CN110531382A - 利用gps测量技术监测火山的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用GPS测量技术监测火山的方法，包括：1）基于GNSS掩星反演算法得到火山所在区域的实际大气温度值及实际大气温度轮廓线；2）取火山爆发前若干年±5天火山所在区域的大气温度日均值，并依据大气温度日均值得到背景温度轮廓线；3）将步骤2）得到的大气温度日均值与步骤1）得到的实际大气温度值相减得到火山所在区域由于火山灰引起的扰动温度轮廓线；4）取步骤2）得到的大气温度日均值±二分之一的标准偏差作为偏差轮廓线区间；5）依据实际大气温度轮廓线、背景温度轮廓线、扰动温度轮廓线及偏差轮廓线区间对火山喷发的火山灰进行监测。本发明可以有效监测火山的火山灰是否喷发，并可获知火山灰喷射的高度及火山灰的浓度。

Description

利用GPS测量技术监测火山的方法

技术领域

本发明属于通信监测技术领域，特别是涉及一种利用GPS测量技术监测火山的方法。

背景技术

火山喷发，会喷射出大量的岩石块、火山灰、火山气体等。这些物质严重破坏建筑物的完整，妨碍交通安全，扼制植物的生长，影响人类的健康。因此，监测并预报火山喷发十分重要。

火山气象台多使用如地震仪、倾斜仪、次声、气体监测仪、网络摄像机等地球物理学范畴的传感器去观测火山动荡现象，对潜在危害示警，并探测火山爆发。来自于这些传感器的数据必须被整合成近实时的状态以便解释火山活动的范围。而且地震传感器不能清晰地判断火山灰是否已喷发、火山灰的高度、火山喷发的持续时间。目前，暂时没有有效的技术手段清晰地判断火山灰是否已喷发、火山灰的高度、火山喷发的持续时间。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用GPS测量技术监测火山的方法，用于解决现有技术中没有有效手段可以清晰判断火山灰是否已喷发、火山灰的高度、火山喷发的持续时间的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种利用GPS测量技术监测火山的方法，所述利用GPS测量技术监测火山的方法包括如下步骤：

所述利用GPS测量技术监测火山的方法包括如下步骤：

1)基于GNSS掩星反演算法得到火山所在区域的实际大气温度值及实际大气温度轮廓线；

2)取所述火山爆发前若干年±5天所述火山所在区域的大气温度日均值，并依据所述大气温度日均值得到背景温度轮廓线；

3)将步骤2)得到的大气温度日均值与步骤1)得到的实际大气温度值相减得到所述火山所在区域由于火山灰引起的扰动温度轮廓线；

4)取步骤2)得到的大气温度日均值±二分之一的标准偏差作为偏差轮廓线区间，所述偏差轮廓线区间作为衡量所述火山所在区域的实际大气温度变化的标准；

5)依据所述实际大气温度轮廓线、所述背景温度轮廓线、所述扰动温度轮廓线及所述偏差轮廓线区间对火山喷发的火山灰进行监测。

作为本发明的一种优选方案，步步骤1)中包括如下步骤：

1-1)依据多普勒频移或附加相位获得掩星弯曲角轮廓曲线；

1-2)利用阿贝尔变换将获得的所述掩星弯曲角轮廓曲线变换成折射率轮廓曲线；

1-3)利用大气折射率与温度、气压及水汽含量的关系得到所述火山所在区域的实际大气温度值及实际大气温度轮廓线。

作为本发明的一种优选方案，步骤1-3)中，还利用大气折射率与温度、气压、电子密度的关系得到所述火山所在区域的气压参数及电离层的电子密度参数。

作为本发明的一种优选方案，步骤1-1)中，获得掩星弯曲角轮廓曲线的公式为：

其中，α(a)为改正后的弯曲角，α₁(a)、α₂(a)分别是使用L1、L2频段上的多普勒频移得出的弯曲角轮廓线，f₁、f₂是L1、L2频段的载波频率，a为碰撞参数。

作为本发明的一种优选方案，步骤1-2)中，得到的折射率关于弯曲角的关系式为：

其中，n为大气折射率，a为碰撞参数，x为碰撞参数上的积分变量。

作为本发明的一种优选方案，骤1-3)中，大气折射率与温度、气压及水汽含量的公式为：

其中，N为大气折射率；P为气压，单位为mb；，P_w为水汽压，单位为mb；T为温度，单位为K；k₁＝77.6，k₂＝3.73×10⁶。

作为本发明的一种优选方案，步骤1-3)中，水汽含量忽略不计，水汽压P_w为零，同时设定大气为理想气体，满足理想气体方程：

式中ρ(h)为大气密度，R为不考虑水汽含量的空气气体常数，其值为0.287Jg^-1K^-1，h为海拔高度，使用获得，其中R_c为切点处的地球曲率半径；

设定大气还满足流体静平衡条件：

其中，g表示重力加速度；

由此可得如下公式：

其中，P(z_m)是通过欧洲中心在z_m＝40km时初始化流体静力学方程得到的；

将公式经过迭代即可得到气压轮廓线，将得到的气压代入并忽略公式中的第二项即可得到实际大气温度值及实际大气温度轮廓线。

作为本发明的一种优选方案，步骤5)中，当所述扰动温度轮廓线出现骤降，且所述实际大气温度轮廓线位于所述偏差轮廓线区间之外时，则判定由于火山向上喷射的火山灰引起了对应海拔高度的大气温度降低。

作为本发明的一种优选方案，步骤5)中，依据所述扰动温度轮廓线出现骤降处的海拔高度判定所述火山喷射的所述火山灰的高度，依据所述扰动温度轮廓线出现骤降处骤降的程度判断所述扰动温度轮廓线出现骤降处的海拔高度处所述火山喷射的所述火山灰的浓度。

如上所述，本发明利用GPS测量技术监测火山的方法，具有以下有益效果：

本发明可以根据火山所在区域的大气温度变化可以有效监测火山的火山灰是否已经喷发，并可在火山喷发时获知火山灰喷射的高度及火山灰在喷射高度处的火山灰的浓度。

附图说明

图1显示为本发明提供的利用GPS测量技术监控火山的方法的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

请参阅图1，本发明提供一种利用GPS测量技术监测火山的方法，所述利用GPS测量技术监测火山的方法包括如下步骤：

1)基于GNSS掩星反演算法得到火山所在区域的实际大气温度值及实际大气温度轮廓线；

2)取所述火山爆发前若干年±5天所述火山所在区域的大气温度日均值，并依据所述大气温度日均值得到背景温度轮廓线；

3)将步骤2)得到的大气温度日均值与步骤1)得到的实际大气温度值相减得到所述火山所在区域由于火山灰引起的扰动温度轮廓线；

4)取步骤2)得到的大气温度日均值±二分之一的标准偏差作为偏差轮廓线区间，所述偏差轮廓线区间作为衡量所述火山所在区域的实际大气温度变化的标准；

5)依据所述实际大气温度轮廓线、所述背景温度轮廓线、所述扰动温度轮廓线及所述偏差轮廓线区间对火山喷发的火山灰进行监测。

在步骤1)中，请参阅图1中的S1步骤，基于GNSS掩星反演算法得到火山所在区域的实际大气温度值及实际大气温度轮廓线。

首先，对于掩星测量的基本原理做如下简单介绍：当低轨卫星(Low OrbitSatellite,LEO)在空间工作的时候，搭载的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统)掩星接收机会不停计算GNSS卫星、地球与自己的位置关系，若发现符合掩星测量的位置关系时，便会搜索对应的GNSS信号并跟踪。GNSS信号经电离层或对流层时会与其中电子、离子或空气分子发生碰撞，从而改变信号的传播方向，即产生折射现象，无线电信号因为电离层或中性大气层产生了多普勒频移和相位延迟。在GNSS定位导航中，它们被称为电离层误差或对流层误差，需使用特定方法或特定电离层、中性大气层模型来消除或消弱这类误差。因为这部分误差与电离层、中性大气层的状态性质密切相关，所以说当我们测量并记录到接收机接收信号的多普勒频移或者是相位延迟，通过一定的反演算法就能获得电离层的电子密度参数或者是对流层中性大气参数，如折射率、温度、湿度以及密度。在LEO卫星追踪GNSS信号时，随着GNSS卫星与LEO卫星在空间中相对关系的不断变化，会形成一组连续测量的信号射线，如图。这组信号中的每个信号都会有一个特定的多普勒频移和一个特定的碰撞参数。当假设每次掩星事件中所有信号都在同一个掩星平面内传播，由这个信号的多普勒频率与当时GNSS卫星和LEO卫星的速度，就能通过特定的方法解算出所有信号对应的弯曲角，形成一个关于碰撞参数的弯曲角轮廓线。弯曲角α就是反演大气折射率的重要输入参数之一，大气折射率又是获取大气温度、湿度的重要参数之一。

作为示例，基于GNSS掩星反演算法得到火山所在区域的实际大气温度值及实际大气温度轮廓线包括如下步骤：

1-1)依据多普勒频移或附加相位获得掩星弯曲角轮廓曲线；

1-2)利用阿贝尔变换将获得的所述掩星弯曲角轮廓曲线变换成折射率轮廓曲线；

1-3)利用大气折射率与温度、气压及水汽含量的关系得到所述火山所在区域的实际大气温度值及实际大气温度轮廓线。

作为示例，通过LEO掩星的多普勒频移或附加相位获得掩星弯曲角轮廓线的方式最常用的是几何光学法。

大气多普勒频移Δf与GNSS卫星、LEO卫星的运动状态可以描述为：

其中，λ为信号波长，为GNSS和LEO的速度矢量，分别为卫星到LEO卫星的单位向量、GNSS卫星信号发射的单位向量、LEO卫星信号接收的单位向量。

若把GNSS掩星反演的过程限制在掩星平面内，求弯曲角α就是求和的夹角δ_t与和的夹角δ_r之和。在假设掩星处理的过程中，掩星切点附近的折射率一致满足球对称性。δ_t、δ_r还满足shell法则：

a＝n(r_t)r_tsin(θ_t+δ_t)＝n((r_r)r_rsin(θ_r+δ_r) (2)

其中，a为碰撞参数，n(r_t)、n(r_r)为LEO卫星处与GNSS卫星处的折射率，因为其轨道高度，可以近似看成1，r_t、r_r为LEO卫星与GNSS卫星的轨道半径，θ_t、θ_r为GNSS-LEO卫星连线单位向量与GNSS卫星、LEO卫星轨道矢量的夹角。

由于高层大气比较稀薄，折射率近似于1，所以弯曲角近似于0，一般在实际解算时，从顶端开始，将δ_t、δ_r设为0，对下层的解算均以上层的解算结果作初值，进行迭代解算，即可得到整个掩星事件的弯曲角轮廓线。

在上述计算过程中，除假设掩星发生在掩星平面内和掩星具有球对称的特点，还隐含了一个假设即认为GNSS信号发射顺序和LEO接收信号顺序一致。但信号在穿越低层大气时，由于低层大气水汽含量的复杂性导致有些信号到达接收机时会产生叠加现象，这种情况下，使用几何光学反演的方法会产生巨大的误差，这种误差被称为掩星测量的多路径误差。

在一般的掩星数据处理中，常常使用几何光学的方法反演整个弯曲角轮廓线，然后针对设定阈值，一般是20km-30km以下的区域使用正则变换或者全谱反演的方法反演低层大气的弯曲角轮廓线，然后将两者平滑组合得到该次掩星事件的弯曲角轮廓线。

通过各种反演算法得出的弯曲角轮廓线包含电离层电子含量和中性大气的共同影响。为区分这两种弯曲角，又因为电离层电子含量对信号造成的弯曲角与信号频率有关，一般采用双频组合的方法消去电离层一阶项的影响。

作为示例，步骤1-1)中，获得掩星弯曲角轮廓曲线的公式为：

其中，α(a)为改正后的弯曲角，α₁(a)、α₂(a)分别是使用L1、L2频段上的多普勒频移得出的弯曲角轮廓线，f₁、f₂是L1、L2频段的载波频率，a为碰撞参数。

因L2波段的频率要低于L1波段的频率，所以L2的信噪比要比L1的信噪比低得多，需要更长的时间间隔来平滑L2的数据，所以使用平滑后的弯曲角轮廓线进行双频组合消去电离层误差：

其中，为使用滑动平均的方法平滑后的弯曲角轮廓线。

但双频组合只能消除电离层一阶项误差的影响，忽略高阶项的影响。但是在特殊情况或者太阳活动强烈时期，电离层高阶项(电离层改正误差)将会影响到掩星反演的结果。

在掩星切点附近的一定区域内折射率分层稳定且对称的假设下，我们可以推导出弯曲角与大气折射率的关系：

其中，n为折射率，a为碰撞参数，x为碰撞参数上的积分变量。

骤1-2)中，通过Abel(阿贝尔)变换得到的折射率关于弯曲角的关系式为：

其中，n为大气折射率，a为碰撞参数，x为碰撞参数上的积分变量。

在反演的过程中，使用了球对称假设，而实际情况下的大气层不是球对称的，在低纬地区的夏季日出时，电离层的不对称指数可以达到78％。在通常情况下，球对称的假设在近地表对于弯曲角的影响大约有3％，对于碰撞参数的影响大约有100m左右的误差，在近地表对于折射率的影响大约有1％且随着高度线性减小，10km处大约为0.2％，随后一直保持在0.2％的水平上；在极端情况下，比如说冷锋锋前附近，球对称的假设将会带来大约80％的误差。而且在40km高度以上，信号的信噪比已经低于接收机的热噪声水平。为了解决这个问题，还要对求出的弯曲角轮廓线使用大气模型去约束，使弯曲角更符合实际情况，进而使用公式(6)获得折射率轮廓面。

在中性大气中，折射率是一个关于温度、气压、水汽含量的方程。所以由折射率提供一定的限制与条件，就能获得中性大气中温度、气压等参数。

因为折射率很接近于1，为更好的表达折射关系，引进折射系数：

N＝(n-1)×10⁶ (7)

步骤1-3)中，可以得到大气折射率与温度、气压及水汽含量的公式为：

其中，N为大气折射率；P为气压，单位为mb；，P_w为水汽压，单位为mb；T为温度，单位为K；k₁＝77.6，k₂＝3.73×10⁶。

由公式(8)中可以发现，式中只有折射系数N已知，需要反演T、P、P_w三个量，根本无法反演。所以要提供一些额外的条件及假设。因为在平流层和上对流层中，水蒸气的含量很小，所以式中的第二项可以忽略不计，所以只需反演T、P，因为忽略掉了水汽含量，所反演的温度气压也称为干温或干压。为求解T、P，假设大气为理想气体，满足理想气体方程：

式中ρ(h)为大气密度，R为不考虑水汽含量的空气气体常数，其值为0.287Jg^-1K^-1，h为海拔高度，使用获得，其中R_c为切点处的地球曲率半径。

设定大气还满足流体静平衡条件：

其中，g表示重力加速度；

由此可得如下公式：

其中，P(z_m)是通过欧洲中心在z_m＝40km时初始化流体静力学方程得到的；通过公式(11)经迭代可得到气压轮廓线，将得到的气压代入公式(8)中，并忽略公式(8)中的第二项，在此情况下即可得到实际大气温度值及实际大气温度轮廓线。

需要说明的是，但是在线性理论中，只需考虑一阶小量，即认为所得到的温度轮廓线是由背景温度场和扰动温度组合而成，即：

其中，式中T表示温度轮廓线，表示背景温度场，T′表示扰动温度。

在步骤2)中，请参阅图1中的S2步骤，取所述火山爆发前若干年±5天所述火山所在区域的大气温度日均值，并依据所述大气温度日均值得到背景温度轮廓线。

作为示例，可以收集所述火山任意一次爆发前若干年±5天所述火山所在区域的大气温度日均值，譬如，收集所述火山最近一次爆发前若干年±5天所述火山所在区域的大气温度日均值。所述火山爆发前的年数可以根据实际需要进行设定，此处不做限制。收集所述火山爆发前若干年±5天所述火山所在区域的大气温度日均值，并依据所述大气温度日均值得到背景温度轮廓线为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。

在步骤3)中，请参阅图1中的S3步骤，步骤2)得到的大气温度日均值与步骤1)得到的实际大气温度值相减得到所述火山所在区域由于火山灰引起的扰动温度轮廓线。

作为示例，将步骤2)得到的大气温度日均值与步骤1)得到的实际大气温度值一一对应相减得到所述火山所在区域由于火山灰引起的扰动温度轮廓线。

在步骤4)中，请参阅图1中的S4步骤，取步骤2)得到的大气温度日均值±二分之一的标准偏差作为偏差轮廓线区间，所述偏差轮廓线区间作为衡量所述火山所在区域的实际大气温度变化的标准。

在步骤5)中，请参阅图1中的S5步骤，依据所述实际大气温度轮廓线、所述背景温度轮廓线、所述扰动温度轮廓线及所述偏差轮廓线区间对火山喷发的火山灰进行监测。

作为示例，当所述扰动温度轮廓线出现骤降，且所述实际大气温度轮廓线位于所述偏差轮廓线区间之外时，则判定由于火山向上喷射的火山灰引起了对应海拔高度的大气温度降低。

作为示例，依据所述扰动温度轮廓线出现骤降处的海拔高度判定所述火山喷射的所述火山灰的高度，依据所述扰动温度轮廓线出现骤降处骤降的程度判断所述扰动温度轮廓线出现骤降处的海拔高度处所述火山喷射的所述火山灰的浓度。

综上所述，本发明提供一种利用GPS测量技术监测火山的方法，所述利用GPS测量技术监测火山的方法

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种利用GPS测量技术监测火山的方法，其特征在于，所述利用GPS测量技术监测火山的方法包括如下步骤：

1)基于GNSS掩星反演算法得到火山所在区域的实际大气温度值及实际大气温度轮廓线；

2)取所述火山爆发前若干年±5天所述火山所在区域的大气温度日均值，并依据所述大气温度日均值得到背景温度轮廓线；

3)将步骤2)得到的大气温度日均值与步骤1)得到的实际大气温度值相减得到所述火山所在区域由于火山灰引起的扰动温度轮廓线；

4)取步骤2)得到的大气温度日均值±二分之一的标准偏差作为偏差轮廓线区间，所述偏差轮廓线区间作为衡量所述火山所在区域的实际大气温度变化的标准；

5)依据所述实际大气温度轮廓线、所述背景温度轮廓线、所述扰动温度轮廓线及所述偏差轮廓线区间对火山喷发的火山灰进行监测。

2.根据权利要求1所述的利用GPS测量技术监测火山的方法，其特征在于，步骤1)中包括如下步骤：

1-1)依据多普勒频移或附加相位获得掩星弯曲角轮廓曲线；

1-2)利用阿贝尔变换将获得的所述掩星弯曲角轮廓曲线变换成折射率轮廓曲线；

1-3)利用大气折射率与温度、气压及水汽含量的关系得到所述火山所在区域的实际大气温度值及实际大气温度轮廓线。

3.根据权利要求2所述的利用GPS测量技术监测火山的方法，其特征在于，步骤1-3)中，还利用大气折射率与温度、气压、电子密度的关系得到所述火山所在区域的气压参数及电离层的电子密度参数。

4.根据权利要求2所述的利用GPS测量技术监测火山的方法，其特征在于，步骤1-1)中，获得掩星弯曲角轮廓曲线的公式为：

其中，α(a)为改正后的弯曲角，α₁(a)、α₂(a)分别是使用L1、L2频段上的多普勒频移得出的弯曲角轮廓线，f₁、f₂是L1、L2频段的载波频率，a为碰撞参数。

5.根据权利要求2所述的利用GPS测量技术监测火山的方法，其特征在于，步骤1-2)中，得到的折射率关于弯曲角的关系式为：

其中，n为大气折射率，a为碰撞参数，x为碰撞参数上的积分变量。

6.根据权利要求2所述的利用GPS测量技术监测火山的方法，其特征在于，步骤1-3)中，大气折射率与温度、气压及水汽含量的公式为：

其中，N为大气折射率；P为气压，单位为mb；，P_w为水汽压，单位为mb；T为温度，单位为K；k₁＝77.6，k₂＝3.73×10⁶。

7.根据权利要求6所述的利用GPS测量技术监测火山的方法，其特征在于，步骤1-3)中，水汽含量忽略不计，水汽压P_w为零，同时设定大气为理想气体，满足理想气体方程：

式中ρ(h)为大气密度，R为不考虑水汽含量的空气气体常数，其值为0.287Jg^-1K^-1，h为海拔高度，使用获得，其中R_c为切点处的地球曲率半径；

设定大气还满足流体静平衡条件：

其中，g表示重力加速度；

由此可得如下公式：

其中，P(z_m)是通过欧洲中心在z_m＝40km时初始化流体静力学方程得到的；

将公式经过迭代即可得到气压轮廓线，将得到的气压代入并忽略公式中的第二项即可得到实际大气温度值及实际大气温度轮廓线。

8.根据权利要求1所述的利用GPS测量技术监测火山的方法，其特征在于，步骤5)中，当所述扰动温度轮廓线出现骤降，且所述实际大气温度轮廓线位于所述偏差轮廓线区间之外时，则判定由于火山向上喷射的火山灰引起了对应海拔高度的大气温度降低。

9.根据权利要求8所述的利用GPS测量技术监测火山的方法，其特征在于，步骤5)中，依据所述扰动温度轮廓线出现骤降处的海拔高度判定所述火山喷射的所述火山灰的高度，依据所述扰动温度轮廓线出现骤降处骤降的程度判断所述扰动温度轮廓线出现骤降处的海拔高度处所述火山喷射的所述火山灰的浓度。