GPS技術(shù)在大氣探測(cè)中的運(yùn)用

尼瑪楚多

（拉薩市氣象局，西藏 拉薩 850000）

0 引言

GPS最早出現(xiàn)于美國(guó)20世紀(jì)70年代，經(jīng)過(guò)20年、上百億美元的投資之后，美國(guó)在1994年全面建成了新一代衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的意義在于能夠?qū)θ魏蔚攸c(diǎn)進(jìn)行全方位的三維導(dǎo)航和定位，因此這一系統(tǒng)一經(jīng)面世，就廣受好評(píng)。在氣象領(lǐng)域發(fā)展的過(guò)程中，專家發(fā)現(xiàn)GPS信號(hào)在穿過(guò)大氣層時(shí)會(huì)導(dǎo)致傳輸路徑和時(shí)間延遲發(fā)生改變。而這一相應(yīng)的發(fā)現(xiàn)隨后經(jīng)過(guò)了反推演，最終得出了大氣的溫度、壓力、濕度、水汽信息等等氣象要素，這對(duì)于數(shù)值預(yù)報(bào)的精確度有著極大的提升。也就是說(shuō)，GPS信號(hào)穿過(guò)大氣層到達(dá)地面后的不同狀態(tài)，經(jīng)過(guò)反向推算，可以得出當(dāng)下大氣層的實(shí)際狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到天氣預(yù)報(bào)精準(zhǔn)播報(bào)的目的。

1 GPS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 GPS概述

這一系統(tǒng)主要通過(guò)3方面組成，分別是空間部分、地面監(jiān)控部分、用戶接收部分[1]。

1.1.1 空間部分

一般來(lái)說(shuō)GPS系統(tǒng)需要24顆衛(wèi)星共同組成，這24顆衛(wèi)星需要在6個(gè)軌道上進(jìn)行運(yùn)行。因此可以得知，軌道傾角需要保持在55°，各個(gè)軌道之間的間距則是需要保持在60°。在兩萬(wàn)米的高空中，衛(wèi)星圍繞著地球進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，而地球自轉(zhuǎn)一周時(shí)，衛(wèi)星需要圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)兩周。而地球同時(shí)也是個(gè)傾斜的公轉(zhuǎn)球體，因此這種轉(zhuǎn)動(dòng)在每天的不同時(shí)刻都在進(jìn)行著變化。具體來(lái)說(shuō)就是今天觀測(cè)的衛(wèi)星將會(huì)比昨天觀測(cè)的衛(wèi)星早4分鐘，而地平線以上的衛(wèi)星數(shù)量將會(huì)隨之變化，最少的情況下也會(huì)有4顆，而最多的情況則會(huì)達(dá)到11顆。在使用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的過(guò)程中，由于需要進(jìn)行三維定位，因此至少需要四顆衛(wèi)星保持工作，而這4顆或者4顆以上的衛(wèi)星組成的系統(tǒng)被稱為定位星座。

1.1.2 地面監(jiān)控部分

這一部分主要由5個(gè)監(jiān)控站和一個(gè)主控站組成，監(jiān)控站需要配備有GPS用戶接收機(jī)、原子鐘、傳感器、計(jì)算機(jī)等等設(shè)備。監(jiān)控站在運(yùn)行的過(guò)程中主要的任務(wù)就是將衛(wèi)星發(fā)射的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，隨后監(jiān)控站將收集到的信息發(fā)送到主控站。主控站的意義在于能夠收集監(jiān)控站接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，衛(wèi)星鐘的意義就在于能夠修改相關(guān)數(shù)值[2]。

1.1.3 用戶設(shè)備

用戶設(shè)備主要包括3方面，其中包括接收機(jī)、機(jī)內(nèi)軟件、GPS數(shù)據(jù)后處理軟件包。接收機(jī)的作用在于能夠收獲衛(wèi)星的待測(cè)量信號(hào)，跟蹤衛(wèi)星當(dāng)下運(yùn)行情況，同時(shí)對(duì)于已經(jīng)取得的衛(wèi)星GPS信號(hào)進(jìn)行處理。主要的目的在于能夠更加方便的測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到天線的傳播時(shí)間。

1.2 GPS定位基本原理

GPS衛(wèi)星向地面發(fā)射兩個(gè)信號(hào)，頻率各不相同，衛(wèi)星上安裝的原子鐘精度較高，能夠保證衛(wèi)星發(fā)射頻率的穩(wěn)定性和精確性。載波方面，需要使用廣播星歷，從而表示出衛(wèi)星的位置，并且還需要使用C/A碼和P碼，用于測(cè)距。這些設(shè)備的出現(xiàn)能夠保證衛(wèi)星可以全天候?yàn)槿我庥脩籼峁┤S和衛(wèi)星定位服務(wù)，并且可以保證精確。

GPS接收機(jī)的作用在于能夠接收準(zhǔn)確的時(shí)間，具體來(lái)說(shuō)時(shí)間可以精確到納秒級(jí)別，主要的作用在于預(yù)報(bào)未來(lái)幾個(gè)月之內(nèi)衛(wèi)星的所處大概位置，從而幫助未來(lái)在計(jì)算定位時(shí)保證廣播星歷的準(zhǔn)確性。一般來(lái)說(shuō)精度為幾米到幾十米之間，同時(shí)接收機(jī)還能夠接收到GPS的系統(tǒng)信息，其中就包括衛(wèi)星狀況等等重點(diǎn)信息。

GPS的作用還在于能夠?qū)Υa進(jìn)行測(cè)量，掌握衛(wèi)星與接收機(jī)之間的大致距離，由于大氣傳播的過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)誤差，而這一誤差一般來(lái)說(shuō)被稱為偽距。在前文中提及測(cè)距有C/A碼和P碼兩種，前者一般精度可以達(dá)到20 m左右，而后者的精度能夠達(dá)到2 m左右。

GPS接收機(jī)接收到信息之后，需要將信息進(jìn)行解碼解讀，去掉載波上的附屬信息，就能夠恢復(fù)載波的初始狀態(tài)。從更加嚴(yán)格的角度上進(jìn)行解讀之后可以發(fā)現(xiàn)，載波相位也可以被稱為載波拍頻相位，這意味著需要考慮到各方面原因產(chǎn)生的信號(hào)差。其中包括衛(wèi)星信號(hào)載波相位受多普勒頻移影響、接收機(jī)本機(jī)振蕩[3]。除此之外，在接收機(jī)確定之后，需要保證對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行追蹤，此時(shí)就能夠記錄相位的相關(guān)數(shù)值，了解實(shí)際情況。這種變化數(shù)值在一開(kāi)始屬于未知的，起始?xì)v元的相位整數(shù)也屬于未知數(shù)值，也就是整周模糊度，只能夠在大數(shù)據(jù)中將之作為參數(shù)來(lái)進(jìn)行解算。

GPS觀測(cè)的過(guò)程中，衛(wèi)星與接收機(jī)之間的誤差需要考慮、大氣層導(dǎo)致的信號(hào)誤差需要考慮、多路徑效應(yīng)需要考慮，在這些誤差的層層疊加影響下，需要使用相關(guān)技術(shù)來(lái)抵消和消除誤差。其中相對(duì)定位就能夠達(dá)到這一目的，進(jìn)而提升定位精度。雙頻接收機(jī)主要的作用就在于能夠同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)頻率的測(cè)量，根據(jù)兩個(gè)頻率的狀態(tài)來(lái)盡量消除誤差，優(yōu)點(diǎn)在于能夠提高精度，因此距離較遠(yuǎn)時(shí)需要使用雙頻接收機(jī)。

2 GPS氣象學(xué)

GPS氣象學(xué)，這門學(xué)科主要的目的就在于能夠使用全球定位系統(tǒng)來(lái)探測(cè)當(dāng)下的大氣層情況，進(jìn)而掌握未來(lái)的天氣變化，科學(xué)家將這種技術(shù)稱之為GPS/MET。實(shí)際檢測(cè)的過(guò)程中，需要根據(jù)GPS接收機(jī)的實(shí)際位置來(lái)定制技術(shù)方案。一般來(lái)說(shuō)需要將GPS接收機(jī)放在地面，固定其實(shí)際位置。而大氣探測(cè)的方式科學(xué)家稱之為地基GPS/MET。在實(shí)際檢測(cè)的過(guò)程中，將GPS接收機(jī)放在低軌道衛(wèi)星上探測(cè)大氣，需要稱之為空基GPS/MET。

2.1 空基GPS大氣探測(cè)

這項(xiàng)技術(shù)又被稱為空間無(wú)線電掩星技術(shù)，主要的理論依據(jù)在于將處于低軌道的衛(wèi)星GPS接收機(jī)用于記錄大氣層中的高軌道衛(wèi)星微波信號(hào)。主要的作用在于能夠記錄附加延遲量，隨后使用反推的方法來(lái)得到大氣溫度、壓力、濕度等等參數(shù)。

GPS衛(wèi)星發(fā)射無(wú)線電之后，穿越大氣層到達(dá)低軌道衛(wèi)星接收機(jī)時(shí)，就能夠收獲大氣層高分辨率的探測(cè)信息，主要的原理就是在GPS信號(hào)處于85km時(shí)，電波傳輸路徑會(huì)發(fā)生一定的形變，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)延遲，一般來(lái)說(shuō)延遲時(shí)間為1mm。信號(hào)繼續(xù)下降，穿越大氣層之后，形變延遲時(shí)間將會(huì)被大氣層無(wú)限放大，進(jìn)而達(dá)到1km。因此可以得出，大氣層中發(fā)生的信號(hào)延遲將會(huì)達(dá)到6位數(shù)的數(shù)量。低軌道衛(wèi)星在運(yùn)行的過(guò)程中，雙頻接收機(jī)需要測(cè)定信號(hào)，計(jì)算其中的氣象要素。而低軌衛(wèi)星在運(yùn)行的過(guò)程中，每天每個(gè)接收機(jī)達(dá)到能夠觀測(cè)到500個(gè)以上的掩星點(diǎn)，這些掩星點(diǎn)幾乎能夠覆蓋整個(gè)地球。因此空基GPS大氣探測(cè)能夠應(yīng)用于測(cè)量天氣，其可行性和有效性非常強(qiáng)大。

空基GPS/MET的主要目標(biāo)和主要作用分別如下分析：首先，需要?jiǎng)?chuàng)造出能夠有效收集GPS掩星數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其次則是需要注意能夠開(kāi)發(fā)并且驗(yàn)證精確計(jì)算折射率以及其派生產(chǎn)品的算法，其中包括有氣壓、溫度、濕度等等。再次則是需要評(píng)價(jià)這一數(shù)據(jù)系統(tǒng)在天氣預(yù)報(bào)和氣象變化研究過(guò)程中的應(yīng)用效果和實(shí)際作用。最后則是需要向科學(xué)家和相關(guān)研究人員提供研究數(shù)據(jù)，從而幫助科學(xué)界對(duì)這兩方面開(kāi)展研究。

2.2 地基GPS大氣探測(cè)

GPS信號(hào)穿過(guò)大氣層和電離層時(shí)，速度往往會(huì)受到影響，這就會(huì)造成衛(wèi)星信號(hào)出現(xiàn)延遲。在穿過(guò)電離層的過(guò)程中，無(wú)線電信號(hào)的延遲與頻率有著非常大的關(guān)系，因此使用雙頻GPS接收機(jī)時(shí)，能夠更加肯定的掌握電離層引起的信號(hào)延遲。無(wú)線電波在穿過(guò)大氣層時(shí)，由于大氣層不帶電，因此時(shí)間延遲與信號(hào)頻率之間沒(méi)有直接關(guān)系。經(jīng)過(guò)分析之后發(fā)現(xiàn)，時(shí)間延遲出現(xiàn)的主要原因就是大氣的構(gòu)成成分，也就是干空氣與水空氣之間的比例。

3 GPS探空觀測(cè)

在大氣觀測(cè)的過(guò)程中，GPS能夠起到的另一個(gè)主要作用就是探空觀測(cè)。主要的方式就是將GPS接收機(jī)植入探空儀當(dāng)中，使用GPS的高精度定位能力，讓探空儀在高空中測(cè)定高空風(fēng)。一般來(lái)說(shuō)GPS探空站由遙測(cè)接收系統(tǒng)TRS、地面GPS接收機(jī)、地面氣象要素觀測(cè)儀器、人機(jī)交互工作站、GPS探空儀、氣球充灌室?guī)撞糠止餐M成。

具體運(yùn)行為GPS通過(guò)氣球攜帶升空，隨后開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，遙感裝置來(lái)跟蹤升空的探空儀，并且將之接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)放大之后返還發(fā)送給信號(hào)處理器。信號(hào)處理器在接收到信號(hào)之后，需要將探空儀發(fā)回的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，解碼之后能夠?qū)?shù)據(jù)恢復(fù)成為氣象信息，用于計(jì)算高空氣壓、溫度、濕度、風(fēng)向等等要素。

在探空儀飛行的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)工作站需要對(duì)這一軌跡進(jìn)行持續(xù)跟蹤。工作站在運(yùn)行的過(guò)程中，需要使用圖表來(lái)將探測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，從而更好地幫助觀測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

GPS氣象探測(cè)技術(shù)主要的作用在于GPS技術(shù)可以了解大氣層中的各方面數(shù)據(jù)信息，并且這一信息的收集并不受到天氣的影響，因此可以在24小時(shí)中不斷監(jiān)測(cè)大氣層的變化狀態(tài)，這幫助氣象預(yù)報(bào)有了更好的發(fā)展方向。除此之外，GPS還能夠?qū)δ承┨鞖忸A(yù)報(bào)時(shí)間分辨率的要求進(jìn)行管理，從而控制地面常規(guī)氣象站狀態(tài)以及相關(guān)信息。使用GPS系統(tǒng)對(duì)于氣象學(xué)來(lái)說(shuō)有著非同一般的價(jià)值，因此未來(lái)需要對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行更加深入的研究與分析。