[發明專利]一種基于北斗GPS聯合層析法的大氣水汽探測方法及系統

有效

• 申請號: 201310199743.1
• 申請日: 2013-05-24
• 公開（公告）號: CN103267970A
• 公開（公告）日: 2013-08-28
• 發明（設計）人: 劉軍;劉曙光;甘捷
• 申請（專利權）人: 重慶綠色智能技術研究院
• 主分類號: G01S19/14
• 分類號: G01S19/14;G01W1/00
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 楊立

技術領域

本發明涉及一種大氣水汽探測方法，特別涉及一種基于北斗GPS聯合層析法的大氣水汽探測方法及系統。

背景技術

水汽是地球大氣中的微量氣體，在大氣中所占比例很小，僅0.1%～3%，卻是大氣中最活躍的組分，水汽相比于其他微量氣體更具有重要性。天氣現象大多是大氣水汽變化的結果，水汽在相變過程中吸收和釋放大量潛熱，直接影響地面和空氣溫度，進而影響大氣垂直穩定度和對流天氣系統的形成。大氣水汽的三維分布、水汽垂直輸送和相變是制約中尺度天氣系統發展的動力機制之一。

全球無線電探空網20世紀40年代建立以來，高空探測大氣水汽，獲取大氣水汽垂直廓線主要依賴于無線電探空儀。但是受經濟成本等因素影響，探空站點密度低，地區覆蓋分布非常不均勻，海洋上空不能設立測站，站點間距從幾十公里到數百公里，每12小時釋放一次，每天只能獲得兩次觀測資料，如此低的時空分辨率不能反映水汽的多變性特征。利用遙感反演大氣水汽手段設備成本高，難于維護，受云雨天氣影響較大，惡劣天氣難以提供水汽信息數據，所以一般用于科學研究，難以廣泛使用。搭載在低軌衛星上的空基微波輻射計和雷達，觀測受溫度濕度變化的影響比較大。衛星遙感大氣水汽方法探測精度和垂直分辨率不夠高，且受云和氣溶膠影響。

美國的全球定位系統自上世紀70年代問世以來，迅速在各個領域得到應用。1992年國際上提出了采用地基GPS技術探測大氣水汽含量的原理。1995年，結合掩星技術，通過對大氣折射率的遙感來反演大氣的溫濕特性得到證實，從此開辟了GPS技術應用的新領域。目前，基于GPS遙感水汽，美、日、德、法等國家已在進行業務觀測使用，美國已利用其本土的GPS探測網給出每小時全國積分水汽圖。并進一步進行加密觀測，以加強對中尺度災害性天氣系統的監測和提高數值天氣預報的精度。隨著中國北斗衛星導航系統的快速發展，目前已經發射16顆衛星，覆蓋亞太地區，并開始提供服務。北斗衛星目前已在測繪、電信、水利、交通運輸、漁業、勘探、森林防火和國家安全等諸多領域逐步發揮著重要作用。北斗/GPS聯合技術是未來發展的趨勢，不僅有助于觀測更多的星座，提高定位精度和可靠性，還能夠免受單一系統的制約。

在大氣觀測中，相對于水汽的水平分布專家們往往更加關注它的垂直分布，但現有的北斗反演技術，由于起步晚，民用信號公開程度等問題，只能得到水汽的水平分布。CT(Computerized?Tomography)技術—計算機斷層成像技術具有無損、動態、定量檢測且分層識別物體內部組成與結構信息變化、高分辨率數字圖像顯示等優點，備受各領域以及學術界的重視。將CT技術運用于北斗/GPS水汽反演中，不僅能提高水汽水平分布更能得到水汽垂直廓線。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種利用北斗衛星和GPS衛星及特定的數學模型，消除傳輸延時誤差、探測范圍更廣，引入北斗衛星系統，打破GPS壟斷地位的基于北斗GPS聯合層析法的大氣水汽探測系統。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種基于北斗GPS聯合層析法的大氣水汽探測系統，包括多臺北斗/GPS接收機，星歷收集器，氣象資料收集器，延遲模塊，水汽含量處理模塊，數據處理計算中心模塊和輸出單元；

所述北斗/GPS接收機，用于采集北斗衛星的北斗衛星信號和GPS衛星的GPS衛星信號，并將北斗衛星信號和GPS衛星信號發送給延遲模塊；

所述星歷收集器，用于獲取北斗衛星的北斗星歷信息及GPS衛星的GPS星歷信息，并將北斗星歷信息和GPS星歷信息發送給延遲模塊；

所述氣象資料收集器，用于采集實時氣象測量數據，并將氣象測量數據發送給延遲模塊；

所述延遲模塊，接收北斗衛星信號、GPS衛星信號、北斗星歷信息、GPS星歷信息和氣象測量數據，根據北斗星歷信息和GPS星歷信息辨別采集的每組衛星信號所屬的衛星；根據多臺接收機在某一時刻的所有路徑上接收到的北斗衛星信號和GPS衛星信號，分別對每條路徑上的北斗衛星信號和GPS衛星信號進行聯合解算，得到每條路徑上的大氣總延遲；利用每條路徑上的北斗衛星信號和GPS衛星信號分別計算每條路徑上的電離層延遲；利用氣象測量數據，分別計算每條路徑上的靜力學延遲；分別將某一時刻的每條路徑上的大氣總延遲減去電離層延遲和靜力學延遲，即可得到該路徑上的濕延遲；計算所有路徑上的濕延遲數據，將所有路徑上的濕延遲數據發送給水汽含量處理模塊；

所述水汽含量處理模塊，接收所有路徑上的濕延遲數據，根據所有路徑上的濕延遲數據，分別計算每條路徑上的水汽含量，將每條路徑上的水汽含量發送給數據處理計算中心模塊；