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山基GPS掩星反演大气折射率算法研究及其程序实现

作　者: 金慧华
导　师: 刘钊
学　校: 清华大学
专　业: 大地测量学与测量工程
关键词: 山基GPS 掩星预报大气折射率反演
分类号: P228.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

气象灾害是制约我国社会经济发展的影响因素之一。研究其预报、预测和评估方法,对于保持经济社会持续快速健康发展具有重要意义。GPS/MET是利用GPS技术来遥感地球大气,测定如大气折射率廓线等气象元素的一门新兴学科。它具有全球覆盖,精度高,垂直分辨率高,费用低廉等优点。山基GPS/MET是在空基GPS/MET基础发展起来的一种新的大气探测技术,它将高增益的GPS天线安置在相对高度2000m以上的山顶上,利用山基GPS掩星反演原理处理数据可以得到中低层大气参数。本文对山基GPS掩星反演大气对流层折射率的原理和数据处理方法进行了深入研究。山基GPS掩星反演可以分为掩星预报、数据观测和数据处理三个方面。本文首先对掩星事件的准确预报进行了深入分析,比较了利用广播星历与精密预报星历计算卫星位置和速度的方法和精度的差别,提出了利用精密预报星历进行掩星预报的方法,取得了很好的结果。2005年8月,本人参与了由国家卫星气象中心联合总参大气环境研究所和清华大学等单位在河北雾灵山进行的山基GPS掩星观测试验,采集了大量的掩星数据和探空数据。在此基础上本文深入学习和研究了山基GPS掩星反演大气对流层折射率的原理数据处理方法,主要包括双差、周跳探测与修复、计算多普勒频移、计算弯曲角和碰撞参量以及Abel积分变换反演大气折射率廓线等内容,本文进行了详细公式推导和说明,并着重对周跳探测与修复、弯曲角与碰撞参量的计算进行了深入分析和研究。利用本文提出的方法和模型研制了山基GPS掩星反演大气对流层折射率程序。最后利用该程序对雾灵山GPS掩星试验数据进行了反演,并与大气探空数据进行比较分析,两者得到的大气折射率廓线基本一致,说明本文提出的方法和数学模型是正确的,山基GPS掩星反演大气技术是有效的。本文提出的原理和算法对今后进一步研究和应用山基GPS掩星反演大气折射率提供了很好的基础。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章引言  9-16
  1.1 课题研究背景  9-11
  1.2 国内外山基GPS 掩星技术研究现状  11-13
  1.3 论文的主要内容及创新点  13-14
  1.4章节安排  14-16
第2章山基GPS 掩星反演大气对流层折射率基本原理  16-23
  2.1 概述  16-18
  2.2 数学模型  18-22
    2.2.1 基本观测量  18-19
    2.2.2 双差  19-21
    2.2.3 周跳探测和修复  21
    2.2.4 计算大气多普勒频移  21
    2.2.5 计算弯曲角和碰撞参量剖面  21-22
    2.2.6 Abel 积分变换计算大气对流层折射率剖面  22
  2.3 大气折射率反演流程图  22-23
第3章山基GPS 掩星预报  23-41
  3.1 卫星位置和速度计算  23-34
    3.1.1 利用广播星历计算卫星位置和速度  23-27
    3.1.2 利用精密预报星历内插卫星位置  27-30
    3.1.3 算例分析  30-34
  3.2 时间系统和坐标系统变换  34-38
    3.2.1 时间系统  35-36
    3.2.2 坐标系统  36-38
  3.3 掩星预报  38-41
第4章高次差法和Vondrak 法联合探测与修复周跳  41-57
  4.1 周跳的概念、特点以及产生原因  42-43
  4.2 几种常用周跳探测修复技术简要介绍  43-45
  4.3 高次差法  45-48
  4.4 Vondrak 法  48-52
    4.4.1 Vondrak 方法  48-51
    4.4.2 Vondrak 法周跳探测思路  51-52
  4.5 联合使用高次差法和Vondrak 法探测与修复周跳  52-53
  4.6 算例验证  53-57
第5章大气对流层折射率反演及其影响因素分析  57-71
  5.1 碰撞参量和弯曲角反演  57-61
  5.2 折射率反演和Abel 积分变换  61-64
  5.3 地球扁率影响改正  64-67
  5.4 误差影响分析  67-71
第6章山基GPS 掩星反演大气对流层折射率程序（MORIS）的设计和实现  71-79
  6.1 MORIS 软件的需求分析  71-72
  6.2 MORIS 软件的总体设计  72-77
    6.2.1 设计方法  72
    6.2.2 软件的架构设计  72
    6.2.3 软件的主要模块设计  72-77
  6.3 MORIS 软件的实现  77-79
第7章雾灵山山基GPS 掩星观测试验概况及其数据情况分析  79-87
  7.1 试验概况  79-82
    7.1.1 测站选取  79-80
    7.1.2 试验仪器使用情况  80-82
    7.1.3 试验数据获取情况  82
  7.2 数据分析  82-87
    7.2.1 掩星测站点坐标  82-83
    7.2.2 掩星数据处理情况  83
    7.2.3 大气探空数据处理情况  83-84
    7.2.4 掩星数据反演结果同探空结果的比对  84-87
第8章结论与建议  87-89
  8.1 研究总结  87
  8.2 对进一步研究的建议  87-89
参考文献  89-92
致谢  92-93
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  93

山基GPS掩星反演大气折射率算法研究及其程序实现

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