山基GPS掩星观测数据在电波到达角计算中的应用

在福建省太姥山和浙江鹤顶山开展了GPS掩星观测实验并成功获取山基掩星观测数据, 对掩星事件进行了分析和统计; 阐述了利用山基掩星观测数据计算大气折射指数和电波弯曲角的原理和算法, 基于山基反演数据与欧洲中期天气预报中心(European centre for medium-range weather forecasts, ECMWF)数据构建电波传播的直接折射模型和一次反射模型来计算任意两点之间的电波到达角.结果表明:山基反演数据计算的大气折射率剖面反演准确度在95%以上, 在1 km下的近距离计算中基于山基反演数据的直接折射模型优于一次反射模型, 山基反演数据的电波到达角模型优于ECMWF数据模型, 文中创建的两种电波到达角计算模型对模拟两点之间的电波传播路径和真实电波信号的调整接收具有重要指导意义.     

Accuracies of atmospheric profiles obtained from GPS occultations

Radio occultation studies of the terrestrial atmosphere are possible through the use of signals transmitted by satellites of the Global Positioning System (GPS) and received by one or more other satellites in low earth orbit (LEO). The perturbed phase of the occulted signal gives direct information on the refractivity profile in the region of occultation, from which vertical profiles of density, pressure and temperature can be retrieved. The technique requires the use of the dual GPS frequencies in order to isolate and remove most of the ionospheric effect. Analysis of the effect of the ionosphere and methods of removing it will be presented. For the recovery of atmospheric profiles, two major issues are addressed. The first is how accurately can refractivity be retrieved for a region in which there is a large horizontal refractivity gradient; the second considers the separation of temperature and moisture in the lower troposphere. Based on model simulations, the capability of GPS to provide atmospheric profiles is assessed.     

天地基综合观测的东日本大地震电离层异常分析

介绍了地震电离层前兆的主要特性,并给出了掩星电离层电子密度峰值位置的标高估计技术。利用天地基电离层观测数据,综合分析了2011年3月11日日本9.0级大地震发生前的电离层异常变化,发现地震前3天内电离层f0F2异常扰动、相对垂直总电子含量(VTEC)扰动以及电子密度峰值处标高(Hs)增加等多种异常现象。分析了地磁活动和太阳活动等因素后,认为其可能与地震有一定关联,表明电离层异常变化对于地震短期预报具有重要参考意义。     

利用COSMIC掩星数据分析电离层扩展F层现象

利用2009年的COSMIC掩星观测数据,分析电离层扩展F层不均匀结构引起的GPS卫星C/A码信噪比闪烁,研究全球范围内扩展F层的出现随地理位置、地方时变化的统计特征。初步分析结果表明,扩展F层在3月份主要出现在低纬地区和两极地区,主要发生在地方时日落至午夜之间,有时可延至午夜后数小时。本文结果和以往利用其他观测手段获得的结果较为一致,说明GPS掩星技术可以作为观测全球扩展F层的一种有效手段。     

利用GPS定位信息遥感大气风场的研究

介绍了GPS测风系统的构成、GPS接收机的性能指标和从GPS定位信息反演大气风场的方法,GPS接收机的性能指标与反演的风场数据的精度和可靠性关系密切.为了验证GPS测风技术的可靠性,进行了和风廓线仪、Vaisala探空的对比实验,结果表明:GPS探空和风廓线仪及Vaisala气球测风的结果相关性都很好,风速、风向廓线较为接近,但GPS测得的风速平均值比风廓线仪和Vaisala的测量结果均偏大.进一步分析了GPS测风产生偏差的原因,对误差做出合理的订正十分必要.     

激光掩星探测大气水汽的阿贝尔变换

对流层顶-平流层下区域(UTLS)的水汽分子密度对于研究全球变化、大气物质能量交换具有十分重要的意义,激光掩星技术可能是 一种探测该区域水汽的有效手段。掩星对于大气探测的核心思想源于阿贝尔(Abel)变换。GPS掩星的阿贝尔积分变换表达的是 连线的折射角与切点处折射率之间的关系,而与GPS掩星的阿贝尔积分变换不同的是,激光掩星的阿贝尔积分变换建立的是全路 径大气光学厚度与切点处大气消光系数之间的关系。从光线的程函方程出发,通过变量替换、坐标置换,从而建立起 大气光学厚度与大气消光系数之间的关系。由于光在切点处大气的消光系数和该处大气的水汽浓度成正比,因此分别在微 卫星和微卫星之间发射、接收0.935 $\mu$m掩星激光脉冲,连接两者之间的光束穿过大气层,计算积分路径上其水汽双波长 差分光学厚度,由阿贝尔积分变换反演即可获得光束路径切点处水汽浓度。随着掩星连线的上下移动,连线切点高度随着卫星 相向或背向而行而变化形成水汽浓度廓线。由于激光束发散角小,因此由激光掩星方法获得的水汽廓线高程精度高, 水汽的吸收消光可以直接得到水汽的分子密度,优于GPS掩星的相位延迟间接方法,可以更直接精确地探测大气对流层顶-平 流层下区域的水汽分子密度。此外,研究表明激光掩星方法的光谱分辨率优于太阳掩星方法的光谱分辨率。     

Global satellite monitoring of the atmosphere and ionosphere

The possibilities of monitoring the atmosphere and ionosphere along satellite-to-satellite radio occultation paths are considered. A relation between the amplitude and the phase of the signal sounding the medium is substantiated. Owing to this relation, it is possible to separate the influence of layered and wave structures from the influence of turbulence in the atmosphere and ionosphere. The possibility to observe internal atmospheric waves on the basis of radio-hologram analysis is shown. A relation between solar activity and the presence of sporadic layers in the lower ionosphere on the one hand and changes in the amplitude and phase of radio waves on a satellite-to-satellite path on the other hand is revealed. Examples of vertical profiles of the atmospheric temperature and the electron density in the lower ionosphere are presented. These data are based on the results of radio occultation experiments performed during different space missions.     

基于ARM的GPS同步授时系统设计

基于国际航海标准NMEA-0183为数据协议,以保证电力系统精准授时为目的,通过ARM微控制器STM32f103rbt6和高精度GPS接收模块NEO-5Q为核心控制数据采集和传输,实现了GPS同步授时的设计方案。系统采用GPS接收模块接收卫星发送的标准数据串,通过微控制器对GPRMC最小定位信息中的时间数据进行筛选和处理,最后经上位机授时软件对本地计算机进行成功校时,保证了系统的可行性。     

地基GNSS和天基掩星观测对全球电离层数据同化效果的影响分析

电离层的精确现报预报对装备系统效应减缓及空间科学研究均具有重要的应用价值. 地基GNSS和天基掩星是电离层数据同化最为重要的数据来源之一。通过观测系统仿真试验（observation system simulation experiments,OSSE）对四种不同的观测系统条件下的全球电离层数据同化效果进行了定量分析,数据同化的总电子含量（total electron content, TEC）及三维电子密度参量技术得分(skill score, SKS)的评估结果表明:1)观测构型对数据同化现报和预报精度均具有重要影响。2)仅仅同化地基GNSS数据,其同化的TEC精度相比背景模型会有较明显的改善,TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别为0.45、0.39、0.32和0.25;但电子密度的现报和预报结果相比背景模型的改善则相对有限,电子密度现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS仅为0.05、0.04、0.03和0.02;通过融合掩星观测数据,其电子密度的精度会有明显提升。3)在掩星卫星数量较多且观测数据的覆盖性较好的条件下,仅同化掩星TEC观测数据就可以获得准确的TEC和电子密度现报与短期预报结果;大规模掩星星座的观测比仅利用地基GPS观测进行同化,其TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别提高了0.2、0.17、0.14和0.12;电子密度SKS分别提高了0.39、0.35、0.28和0.22,电子密度SKS的提升幅度要优于TEC。4) 现有的观测系统布局对中低纬区域的数据同化精度的提升效果要优于高纬区域;5) 随着预报时间的增加,数据同化的精度呈现下降的趋势. 随着未来微小卫星数量的快速增加,天基掩星观测将对电离层状态的精确表征产生不可估量的作用,相关研究可为我国天地基电离层观测系统的设计和构建提供技术参考.     

A dual-frequency GNSS sensor for space applications

High-performance laboratory breadboards of a dual-frequency global navigation satellite system (GNSS) receiver have been developed at the Institute of Satellite Navigation at the University of Leeds (ISN) for a number of years under a European Space Agency (ESA) programme. The main objective of these breadboards is to serve as development tools for receiver signal-processing research in view of scientific applications of GNSSs. Some of these applications will be realized by means of receivers embarked on satellites in low earth orbit (LEO) as part of on-going and future ESA programmes and will include precise orbit determination, radio occultation measurements and measurements of the parameters characterizing GNSS signals reflected at the sea surface. The principal application for which the signal-processing developments described in this paper have been targeted is radio occultation. During an occultation event the GNSS signal encounters a challenging environment. Substantial Doppler dynamics occur during a measurement, due to the effect of sharp gradients of the refraction index. Signal attenuation and deep fading caused by multipath propagation are also encountered. The areas of concern are the acquisition and tracking of signals in high dynamics and at low carrier-to-noise ratios (C/N₀), and also the performance of tracking the GPS P code without full knowledge of the spreading code, as dual-frequency atmospheric measurements are crucial to this application. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

车载导航系统终端的研究

将GPS定位技术应用于气车,与现有定位技术组合起来共同完成定位监控任务,将大大提高定位准确性及安全性,同时能够降低资金投入,具有很广阔的发展前景。随着全国各省市高速公路路网的建设与完善,对交通管理信息化的要求越来越高。本文提出了如何实现基于ARM的车载导航系统,本设计采用瑞士u-blox公司的NE0-5Q的主芯片接收GPS卫星信号,通过三星公司的S3C2440芯片对接收到的数据进行处理,并对如何编写GPS模块的驱动程序进行了比较详细的讲解。把编写好的GPS驱动程序加载到Linux内核中去以供GPS的应用程序使用。本文介绍了系统的总体架构,然后重点介绍了对GPS模块的驱动程序和应用程序的编写。     

利用无线电掩星观测数据反演大气水汽剖面

准确掌握地球低层大气中的水汽分布，了解水汽变化趋势对天气现象的研究、数值天气预报具有重要的理论研究及实用价值。以无线电掩星技术为基础，利用掩星数据反演大气水汽剖面。详细阐述通过线性迭代方法，反演对流层下部水汽廓线的原理。对常用的掩星数据做了概括性介绍，利用实际掩星数据反演得到了近地面水汽的垂直分布廓线，并给出了反演个例。通过反演的水汽廓线与模式以及实际探空资料进行对比，表明在大多数情况下，由大气折射率反演获取水汽剖面的正确性。针对初始温度和反演上边界的问题进行了研究，分析了不同温度及不同上边界条件下水汽剖面反演可能受到的影响，指出了线性迭代方法反演水汽垂直分布中存在的问题。     

射频与基带参考时钟不同源对GPS载波相位平滑伪距定位的影响

无论GPS接收机的射频和基带参考时钟是否同源,都不会影响伪距定位。然而,对于载波相位平滑伪距定位,本文的理论分析表明:在新增卫星时,射频和基带参考时钟不同源将使新增星和原有星的平滑伪距钟差产生偏差,进而导致大幅度定位误差。在时钟同源和不同源两种条件下,利用自研的GPS基带芯片“航芯2E”,开展了大量硬件实验,验证了理论分析的正确性。论文得出的载波相位平滑伪距定位的接收机其射频和基带参考时钟必须同源的结论,对于GPS射频和基带芯片的模块化、系列化的规划和设计具有指导意义。      

临近空间星光掩星技术的初步应用

大气星光掩星技术可以探测获得行星大气多种痕量成分密度等信息,该技术基于大气光谱透过率来进行探测。根据星光掩星探测原理建立了掩星工作模型,初步分析了气体分子光谱吸收特征,获得了多种大气成分的透过率,利用大气透过率反演得到了大气成分密度,并与大气模式MSISE-00结果进行比较验证。进一步对光谱的信噪比和相对误差进行了估计,并讨论了恒星的不同视星等对探测信噪比和相对误差的影响,由此给出目标星视星等的范围。初步结果表明:利用视星等在-1.45~3.55范围内的目标星作为光源进行探测,信噪比在100以上,且测量的相对误差最小可达到1%。以上结果为地球临近空间高度上星光掩星探测的开展提供了初步的理论指导。     

The seasonal behavior of interferometric coherence in boreal forest

The capability of SAR interferometry has been previously demonstrated in various applications. In particular, the use of interferometric coherence has shown promising results in forest monitoring, however, mainly in discriminating forested and nonforested areas. The authors have collected ERS-1 and ERS-2 Tandem data from two boreal forest test sites in Finland. The data have been processed into interferometric coherence and intensity images. These images have been used to a) compare the behavior of interferometric coherence and intensity for various land-use and forest classes and b) extensive analysis on the behavior of interferometric coherence in boreal forests as a function of stem volume. Based on the observations and the use of a boreal forest semi-empirical backscattering model, they have developed an empirical model that describes interferometric coherence of boreal forests using backscattering information. The results indicate that coherence is more sensitive to the stem volume than the C-band backscattering intensity. However, the intensity and coherence data contain complementary information and therefore, the use of both data sources is beneficial in the observation of boreal forest     

GPS数据采集分析器设计

GPS数据采集分析器在上位机软件通过计算机串口与GPS接收机进行连接,主要完成GPS数据的采集和分析工作。在GPS数据采集的基础上获取一条完整的GPS数据信息,依照NMEA及UBX协议所规定的GPS数据格式对其进行语句分析,获得其中的定位信息、可视卫星信息等。     

山基无线电掩星模拟

利用3维射线追踪技术模拟山基(或机载)无线电掩星,研究掩星事件出现的时间、方位角和掩星事件持续时间;详细研究了大气边界层水汽和温度变化对掩星观测高度、相位时延的影响;从CHAMP掩星观测结果分析,得到了地形对掩星观测高度有重要影响的新结论.研究结果对于解释大气边界层掩星观测信号中断和掩星观测高度变化是非常有益的.     

InSAR大气误差改正中的空间插值研究

该文针对利用辅助数据进行InSAR大气误差改正时存在的空间插值问题进行了详细探讨,分别利用模拟数据和GPS观测数据进行了实验。实验结果表明,相较于函数方法和统计方法,反距离加权法与Kriging方法是更适用的插值方法,而它们的插值效果会受到辅助数据的类型、精度及分布的影响,当辅助数据质量较高且呈规则分布时效果最好。另外,若在空间插值过程中考虑高程的影响,能明显提高插值精度,从而改善大气误差改正效果。     

基于GPS和改进MapDrift的机载UWB SAR运动补偿

传统的基于载机运动传感器的SAR运动补偿对传感器测量精度提出了很高的要求,而基于回波数据的Map- Drift(MD)自聚焦效果对成像场景存在一定的依赖性。本文针对UWB SAR系统的特点,提出了一种结合GPS(Global Position System)粗补偿和改进重叠MD精补偿的机载SAR运动补偿方法。利用GPS的三维位置信息补偿回波时移误差,利用三维速度信息补偿回波相位误差,然后再利用改进重叠MD补偿剩余误差。本文提出的UWB SAR运动补偿方法没有使用高精度的惯导系统,节约了系统成本,降低了补偿系统的实现难度,并减小了MD算法对成像场景的依赖性,有效提升了SAR图像质量。实际UWB SAR数据的处理验证了本文方法的有效性。     

基于MSP430单片机的USB接口固件编程的研究

基于MSP430系列单片机的系统设计,已经遍布电子产品的每一个领域。以MSP430单片机开发的系统与计算机的通信,可以使得信息数据更好更快的被处理。基于PDIUSBD12芯片,在MSP430F169单片机系统中,设计了用于MSP430进行USB数据传输的固件程序。通过实验结果及其分析,文中的设计能够满足MSP430F169系统USB传输的需求。