GPS/LEO掩星在低对流层的模拟、反演和误差分析

Atmospheric parameters of the Earth can be resulted from inverting GPS (Global Positioning System) signals by employing the GPS/LEO (Low Earth Orbit) radio occultation technique. This technique often encounters difficulties, atmospheric multipath, in the moist lower troposphere. Various radioholographic methods have been proposed to improve retrieval accuracy in atmospheric multipath areas. But this phenomena, atmospheric multipath, needs further study, especially in noisy conditions. Our aim is to do some work on modeling and solving of atmospheric multipath and noise in atmospheric boundary layer in the Earth atmosphere. A new neutral atmosphere occultation inversion algorithm of non-spherically symmetry combined with the refractive index horizontal gradient information, provided by the global atmospheric analysis field, is developed to reduce the impact of the refractive index horizontal gradient. Moreover, quality control can be included in the inversion process to decrease retrieval accuracy. Our aim is to improve retrieval accuracy in the moist troposhpere, which is an important area in the Earth atmosphere.

利用GPS/LEO掩星技术可以反演获得地球大气的各种参数。在低对流层(5 km以下)，信号会经常出现大气多路径传播。在多路径传播条件下，信号的反演容易出现误差。利用全息方法可以削弱多路径效应的影响，但该方法还需要进一步完善。特别是多路径和噪声共存的情况下，信号的反演尤其显得困难。再加上地球大气边界层中出现的各种干扰因素，研究难度更大。本课题计划研究大气边界层中经常出现的大气多路径传播现象以及它的模拟途径和解决方法。另外，折射率水平不均会造成球对称假设误差，将利用全球各分析中心提供的折射率水平分布信息，研究新的中性大气非球对称算法，降低其影响。此外，信号的反演还受到自然界中各种误差源的影响。在GPS/LEO掩星反演流程中加入质量控制过程，提高大气低对流层的反演精度，并对误差和误差源进行分析。大气低对流层是GPS/LEO无线电掩星技术中的关键区域之一，本项目旨在提高该区域的掩星资料反演精度。

本项目基于GPS/LEO无线电掩星技术，利用全息方法(物理反演方法)研究地球大气低对流层中的参数反演问题。在地球大气的低对流层，GPS信号的传播会受到散射、衰减以及大气多路径、噪声、超折射等效应等误差源的影响，甚至部分误差源仍不清楚。申请人前期研究了GPS/LEO无线电开环反演技术及几种经典的物理反演方法。在此基础上，本项目综合运用现代力学、应用数学及计算机等诸多学科的理论和方法，着重对中性地球大气参数的反演方法、误差源进行分析：(1) 研究了大气多普勒和伪距模型的精度，这两个参数是进行信号开环追踪的重要参数；(2) 提出一种改进的滑动频谱方法，对经典的滑动频谱方法进行改进，提高了无线电掩星技术在大气低对流层中的反演精度；(3) 超折射现象是造成GPS/LEO无线电掩星信号反演的折射率产品出现系统误差的主要原因之一。采用固定的折射率模型或高精度的ecmPrf分析场资料(echPrf资料)，利用大气多相位屏技术可以模拟超折射现象。通过信号的模拟、反演与分析，发现超折射可造成约-9.6%的折射率误差。本项目的研究进一步揭示了各误差源对大气参数反演的影响，改善了大气低对流层的参数反演精度。从而为数值天气预报、地球大气气候研究提供理论参考。本项目资助发表SCI论文3篇，EI论文1篇，待发表论文2篇。