[發明專利]一種并行星群掩星事件快速數據處理方法

有效

• 申請號: 201010184421.6
• 申請日: 2010-05-20
• 公開（公告）號: CN101872019A
• 公開（公告）日: 2010-10-27
• 發明（設計）人: 羅佳;徐曉華
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01S13/95
• 分類號: G01S13/95;G01S19/00;G06F15/16
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本發明涉及導航衛星應用、并行計算技術領域，尤其涉及一種并行星群掩星事件快速數據處理方法。

背景技術

無線電掩星技術最初用于天文學中探測行星的大氣狀態，在參考文獻1中詳盡的描述了應用于行星大氣探測的發展史(參見文獻1)，1965年，Fischbach提出將這種技術應用于地球大氣探測的思想(參見文獻2)；此后Hardy等人進行了大量的理論研究和模擬計算工作(參見文獻3)，90年代初美國的全球定位系統(GPS，Global?Positioning?System)星座的成功建成和運行促進了這一思想在實踐中的應用。

利用GPS無線電掩星技術探測地球大氣狀態是近年來地學和大氣科學領域中蓬勃發展的研究方向之一，其基本思想是：在低軌道(LEO，Low?Earth?Orbit)衛星上安裝一個高頻采樣的GPS接收機對GPS衛星進行觀測。當信號穿過地球電離層和對流層時，由于相應介質垂直折射指數的變化，信號路徑會發生彎曲。隨著信號發射與接收兩端衛星的運動，彎曲的信號路徑會由高到低或者由低到高地掃過整個地球大氣層，持續時間約為1min左右，這一過程被稱作一次下降或者上升掩星事件。通過對一次掩星事件中信號相位及振幅變化量的測定，再加上GPS與LEO衛星的精密軌道信息，就能夠反演彎曲角的垂直廓線，進而得到大氣折射指數廓線。當對流層中水汽含量可以忽略時，可基于理想氣體大氣狀態方程直接得到氣壓與干溫廓線。當水汽含量較大時，利用其它途徑(如數值天氣預報模式輸出或無線電探空觀測資料)提供的背景溫度場，進而反演大氣濕度廓線。

GPS掩星觀測這一新型大氣探測手段的產生是對傳統大氣探測手段的有力補充，其觀測數據具有全球覆蓋、高垂直分辨率、高精度、穩定性好等優點。其發展能夠彌補無線電探空儀和氣象衛星的不足，推動數值天氣預報精度的提高。對于天氣預報而言，數值天氣預報(NWP，Numerical?Weather?Prediction)模式必須采用三維大氣參數數據作為初值，目前提供這種初值的無線電探空網絡在時空分布上密度不夠，極大地限制了模式的精度。而氣象衛星資料的垂直分辨率有限，對模式精度的貢獻較小。掩星觀測由于其高垂直分辨率和高精度，所提供的豐富數據資料具有進一步改進NWP模式的潛力。由于掩星觀測的長期性與穩定性，它對于氣候和全球變化研究也具有重要作用。另外，GPS掩星觀測為電離層的研究也提供了有利條件，它具備足夠的時空分辨率提供全球電離層映象。

目前歐美等發達國家和地區已經相繼開展星載GPS掩星觀測的科學任務。自1995年由美國大學大氣研究聯合會(UCAR，University?Corporation?for?Atmospheric?Research)主持的概念證明實驗GPS/MET?正式啟動，發射了軌道高度為750km的Microlab-1衛星。通過對該LEO衛星GPS掩星觀測資料的處理，證明了GPS掩星探測地球大氣狀態的可行性和對改進NWP模式的潛在價值(參見文獻4)。美國，歐洲，中國臺灣省等多個國家和地區已發射了實施掩星觀測的多個衛星或衛星星座。其中以美國與臺灣聯手開始籌備建立氣象、電離層與氣候星座觀測系統(COSMIC，The?Constellation?Observing?System?for?Meteorology，Ionosphere，and?Climate)。COSMIC的主要科學任務即為利用GPS掩星數據彌補常規氣象觀測手段如探空氣球在海洋、兩極分布稀疏的不足，為氣象研究人員對颶風、臺風等風暴形式進行觀測、研究、預報提供高分辨率的大氣水汽含量數據，精化全球和區域的天氣預報模式，同時還為全球氣候研究、電離層研究、地球重力場的研究提供數據資料。該系統的建成共需耗資1億美元，其中臺灣承擔80％。臺灣歷來是臺風重災區，而臺風形成的太平洋區域探空氣球站非常少，常規氣象觀測資料很有限。COSMIC所能提供的臺灣周圍海洋區域高時空分辨率的大氣探測資料對提高臺風、降雨與風力預報的精度將起到重要作用。COSMIC正常運行后，每天實際提供的掩星事件可以達到2500次。