CN102455304A - 基于北斗卫星的大气层水汽测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明是基于北斗卫星的大气层水汽测量方法。北斗卫星信号在穿过大气层时会产生延迟现象。这种延迟项可分为电离层延迟、静力延迟和湿项延迟。通过采用双频接受技术，可以将电离层延迟几乎完全消除，还可以把静力延迟修正到毫米量级。这样，就得到了毫米量级的湿项延迟。因为湿项延迟与水汽总量具有严格的正比关系，所以，利用北斗卫星发射的信号在穿过含水量不同的大气层时出现时延不同的现象，可以精密的反演出大气层的水汽含量。该技术可以打破发达国家利用GPS进行水汽精密测量的技术垄断，填补我国北斗应用的空白，为我国气象监测预报提供高技术的、廉价的精密测量手段，让我国的北斗卫星导航系统成为我国进行准确天气预报的重要手段。

Description

基于北斗卫星的大气层水汽测量方法

所属技术领域：

本发明属于气象学中的地基水汽测量技术领域。具体地说，它是利用地面北斗卫星导航接收机输出的相关参数进行大气层水汽含量的精密推算。其突出特点，是利用中国自主卫星导航系统进行大气层水汽含量的精密测量。

背景技术：

伴随着全球工业化进程，在经济快速发展的同时，自然环境不断恶化，全球气候变化导致的水资源短缺、大面积干旱、海平面上升、冰川退缩、土地荒漠化、粮食产量波动、流行病传播，以及地震、海啸等，对经济和社会安全的威胁越来越严重，造成的经济损失也呈明显上升趋势。各类自然灾害中绝大部分是气象灾害，对人类生存安全威胁最大的也是气象灾害。

在灾害性天气分析预测中，水汽输送、水汽辐合的分析至关重要。水汽是地球大气中一种重要成分，影响着辐射平衡、能量输送、云和降水的形成。水汽的潜能是大气从赤道向两极输送能量的重要机制，潜能的释放对大气的垂直稳定度、暴风雨的形成和演变以及地、气系统径向辐射能量平衡有显著的影响。大气层水汽含量的变化，对气象预报、特别是对水平尺度100km左右、生命史只有几小时的中小尺度灾害性天气(暴雨、冰雹、雷雨、大风、龙卷风等)的监视和预报有特别重要的指示意义。目前水汽探测手段存在许多限制，如常规探空站网，其时间分辨率(每日两次)和空间分辨率(站网密度)都不够高，对快速生成、发展、消亡的暴雨等灾害性天气进行探测比较困难，成为这类灾害性天气漏报的重要原因之一；其他的探测手段如地基辐射计，虽具有较高的时间分辨率，但其需要频繁校对，不能全天候工作，且降水发生时雨滴的存在对于辐射的影响以及雨滴打湿仪器天线的影响，使得微波辐射计这时很难提供可用的数据；气象卫星上的红外分光计和微波辐射计有探测水汽的能力，但红外技术不能得到云和云下大气中的水汽信息，微波探测的空间分辨率达不到中尺度探测的要求；雷达费用昂贵，不能全天候观测，难以实现观测业务化。

美国的全球定位系统自上世纪70年代问世以来，迅速在各个领域得到应用。1992年国际上提出了采用地基GPS技术探测大气水汽含量的原理。1995年，结合掩星技术，通过对大气折射率的遥感来反演大气的温湿特性得到证实。从此开辟了GPS技术应用的新领域。目前，基于GPS遥感水汽，美、日、德、法等国家已在进行业务观测使用，美国已利用其本土的GPS探测网给出每小时全国积分水汽图。并进一步进行加密观测，以加强对中尺度灾害性天气系统的监测和提高数值天气预报的精度。

虽然GPS在以往20多年的广泛应用中，充分体现了它的成熟性和卓越的性能，但由于GPS是由美国军方所控制的，所以在应用时受到技术和政策两方面的影响，甚至在特殊时期面临着人为干扰或系统关闭的情况。为了打破美国在卫星导航定位领域的垄断地位，欧盟启动了伽利略(Galileo)全球卫星导航系统研制项目，我国也有了自己的区域卫星导航定位系统北斗一号(BD-1)，基于全球定位技术的北斗卫星(BD-2)也正在积极研制。

随着中国北斗卫星导航系统的建设与发展，中国北斗卫星导航系统的地面应用设备的研制也取得了很大的成就。但是，在利用北斗卫星导航系统进行大气层水汽含量的精密测量方面，还是一片空白，这无疑是北斗卫星导航系统的地面应用设备的研制方面的一项重大缺憾。所以，研制出基于中国自主导航系统为基础的高精度水汽测量系统，利用中国北斗卫星导航系统对大气层进行实时、准确、稳定的水汽含量数据测试，为气象、水利等部门防灾、减灾、天气预报提供廉价、高效的技术手段，是中国自主的北斗卫星导航系统地面应用方面一项迫在眉睫研究课题。

发明内容：

本发明为一种基于北斗卫星的大气层水汽测量方法，开创北斗卫星导航系统在气象探测领域的新时代。随着北斗系统的开发、应用的发展，为北斗导航系统在对流层低层的水汽(积分可降水分和水汽垂直分布)、强烈天气和降雨的短期预报、水汽的全球气候学、水分循环研究等方面打下坚实的基础。

本发明的技术方案是：采用无线电掩星探测技术，通过观测北斗卫星信号传输到北斗接收机的时间来测量接收机天线的位置，卫星信号经过大气层时，要受到大气的折射而延迟，将该延迟量作为待定参数引入到观测模型和解算方案中，逐项考虑误差来源和消除办法，将精密的大气延迟量(毫米级)结合大气参数一同求解，进而达到水汽和降水量的计算。

北斗卫星发射的微波信号在穿过大气层所带来的延迟项可分为电离层延迟、静力延迟和湿项延迟。通过采用双频技术，可以将电离层延迟几乎完全消除。静力延迟与地面观测量(气压)具有很好的相关，可以修正到毫米量级。这样就得到了毫米量级的湿项延迟。湿项延迟与水汽总量(PW)可建立严格的正比关系，精确的水汽总量就求解出来。

如图1为本发明的结构原理框图，自动采集北斗观测数据和气象数据，接收专网星历和参数，采用高精度处理软件，自动处理、存储、显示、报警的综合处理系统；整个系统主要包括原始数据采集、处理、输出三部分系统组成即水汽延迟的解算和反演过程。其中1为北斗卫星导航接收机，是本方法中的核心部件，它实现北斗卫星信号的接收、跟踪、变换和测量北斗卫星信号、以及信号的微弱变化，同时计算出北斗信息在电离层传输中的延时，并实时送出与大气变化紧密相关的物理参量；将这些物理量送给气象资料收集器2中，气象资料收集器中同时具有实时的温度、气压采集器，它将收到大气变化数据打上标记(标记内容包括：时间、地点、温度、气压)，按气象数据包模式发送给延迟处理模块3，完成北斗卫星信号在传输中的静力学延迟项；数据处理中心5接收到北斗卫星导航接收机1的实时大气物理变化参数、气象资料收集器2送来的气象数据包和星历收集器4提供星历修正参数，进行综合整合、分类、提取，并结合后端的处理单元6，按照特定的误差处理理论进行计算，得到北斗卫星信息天顶延迟量(此天顶延迟量已经扣除电离层延迟)，将天顶延时量和静力学延迟同时送入计算单元7得出湿项延迟，将湿项延迟量直接送给水汽含量处理单元8，此单元利用湿项延迟与水汽总量之间的严格正比关系，按照转换模型进行水汽含量计算，将计算结果输出给产品输出单元组9，在这里将水汽含量生产成降雨、预警、数据包等气象产品输出给专业用户使用。

整个处理过程具有全数字化、全封闭化、全自动化等特点；且覆盖范围广、实时连续、不受天气状况影响、高垂直分辨率、高精度和高稳定的特点；它对天气预报、气候和全球变化监测等领域具有深远的影响。

附图说明：

图1为基于北斗卫星大气层水汽测量方法的结构原理框图。包括北斗卫星导航接收机1、气象资料收集器2、延迟处理模块3、星历收集器4、数据处理中心5、后端的处理单元6、计算单元7、水汽含量处理单元8。

图2为北斗双频接收机原理框图。包括北斗射频输入口1、北斗射频输入口2、基带接收通道3、数据提取单元4、PVT解算5、报文输出6。

具体实施方式：

本发明是基于北斗卫星导航系统的大气层水汽测量方法。远在21,000Km和36,000Km太空的北斗卫星发射的信号，穿过地球电离层和大气层到达接收设备时，由于电波垂直折射指数变化，路径出现弯曲，引起附加信号延迟。可以通过对这种延迟的监测来反演大气折射率，进一步推测大气参数，进而得到大气层中水汽的含量。这里大气层延迟量可划分为电离层延迟、静力延迟和湿项延迟。通过双频技术，可以将电离层延迟几乎完全消除。静力延迟与地面观测量具有很好的相关，可以修正到毫米量级。这样就得到了毫米量级的湿项延迟。湿项延迟与水汽总量(PW)可建立严格的正比关系。

本发明的核心单元北斗双频接收机，它精确的测出北斗卫星信号在大气中传输延时，此延时量通过逐项消除法最终得到湿项延迟，从而利用相应转换模型计算出大气层水汽的含量。

图2为北斗双频接收机原理框图，北斗卫星信号通过射频输入口1、射频输入口2进入基带处理部分，在基带处理部分由射频通道2完成北斗双频信号的捕获、跟踪、解扩、解调；在数据提取单元4中完成北斗卫星信号的重组、校验；将重组的电文数据结合通道的原始观测量送入PVT解算5中，进行高精度位置时间的解算，最后将解算数据与原始测量数据通过输出单元6送出供后续使用的物理量。

图1中的延迟处理模块3完成北斗卫星信号在传输中的静力学延迟项，其天顶流体静力学延迟公式如下：

$Z_h=\left[(2.279\±0.0024)\mathrm{mmhP}{a}^{-1}\right]\frac{P_0}{f(\mathrm{\λ},H)}---\left(1\right)$

图1中的计算单元7和水汽含量处理单元8，完成中性天顶延迟中减去静力天顶延迟Z_h而得到湿项延迟Zw，进而采用以下关系将伪距数值转化为水汽含量：

PW＝∏·Z_W                         (2)

图1中的产品输出单元组9，在这里将水汽含量生产成降雨、预警、数据包等气象产品输出给专业用户使用。

Claims (6)

1.基于北斗卫星的大气层水汽测量方法的特征是：基于中国自主的北斗卫星导航系统进行水汽精密测量，采用无线电掩星探测技术，通过特定的数学模型，逐项消除传输延时误差，最终得到精确的大气层水汽含量，为准确的天气预报提供基础、重要、必不可少的科学依据。

2.根据权利要求1所述的基于北斗卫星的大气层水汽测量方法，其特征是：采用中国自主的卫星导航系统，打破美国的垄断，扩大北斗卫星导航系统的应用领域；

3.根据权利要求1所述的基于北斗卫星的大气层水汽测量方法，其特征是：采用北斗双频接收机完成北斗双频信号的捕获、跟踪、解扩、解调，并送出高精度的位置信息和时间信息；

4.根据权利要求1所述的基于北斗卫星的大气层水汽测量方法，其特征是：在北斗双频接收机中利用双频技术和载波辅助码环技术进行PVT高精度解算。

5.根据权利要求1所述的基于北斗卫星的大气层水汽测量方法，其静力学延迟数学模型如下：

$Z_h=\left[(2.279\±0.0024)\mathrm{mmh}{\mathrm{Pa}}^{-1}\right]\frac{P_0}{f(\mathrm{\λ},H)}$

6.根据权利要求1所述的基于北斗卫星的大气层水汽测量方法，其水汽含量数据模型如下：

PW＝∏·Z_W

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