全球定位系统(GPS)掩星漏报率低于3%,格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)掩星漏报率约14.5%,且预报掩星开始时间大多提前5~10 s;证明基于切线高度的掩星预报方法能够有效地应用于星基掩星事件的预报,以辅助接收机准确捕获和跟踪信号,提升掩星观测资料的数据量和有效观测时长。

用比湿数据及独立成分分析研究ENSO在对流层上层的响应

基于2006—2016年气象、电离层与气候卫星观测系统(COSMIC)提供的level 2‘wetPrf’比湿数据集,首次提出了独立成分分析(ICA)联合低通滤波的方法提取对流层上层的厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)信号。结合现有的气象学研究与传统方法主成分分析(PCA)的结果,分析了ENSO信号在对流层上层的响应。结果表明:ICA提取的ENSO信号具有更高的可靠性、有效性和可解释性,且得到了现有气象研究很好的支撑。该方法很好地分离出具有不同区域特征的源信号,凸显了这种基于信息理论的方法在ENSO信号提取方面的潜力。

基于RT-PPP的低轨卫星实时高精度时间同步方法

实现低轨导航增强的关键前提是实现低轨星座的整网时间同步,本文针对低轨导航增强系统,提出了一种基于实时精密单点定位(RT-PPP)的低轨卫星高精度时间同步方法,以解决低轨星座实时高精度时间同步的问题.本文分析了在处理过程中存在的各类误差,介绍了低轨卫星采用状态空间(SSR)改正信息通过精密单点定位(PPP)实现实时高精度时间同步方法的处理流程,将此方法应用于气象、电离层与气候星座观测系统(COSMIC)卫星实测数据的处理,并将该方法与采用广播星历伪距的方法以及事后精密星历的方法进行了比较分析.结果表明:采用SSR改正信息PPP的方式对2颗COSMIC卫星进行GPS双频观测值的解算,得到的轨道误差的标准差在分米级,钟差误差标准差分别在2.4 ns和2.3 ns左右,可以达到纳秒级.通过对不同方法解算的结果进行比较可以看出,采用SSR改正信息PPP的方法明显优于采用广播星历伪距方法的解算精度,且与事后精密星历PPP的方法解算精度相当.

中国区域COSMIC数据掩星反射信号特征分析

掩星信号在传播过程中能够在地球表面发生反射,其反射信号中的低层大气信息在改进天气预报精准度和气候监测等方面存在很大的应用价值。基于COSMIC(constellation observing system for meteorology,ionosphere and climate)掩星廓线资料,提取了2011-2015年中国区域的包含反射信号的掩星廓线,揭示了廓线分布具有内陆少、海洋多的规律,且具有夏季少、冬季多的季节性变化特征,内陆地区冰雪覆盖和海洋表面更有利于掩星信号反射。将中国近海海域按照5°×5°格网划分,进一步分析了格网内含反射信号的掩星廓线百分比时间序列与欧洲中期天气预报中心提供的再分析水汽和温度数据之间的相关性。结果表明,在10°N以北海域,掩星廓线反射信号百分比与再分析水汽数据和再分析温度数据均呈现负相关(相关系数约为-0.28~-0.58);而在10°N以南海域,受南海季风影响,掩星廓线反射信号百分比与再分析水汽数据有一定程度的正相关(相关系数约为0.32~0.34),与再分析温度数据没有显著相关性。

利用GPS掩星资料反演大气重力波势能的方法

介绍了利用GPS掩星资料反演大气重力波势能的方法,给出了从COSMIC(constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate)干温廓线出发,扰动温度廓线提取及势能廓线反演的具体流程,进而对2011年夏季和冬季20~30 km重力波势能的全球分布及季节变化特征进行了分析,结果与国内外已有文献基本一致。