CN113189620B - 一种gnss掩星临近空间气候数据反演方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GNSS掩星临近空间气候数据反演方法及系统，该方法包括：获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据并进行预处理；从预处理后的数据中获取双频弯曲角数据，掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境数据；基于GNSS掩星数据源时空数据和气候分析任务选取GNSS掩星观测数据并进行分组，划分为多个数据集；基于各数据集的双频弯曲角数据和掩星几何参数计算弯曲角廓线；基于掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境参数计算弯曲角残差廓线；基于双频线性组合弯曲角廓线和弯曲角残差廓线计算弯曲角均值廓线；基于弯曲角均值廓线和掩星几何参数，采用Abel积分变换算法反演GNSS掩星临近空间气候数据集。
Description
技术领域
本发明涉及大气遥感及其气象气候应用领域，具体涉及一种GNSS掩星临近空间气候数据反演方法及系统。
背景技术
政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出需要更高精度和分辨率的对流层顶和平流层观测数据进行气候变化分析。GNSS掩星技术自定标且长期稳定具有成为参考气候数据的潜力而被指定为全球气候观测系统(GCOS)的关键数据源之一。世界气象组织下属的气象卫星协调组(CGMS)和国际掩星工作组(IROWG)建议按照GCOS的标准建立GNSS掩星气候数据集。
研究表明，GNSS掩星数据质量在8-20km范围内能满足GCOS的要求，并应用到了该高度范围内的全球温度变化趋势和对流层顶参数变化等气候现象的分析中。但是随高度上升，电离层影响越来越大，GNSS掩星观测值的信噪比逐渐降低，反演大气参数精度也逐渐降低，平流层顶部(约20-50km)掩星数据精度已不能满足GCOS和IPCC的要求。
传统的GNSS掩星反演方法采用统计优化方法，将电离层残差和信号观测噪声在高层大气初始化过程中，用背景大气信息来订正或代替。不同GNSS掩星数据处理中心高层大气初始化方法和采用的背景大气模式不同，给GNSS掩星大气产品引入了新的系统性偏差。因此，电离层残差和高层大气初始化是制约GNSS掩星包含平流层顶部在内的临近空间(本发明主要指20-60km高度范围的大气层)气候数据高精度反演的主要瓶颈，亟待研发新的GNSS掩星临近空间气候数据反演方法及系统。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种GNSS掩星临近空间气候数据反演方法及系统，实现GNSS掩星临近空间气候数据反演。
本发明的实施例1提出了一种GNSS掩星临近空间气候数据反演方法，所述方法包括：
获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据并进行预处理；
从预处理后的数据中获取双频弯曲角数据，掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境数据；
基于GNSS掩星数据源时空数据和气候分析任务选取GNSS掩星观测数据并进行分组，划分为多个数据集；
基于各数据集的双频弯曲角数据和掩星几何参数计算弯曲角廓线；
基于掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境参数计算弯曲角残差廓线；
基于双频线性组合弯曲角廓线和弯曲角残差廓线计算弯曲角均值廓线；
基于弯曲角均值廓线和掩星几何参数，采用Abel积分变换算法反演GNSS掩星临近空间气候数据集。
作为上述方法的一种改进，所述GNSS掩星观测数据包括：双频GNSS掩星弯曲角廓线、GNSS卫星和LEO卫星的位置和时间；所述时空数据包括：掩星事件发生的世界时、发生位置的经度和纬度；所述空间环境数据包括：“入射线”侧电离层穿刺点位置处vTEC和“出射线”侧电离层穿刺点位置处vTEC；“入射线”侧电离层穿刺点位置处地磁场强度和“出射线”侧电离层穿刺点位置处地磁场强度廓线和太阳活动强度F10.7指数。
作为上述方法的一种改进，所述获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据并进行预处理；包括：
获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据；
从多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据中剔除异常数据；
将不同GNSS掩星系统和不同掩星任务的时空数据的各个参量统一为相同物理量和同一单位。
作为上述方法的一种改进，所述掩星几何参数包括：掩星切点曲率半径、大地水准面差距、影响参数、GNSS卫星位置矢量、LEO卫星位置矢量、“入射线”侧电离层穿刺点位置矢量、“出射线”侧电离层穿刺点位置矢量、LEO卫星至GNSS卫星位置单位矢量。
作为上述方法的一种改进，所述基于GNSS掩星数据源时空数据和气候分析任务选取GNSS掩星观测数据并进行分组，划分为多个数据集；包括：
根据气候分析的区域要求，利用掩星事件的位置经度和纬度选取发生在该区域的掩星事件作为总体观测数据集；
根据GNSS掩星数据源对总体观测数据集进行分组；
利用掩星事件的世界时和经度计算掩星事件发生的地方时，将地方时在6:00时至18:00的掩星事件归为“白天”数据集，其它的掩星事件归为“夜晚”数据集；
根据气候分析的时间尺度，利用掩星的世界时将上述“白天”和“夜晚”数据集划分为不同时间区间的时间序列；
如果所选区域跨越纬度大于40度且经度大于80度，根据时间序列的时间区间将该区域划分为纬度带。
作为上述方法的一种改进，所述基于各数据集的双频弯曲角数据和掩星几何参数计算弯曲角廓线；具体包括：
确定每个数据集的影响参数格点廓线
利用每个数据集的掩星事件的影响参数，将其弯曲角数据插值到影响参数格点
上；
将每个数据集中相同掩星事件具有相同影响参数的弯曲角进行双频线性组合，计算线性组合弯曲角廓线
作为上述方法的一种改进，所述基于双频线性组合弯曲角廓线和弯曲角残差廓线计算弯曲角均值廓线；具体包括：
将弯曲角电离层残差廓线插值到影响参数格点廓线
得到
计算电离层残差修正后弯曲角廓线
对每个数据集的弯曲角廓线求平均，得到弯曲角均值廓线
作为上述方法的一种改进，所述基于弯曲角均值廓线和掩星几何参数，采用Abel积分变换算法反演GNSS掩星临近空间气候数据集；具体包括：
其中，
为大气折射率均值廓线，a0为掩星切点处的影响参数；
其中，
为平均海拔高度，m为数据子集掩星事件个数，ci为各掩星事件的切点曲率半径，li为各掩星事件的大地水准面差距；
其中，
为平均大气折射指数廓线；
其中，
为大气密度廓线，M为大气的平均分子量，R为理想气体普适常数；
其中，
为大气压强均值廓线，u为设定的上边界，Pu为上边界处的压强，g为重力加速度；
根据大气密度和压强廓线计算温度廓线
GNSS掩星气候数据包括：大气折射指数均值廓线
大气压强均值廓线
和温度均值廓线
根据对流层顶的高度范围，截取20km以上的GNSS掩星气候数据，作为GNSS掩星临近空间气候数据产品。
本发明的实施例2提出了一种GNSS掩星临近空间气候数据反演系统，所述系统包括：
数据预处理模块，用于获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据并进行预处理；从预处理后的数据中获取双频弯曲角数据，掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境数据；
数据集划分模块，用于基于GNSS掩星数据源时空数据和气候分析任务选取GNSS掩星观测数据并进行分组，划分为多个数据集；
弯曲角均值廓线计算模块，用于基于各数据集的双频弯曲角数据和掩星几何参数计算弯曲角廓线；基于掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境参数计算弯曲角残差廓线；基于双频线性组合弯曲角廓线和弯曲角残差廓线计算弯曲角均值廓线；
临近空间气候数据反演模块，用于基于弯曲角均值廓线和掩星几何参数，采用Abel积分变换算法反演GNSS掩星临近空间气候数据集。
本发明的优势在于：
1、本发明的反演方法将同时削弱电离层残差和观测噪声对GNSS掩星临近空间气候数据精度的影响；
2、本发明的反演方法将提高GNSS掩星临近空间大气的反演精度，提高GNSS掩星观测资料的应用效能。
附图说明
图1为本发明的GNSS掩星临近空间气候数据反演方法的流程图；
图2为本发明的GNSS掩星临近空间气候数据反演系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明的实施例1提出了一种GNSS掩星临近空间气候数据反演方法，包括：
步骤S101)获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据；
GNSS掩星观测数据包括：双频GNSS掩星弯曲角廓线、GNSS卫星和LEO卫星的位置和时间；
时空数据包括：掩星事件发生的世界时、发生位置的经度和纬度；
空间环境数据包括：“入射线”侧电离层穿刺点位置处vTEC和“出射线”侧电离层穿刺点位置处vTEC；“入射线”侧电离层穿刺点位置处地磁场强度和“出射线”侧电离层穿刺点位置处地磁场强度廓线和太阳活动强度F10.7指数。
步骤S102)对多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据剔除异常数据，将不同GNSS掩星系统和不同掩星任务的时空数据的各个参量统一为相同物理量和同一单位；
步骤S103)对GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据进行预处理，得到弯曲角数据，掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境数据；
掩星几何参数包括：掩星切点曲率半径、大地水准面差距、影响参数、GNSS卫星位置矢量、LEO卫星位置矢量、“入射线”侧电离层穿刺点位置矢量、“出射线”侧电离层穿刺点位置矢量、LEO卫星至GNSS卫星位置单位矢量。
步骤S104)基于GNSS掩星数据源时空数据和气候分析任务选取GNSS掩星观测数据并进行分组，划分为多个数据集；具体包括：
步骤S104-1)根据气候分析的区域要求，利用掩星事件的位置经度和纬度选取发生在该区域的掩星事件作为总体观测数据集；
步骤S104-2)根据GNSS掩星数据源对总体观测数据集进行分组；
例如，按GNSS掩星系统分为北斗掩星和GPS掩星数据集，按GNSS掩星任务分为风云3C、风云3D和COSMIC掩星数据集等；
步骤S104-3)利用掩星事件的世界时和经度计算掩星事件发生的地方时，将地方时在6:00时至18:00的掩星事件归为“白天”数据集，其它的掩星事件归为“夜晚”数据集；
步骤S104-4)根据气候分析的时间尺度，利用掩星的世界时将上述“白天”和“夜晚”数据集划分为不同时间区间的时间序列；
例如，年代际变化分析时间区间取自然年、年际变化时间区间取自然月、月际变化时间区间取自然日、准两周变化时间区间取自然日等；
步骤S104-5)如果步骤S104-1)所选区域跨越纬度大于40度且经度大于80度，根据步骤S104-4)时间序列的时间区间将该区域划分为纬度带；
例如，年时间区间划分为5度纬度带，月时间区间划分为10度纬度带，日时间区间划分为20度纬度带。
步骤S105)基于各数据集的双频弯曲角数据和掩星几何参数计算弯曲角廓线；具体包括：
步骤105-1)确定每个数据集的影响参数格点廓线
步骤105-2)利用每个数据集的掩星事件的影响参数，将其弯曲角数据插值到影响参数格点
上；
步骤105-3)将每个数据集中相同掩星事件具有相同影响参数的弯曲角进行双频线性组合，计算线性组合弯曲角廓线
步骤S106)基于掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境参数计算弯曲角残差廓线；具体包括：
步骤106-1)采用GNSS掩星几何数据和三维NeUoG电离层模式，计算每个数据集中的掩星事件“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处电离层电子密度廓线
和
以及vTEC值
和
步骤106-2)采用GNSS掩星几何数据和电离层数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的vTEC值
和
步骤106-3)分别计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的电子密度廓线NeI350T和NeI350R：
步骤106-4)通过GNSS掩星几何数据和地磁场数据，计算该掩星事件“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的地磁场强度矢量廓线BI350T和BI350R；
步骤106-5)计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的沿信号路径地磁场强度廓线B//I350T和B//I350R：
B//I350T＝BI350T·s
B//I350R＝BI350R·s
其中，s是沿GNSS掩星信号路径的位置单位矢量；
所述基于电子密度及沿信号路径的地磁场强度计算弯曲角电离层残差廓线，具体包括：
步骤106-6)计算电离层电子密度平方项沿GNSS掩星电波信号路径和低轨卫星处的累积影响值Ne2(a)：
其中，NeI350R(rL)为LEO卫星处电离层电子密度值，a为影响参数，x为积分变量，具体指电子密度廓线上采样点到地心的距离，rG和rL分别为GNSS和LEO卫星的位置矢量；
步骤106-7)计算地磁场强度与电离层电子密度乘积项沿GNSS掩星电波信号路径和低轨卫星处的累积影响值BNe(a)：
其中，B//I350R(rL)为LEO卫星处沿信号路径的地磁场强度值，x为积分变量，具体指电子密度廓线和地磁场强度矢量廓线上采样点到地心的距离；
步骤106-8)计算弯曲角电离层残差廓线Δα(a)：
其中，C为常数40.308，f1和f2为GPS的双频信号L1和L2的频率，K为常数1.1283·1012。
步骤S107)基于双频线性组合弯曲角廓线和弯曲角残差廓线计算弯曲角均值廓线；具体包括：
步骤107-1)将弯曲角电离层残差廓线插值到影响参数格点廓线
得到
步骤107-2)计算电离层残差修正后弯曲角廓线
步骤107-3)对每个数据集的弯曲角廓线求平均，得到弯曲角均值廓线
步骤S108)基于弯曲角均值廓线和掩星几何参数，采用Abel积分变换等算法反演GNSS掩星临近空间气候数据集；具体包括：
其中，
为大气折射率均值廓线，a0为掩星切点处的影响参数；
其中，
为平均海拔高度，m为数据子集掩星事件个数，ci为各掩星事件的切点曲率半径，li为各掩星事件的大地水准面差距；
其中，
为平均大气折射指数廓线；
其中，
为大气密度廓线，M为大气的平均分子量，R为理想气体普适常数；
其中，
为大气压强均值廓线，u为设定的上边界，Pu为上边界处的压强，g为重力加速度；
根据大气密度和压强廓线计算温度廓线
步骤S109)根据对流层顶的高度范围，截取20km以上的GNSS掩星气候数据廓线，作为GNSS掩星临近空间气候数据产品。
如图2所示，本发明的实施例2提出了一种GNSS掩星临近空间气候数据反演系统，所述系统包括：
数据预处理模块，用于获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据并进行预处理；从预处理后的数据中获取双频弯曲角数据，掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境数据；
数据集划分模块，用于基于GNSS掩星数据源时空数据和气候分析任务选取GNSS掩星观测数据并进行分组，划分为多个数据集；
弯曲角均值廓线计算模块，用于基于各数据集的双频弯曲角数据和掩星几何参数计算弯曲角廓线；基于掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境参数计算弯曲角残差廓线；基于双频线性组合弯曲角廓线和弯曲角残差廓线计算弯曲角均值廓线；
临近空间气候数据反演模块，用于基于弯曲角均值廓线和掩星几何参数，采用Abel积分变换算法反演GNSS掩星临近空间气候数据集。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种GNSS掩星临近空间气候数据反演方法，所述方法包括：
获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据并进行预处理；
从预处理后的数据中获取双频弯曲角数据，掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境数据；
基于GNSS掩星数据源时空数据和气候分析任务选取GNSS掩星观测数据并进行分组，划分为多个数据集；
基于各数据集的双频弯曲角数据和掩星几何参数计算弯曲角廓线；
基于掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境参数计算弯曲角残差廓线；
基于双频线性组合弯曲角廓线和弯曲角残差廓线计算弯曲角均值廓线；
基于弯曲角均值廓线和掩星几何参数，采用Abel积分变换算法反演GNSS掩星临近空间气候数据集；
所述获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据并进行预处理；包括：
获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据；
从多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据中剔除异常数据；
将不同GNSS掩星系统和不同掩星任务的时空数据的各个参量统一为相同物理量和同一单位；
所述基于GNSS掩星数据源时空数据和气候分析任务选取GNSS掩星观测数据并进行分组，划分为多个数据集；包括：
根据气候分析的区域要求，利用掩星事件的位置经度和纬度选取发生在该区域的掩星事件作为总体观测数据集；
根据GNSS掩星数据源对总体观测数据集进行分组；
利用掩星事件的世界时和经度计算掩星事件发生的地方时，将地方时在6:00时至18:00的掩星事件归为“白天”数据集，其它的掩星事件归为“夜晚”数据集；
根据气候分析的时间尺度，利用掩星的世界时将上述“白天”和“夜晚”数据集划分为不同时间区间的时间序列；
如果所选区域跨越纬度大于40度且经度大于80度，根据时间序列的时间区间将该区域划分为纬度带。
2.根据权利要求1所述的GNSS掩星临近空间气候数据反演方法，其特征在于，所述GNSS掩星观测数据包括：双频GNSS掩星弯曲角廓线、GNSS卫星和LEO卫星的位置和时间；所述时空数据包括：掩星事件发生的世界时、发生位置的经度和纬度；所述空间环境数据包括：“入射线”侧电离层穿刺点位置处vTEC和“出射线”侧电离层穿刺点位置处vTEC；“入射线”侧电离层穿刺点位置处地磁场强度和“出射线”侧电离层穿刺点位置处地磁场强度廓线和太阳活动强度F10.7指数。
3.根据权利要求2所述的GNSS掩星临近空间气候数据反演方法，其特征在于，所述掩星几何参数包括：掩星切点曲率半径、大地水准面差距、影响参数、GNSS卫星位置矢量、LEO卫星位置矢量、“入射线”侧电离层穿刺点位置矢量、“出射线”侧电离层穿刺点位置矢量、LEO卫星至GNSS卫星位置单位矢量。
4.根据权利要求3所述的GNSS掩星临近空间气候数据反演方法，其特征在于，所述基于各数据集的双频弯曲角数据和掩星几何参数计算弯曲角廓线；具体包括：
确定每个数据集的影响参数格点廓线
利用每个数据集的掩星事件的影响参数，将其弯曲角数据插值到影响参数格点廓线
上；
将每个数据集中相同掩星事件具有相同影响参数的弯曲角进行双频线性组合，计算线性组合弯曲角廓线
5.根据权利要求4所述的GNSS掩星临近空间气候数据反演方法，其特征在于，所述基于双频线性组合弯曲角廓线和弯曲角残差廓线计算弯曲角均值廓线；具体包括：
将弯曲角电离层残差廓线插值到影响参数格点廓线
得到
计算电离层残差修正后弯曲角廓线
对每个数据集的弯曲角廓线求平均，得到弯曲角均值廓线
6.根据权利要求5所述的GNSS掩星临近空间气候数据反演方法，其特征在于，所述基于弯曲角均值廓线和掩星几何参数，采用Abel积分变换算法反演GNSS掩星临近空间气候数据集；具体包括：
其中，
为大气折射率均值廓线，a0为掩星切点处的影响参数；
其中，
为平均海拔高度，m为数据子集掩星事件个数，ci为各掩星事件的切点曲率半径，li为各掩星事件的大地水准面差距；
其中，
为平均大气折射指数廓线；
其中，
为大气密度廓线，M为大气的平均分子量，R为理想气体普适常数；
其中，
为大气压强均值廓线，u为设定的上边界，Pu为上边界处的压强，g为重力加速度；
根据大气密度和压强廓线计算温度廓线
GNSS掩星气候数据包括：大气折射指数均值廓线
大气压强均值廓线
和温度均值廓线
根据对流层顶的高度范围，截取20km以上的GNSS掩星气候数据，作为GNSS掩星临近空间气候数据产品。
7.一种GNSS掩星临近空间气候数据反演系统，其特征在于，所述系统包括：
数据预处理模块，用于获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据并进行预处理；从预处理后的数据中获取双频弯曲角数据，掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境数据；
数据集划分模块，用于基于GNSS掩星数据源时空数据和气候分析任务选取GNSS掩星观测数据并进行分组，划分为多个数据集；
弯曲角均值廓线计算模块，用于基于各数据集的双频弯曲角数据和掩星几何参数计算弯曲角廓线；基于掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境参数计算弯曲角残差廓线；基于双频线性组合弯曲角廓线和弯曲角残差廓线计算弯曲角均值廓线；
临近空间气候数据反演模块，用于基于弯曲角均值廓线和掩星几何参数，采用Abel积分变换算法反演GNSS掩星临近空间气候数据集；
所述数据预处理模块的处理过程具体包括：
获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据；
从多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据中剔除异常数据；
将不同GNSS掩星系统和不同掩星任务的时空数据的各个参量统一为相同物理量和同一单位；
所述数据集划分模块的具体处理过程包括：
根据气候分析的区域要求，利用掩星事件的位置经度和纬度选取发生在该区域的掩星事件作为总体观测数据集；
根据GNSS掩星数据源对总体观测数据集进行分组；
利用掩星事件的世界时和经度计算掩星事件发生的地方时，将地方时在6:00时至18:00的掩星事件归为“白天”数据集，其它的掩星事件归为“夜晚”数据集；
根据气候分析的时间尺度，利用掩星的世界时将上述“白天”和“夜晚”数据集划分为不同时间区间的时间序列；
如果所选区域跨越纬度大于40度且经度大于80度，根据时间序列的时间区间将该区域划分为纬度带。
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