基于ROPP的GPS掩星大气参数反演研究

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1、分类号UDC密级编号中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences硕士学位论文指导教师登越塑监±生昱厘申请学位级别亟±学科专业名称丝壁皇窒闷拯趔撞本论文提交日期垄Q!兰生§旦论文答辩日期2013．5．30培养单位生国叠堂院窒闷整堂皇廑用研塞主!坠学位授予单位主国型堂瞳太堂答辩委员会主席气一一太一星。一揸剑S一毛P一蕾一G一一的一一P一型basedonROPPBy【TanXingan91ADissertationSubmittedtoGraduateUniv

2、ersityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofSpaceScienceCenterforSpaceScienceandAppliedResearch，ChineseAcademyofSciencesMay,2013独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何其他人已

3、发表或撰写过的材料，也不包含为获得其它教育机构的别种学位或证书而大量使用过的材料。与我一同工作的人对本研究所做的任何贡献已在论文中作了明确的说明并表示谢意。关于论文使用授权的说明本人完全了解培养单位有关保留、使用学位论文的规定，即：培养单位有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；培养单位可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。签名：j鎏阻见证人：日期：p璺郇摘要地球大气无线电GPS掩星探测技术是上个世纪迅速发展起来的最先进的空间探测技术之一，可实现全球范围

4、内的电离层和大气层探测。无线电掩星探测技术最早产生于天文学，其基本原理可描述为：在低轨LEO卫星上安装双频高动态的GPS接收机，对GPS卫星进行临边观测，当GPS信号发射并穿过电离层和中性大气层时，由于介质垂直折射指数变化，导致对电波的折射作用，使信号路径发生弯曲。因此，在GPS接收机接收到的信号中，存在信号轨迹的弯曲和信号载波相位的延迟，将附加相位(相位超出量)转换成信号弯曲量(弯曲角)和碰撞参数曲线图(它们是描述几何光学轨迹的几何参数)，反过来又可以通过Abel积分获得大气折射率廓线，从而进

5、一步由理想气体方程、流体静力学方程等反演得到气压、密度、温度和水汽压等大气参数廓线。本文结合ROPP(RadioOccultationProcessingPackage，无线电掩星处理包)，利用GPS掩星方法对大气折射率、温度、湿度、压强等参数进行了反演计算。ROPP由欧洲卫星气象组织EUMESAT下属的科研机构GRAS开发，在掩星数据处理过程中，它可以用于对无线电掩星数据进行预处理和质量控制，还可以把掩星数据同化到NWP或者其他模式中。本文详细分析了地球大气无线电GPS掩星探测过程中的基本原理

6、和方法，具体阐述了掩星数据处理包ROPP的功能和模块构成，并给出了模块的算法原理。另外还阐述了ROPP数据格式、内容、数据读写规格以及质量控制等其他应用。依据掩星探测几何关系，在球对称模式下利用ROPP掩星数据处理包进行参数配置，对COSMIC掩星数据进行预处理，通过测量电波的载波相位，利用GPS和LEO卫星的精密位置和速度信息，计算电波因大气折射导致的弯曲角廓线，在地球大气介质局部球对称的假设下，由阿贝尔积分反演得到大气折射率廓线，同时结合理想气体状态方程和大气静力学方程，利用一维变分反演方法

7、得到大气的温度、湿度和压强的廓线。文章中作者首先利用一组cosmic掩星数据通过参数配置由附加相位依次到弯曲角、修正弯曲角、折射率，再到温度、湿度和压强，逐步给出了ROPP反演结果，对反演结果与CDAAC处理数据进行了比较和误差分析，分析表明折射率、温度、压强和湿度的吻合程度较好，30km以下折射率误差约在5％范围内；其次，分别选取冬、夏两季一天中的500组数据进行了反演结果的统计分析。此外，还对ROPPl基于ROPP的GPS掩星大气参数反演研究各模块进行了windows系统下的移植转化以及命令

8、集合的编写、封装，使得ROPP能在常用的windows系统下方便使用，并且在数据处理中让繁琐的程序调用变为一键处理完成。关键词无线电掩星探测技术；ROPP；Abel转换；一维变分；cosmicAbstractRadiooccultationtechniqueusingtheGlobalPositionSystemforobservingtheEarth’Satmosphere，oneofthemostadvancedspaceexploringtechnique，hasdevelopedrapi