无线电掩星技术及其应用

详细介绍无线电掩星技术作为20世纪90年代中期局长起来的星载地球大气遥感高新技术的国际发展态势，给出其应用于探测从地面至800km高空大气和电离层参量的科学原理和方法，有关的掩星仿真，观测及其与其他观测技术对比的结果，讨论了掩星技术的应用及其正在改善和发展的几个主要方面。     

临近空间星光掩星技术的初步应用

大气星光掩星技术可以探测获得行星大气多种痕量成分密度等信息,该技术基于大气光谱透过率来进行探测。根据星光掩星探测原理建立了掩星工作模型,初步分析了气体分子光谱吸收特征,获得了多种大气成分的透过率,利用大气透过率反演得到了大气成分密度,并与大气模式MSISE-00结果进行比较验证。进一步对光谱的信噪比和相对误差进行了估计,并讨论了恒星的不同视星等对探测信噪比和相对误差的影响,由此给出目标星视星等的范围。初步结果表明:利用视星等在-1.45~3.55范围内的目标星作为光源进行探测,信噪比在100以上,且测量的相对误差最小可达到1%。以上结果为地球临近空间高度上星光掩星探测的开展提供了初步的理论指导。     

山基GPS掩星观测数据在电波到达角计算中的应用

在福建省太姥山和浙江鹤顶山开展了GPS掩星观测实验并成功获取山基掩星观测数据, 对掩星事件进行了分析和统计; 阐述了利用山基掩星观测数据计算大气折射指数和电波弯曲角的原理和算法, 基于山基反演数据与欧洲中期天气预报中心(European centre for medium-range weather forecasts, ECMWF)数据构建电波传播的直接折射模型和一次反射模型来计算任意两点之间的电波到达角.结果表明:山基反演数据计算的大气折射率剖面反演准确度在95%以上, 在1 km下的近距离计算中基于山基反演数据的直接折射模型优于一次反射模型, 山基反演数据的电波到达角模型优于ECMWF数据模型, 文中创建的两种电波到达角计算模型对模拟两点之间的电波传播路径和真实电波信号的调整接收具有重要指导意义.     

激光掩星探测大气水汽的阿贝尔变换

对流层顶-平流层下区域(UTLS)的水汽分子密度对于研究全球变化、大气物质能量交换具有十分重要的意义,激光掩星技术可能是 一种探测该区域水汽的有效手段。掩星对于大气探测的核心思想源于阿贝尔(Abel)变换。GPS掩星的阿贝尔积分变换表达的是 连线的折射角与切点处折射率之间的关系,而与GPS掩星的阿贝尔积分变换不同的是,激光掩星的阿贝尔积分变换建立的是全路 径大气光学厚度与切点处大气消光系数之间的关系。从光线的程函方程出发,通过变量替换、坐标置换,从而建立起 大气光学厚度与大气消光系数之间的关系。由于光在切点处大气的消光系数和该处大气的水汽浓度成正比,因此分别在微 卫星和微卫星之间发射、接收0.935 $\mu$m掩星激光脉冲,连接两者之间的光束穿过大气层,计算积分路径上其水汽双波长 差分光学厚度,由阿贝尔积分变换反演即可获得光束路径切点处水汽浓度。随着掩星连线的上下移动,连线切点高度随着卫星 相向或背向而行而变化形成水汽浓度廓线。由于激光束发散角小,因此由激光掩星方法获得的水汽廓线高程精度高, 水汽的吸收消光可以直接得到水汽的分子密度,优于GPS掩星的相位延迟间接方法,可以更直接精确地探测大气对流层顶-平 流层下区域的水汽分子密度。此外,研究表明激光掩星方法的光谱分辨率优于太阳掩星方法的光谱分辨率。     

地基GNSS和天基掩星观测对全球电离层数据同化效果的影响分析

电离层的精确现报预报对装备系统效应减缓及空间科学研究均具有重要的应用价值. 地基GNSS和天基掩星是电离层数据同化最为重要的数据来源之一。通过观测系统仿真试验（observation system simulation experiments,OSSE）对四种不同的观测系统条件下的全球电离层数据同化效果进行了定量分析,数据同化的总电子含量（total electron content, TEC）及三维电子密度参量技术得分(skill score, SKS)的评估结果表明:1)观测构型对数据同化现报和预报精度均具有重要影响。2)仅仅同化地基GNSS数据,其同化的TEC精度相比背景模型会有较明显的改善,TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别为0.45、0.39、0.32和0.25;但电子密度的现报和预报结果相比背景模型的改善则相对有限,电子密度现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS仅为0.05、0.04、0.03和0.02;通过融合掩星观测数据,其电子密度的精度会有明显提升。3)在掩星卫星数量较多且观测数据的覆盖性较好的条件下,仅同化掩星TEC观测数据就可以获得准确的TEC和电子密度现报与短期预报结果;大规模掩星星座的观测比仅利用地基GPS观测进行同化,其TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别提高了0.2、0.17、0.14和0.12;电子密度SKS分别提高了0.39、0.35、0.28和0.22,电子密度SKS的提升幅度要优于TEC。4) 现有的观测系统布局对中低纬区域的数据同化精度的提升效果要优于高纬区域;5) 随着预报时间的增加,数据同化的精度呈现下降的趋势. 随着未来微小卫星数量的快速增加,天基掩星观测将对电离层状态的精确表征产生不可估量的作用,相关研究可为我国天地基电离层观测系统的设计和构建提供技术参考.     

利用COSMIC掩星数据分析电离层扩展F层现象

利用2009年的COSMIC掩星观测数据,分析电离层扩展F层不均匀结构引起的GPS卫星C/A码信噪比闪烁,研究全球范围内扩展F层的出现随地理位置、地方时变化的统计特征。初步分析结果表明,扩展F层在3月份主要出现在低纬地区和两极地区,主要发生在地方时日落至午夜之间,有时可延至午夜后数小时。本文结果和以往利用其他观测手段获得的结果较为一致,说明GPS掩星技术可以作为观测全球扩展F层的一种有效手段。     

利用无线电掩星观测数据反演大气水汽剖面

准确掌握地球低层大气中的水汽分布，了解水汽变化趋势对天气现象的研究、数值天气预报具有重要的理论研究及实用价值。以无线电掩星技术为基础，利用掩星数据反演大气水汽剖面。详细阐述通过线性迭代方法，反演对流层下部水汽廓线的原理。对常用的掩星数据做了概括性介绍，利用实际掩星数据反演得到了近地面水汽的垂直分布廓线，并给出了反演个例。通过反演的水汽廓线与模式以及实际探空资料进行对比，表明在大多数情况下，由大气折射率反演获取水汽剖面的正确性。针对初始温度和反演上边界的问题进行了研究，分析了不同温度及不同上边界条件下水汽剖面反演可能受到的影响，指出了线性迭代方法反演水汽垂直分布中存在的问题。     

基于掩星观测的全球低纬地区电离层不均匀体形态分析

基于气象、电离层和气候星座观测系统（Constellation ObservingSystem for Meteorology, Ionosphere and Climate, COSMIC）掩星闪烁指数观测数据,将遮掩点的位置作为电离层不均匀体出现的位置,对比分析了电离层E区不均匀体和F区不均匀体随时间、空间、太阳活动和地磁活动的变化. 发现E区闪烁主要出现于夏季半球的中纬地区;而F区闪烁主要出现于春秋季的磁赤道和低纬地区,受到地磁场的强烈控制. 除季节因素外,太阳活动对E区闪烁的影响并不是基本的,而赤道异常和赤道附近的F区闪烁受到太阳活动的显著控制:相比太阳活动低年,高年的F区闪烁强度更大,且扩展至更高的纬度. 地磁扰动时,中低纬地区电离层E区闪烁的全球分布与地磁平静时相似,但是闪烁的强度总体上略有增加,尤其是凌晨时段（00:00—06:00LT）;中低纬地区电离层F区闪烁的全球分布也与地磁平静时相似,但是闪烁强度明显增加,且扩展至更高的纬度,尤其是00:00—06:00LT及18:00—24:00LT的太平洋扇区. 两者对比表明,电离层F区闪烁对地磁活动更为敏感. 将COSMIC掩星与天基原位观测的闪烁出现率结果进行对比,发现掩星手段不仅可以反映全球尺度的电离层不均匀体变化特征,包括它随季节/经度、地方时、太阳活动和地磁纬度的变化,而且可以反映电离层不均匀体随高度的变化,这是以往的观测手段难以拥有的.     

掩星观测中电离层延迟对LEO卫星轨道误差的响应

从Haselgrove和Budden方程出发，模拟了GPS信号在电离层中的传播过程，利用GPS/MET实验中5组GPS和LEO卫星的实际轨道，分别模拟了无LEO卫星轨道扰动和有轨道扰动情况下的GPS信号在电离层中的传播，并生成了对应的电离层延迟量，以同步生成的模拟精度序列为参照，就掩星观测中电离层延迟对LEO卫星轨道误差的响应程度进行了估计和分析，初步结果显示：在掩星观测中，电离层延迟对LEO卫星轨道误差的响应比中性层延迟要弱得多，这可能同采用了电离层掩星观测的采样频率比中性层采样频率低两个数量级的技术手段有关。     

各种体制的导航制导系统

0218199LEO 卫星轨道参数对 GPS 掩星数量和分布的影响[刊]/赵世军//解放军理工大学学报(自然科学版).—2002,3(2).—85～89(L)利用低地球轨道 LEO(Low Each Orbit)卫星所载GPS 接收机探测地球大气的分层结构是上世纪80年代后期才发展起来的新技术。不同的 LEO 卫星,将使发生的掩星事件数量和分布有所差别。在一定的大气折射指数分布模型和现有 GPS 星座的假设条件下,利用射线追踪法模拟了掩星事件,并讨论了 LEO 卫星的轨道倾角和高度对掩星事件发生的数量和分布的影响,其结论对实际发射 LEO 卫星时的参数选取具有参考价值。参4     

Accuracies of atmospheric profiles obtained from GPS occultations

Radio occultation studies of the terrestrial atmosphere are possible through the use of signals transmitted by satellites of the Global Positioning System (GPS) and received by one or more other satellites in low earth orbit (LEO). The perturbed phase of the occulted signal gives direct information on the refractivity profile in the region of occultation, from which vertical profiles of density, pressure and temperature can be retrieved. The technique requires the use of the dual GPS frequencies in order to isolate and remove most of the ionospheric effect. Analysis of the effect of the ionosphere and methods of removing it will be presented. For the recovery of atmospheric profiles, two major issues are addressed. The first is how accurately can refractivity be retrieved for a region in which there is a large horizontal refractivity gradient; the second considers the separation of temperature and moisture in the lower troposphere. Based on model simulations, the capability of GPS to provide atmospheric profiles is assessed.     

South Pole温度风速廓线的统计分析

利用2008年South Pole的探空资料,通过大气温度和风速廓线,确定了South Pole地区冬季（6,7,8月）和夏季（12,1,2月）的大气边界层结构,边界层和对流层顶的高度。对近地面的温度、水汽压、风速和风向进行了统计分析。结果表明,South Pole大气边界层大多时候为稳定型,但在夏季也存在不稳定的情况,尤其在1月份较多;夏季夜晚的边界层平均高度为389米,比白天的304米大,冬季夜晚的边界层平均高度为591米,大于夏季夜晚;夏季白天对流层顶平均高度比夜晚略大,分别为6172米和5770米。South Pole高层大气理查森数的倒数基本都小于4,发生湍流的可能性很小。     

珠海2009年夏季激光雷达探测大气边界层高度数据处理

2009年6月20日~7月20日,中国海洋大学利用研制的可移式多普勒激光雷达系统在珠海市国家气候观象台（N22º 4’54”,E113º 12’50”）进行了为期一月的大气观测实验。报道了可移式多普勒激光雷达系统及观测实验,介绍了大气边界层高度检测原理及应用。利用一阶导数方法,对该系统实测数据进行了大气边界层高度检测和分析,讨论了有云存在时如何同时检测云高和大气边界层高度问题。实验结果表明,该区域和时间周期内的大气边界层高度范围在0.3~1.2km之间,平均高度为0.66km。     

Mie散射激光雷达研究成都地区大气边界层结构

基于Mie散射大气激光雷达,对成都地区大气边界层结构随时间变化的特性进行了研究。首先,应用Klett算法对大气激光雷达回波信号进行了反演,得到大气消光系数和后向散射系数。然后,通过对大气后向散射系数曲线进行拟合得到大气边界层混合层高度以及卷夹层厚度等特征参量。基于实测数据对成都地区大气回波信号进行了反演,结果表明,成都地区大气边界层混合层高度较低,卷夹层厚度较薄,且随时间变化的趋势较缓慢,这与成都地区特殊的地理状况有关。     

激光雷达探测大气边界层高度分布的梯度法应用研究

为了研究合肥地区大气边界层结构变化特征,利用偏振拉曼-米散射激光雷达进行了连续探测.首先介绍利用激光雷达回波信号提取大气边界层高度的梯度法,并分析该方法的优缺点.然后对梯度法进行修正,给出具体的实例分析及对比结果.最后利用修正后的梯度法对激光雷达连续测量数据进行大气边界层高度提取,得到合肥地区观测站上空大气边界层的高度分布及时间变化特征.结果表明,实验期间合肥地区的大气边界层高度主要分布在1～1.5 km范围内,平均高度约为(1.28±0.2) km.     

Electric dipole radiation through a finite conical plasma sheath

The ionized boundary layer that forms around a reentry vehicle is represented by a conical sheath having a surface impedance which is determined by the integrated electron density in the boundary layer. This cone can support surface currents that are induced in it by a Hertzian dipole antenna situated on its axis. The radiation pattern of such a structure at wavelengths short compared to the slant height is calculated by a perturbation technique. The calculation holds when the surface conductivity of the sheath varies linearly with distance from the apex of the cone. Plots are presented showing the effects of sheath strength, slant height, and antenna frequency on the patterns.     

天地基综合观测的东日本大地震电离层异常分析

介绍了地震电离层前兆的主要特性,并给出了掩星电离层电子密度峰值位置的标高估计技术。利用天地基电离层观测数据,综合分析了2011年3月11日日本9.0级大地震发生前的电离层异常变化,发现地震前3天内电离层f0F2异常扰动、相对垂直总电子含量(VTEC)扰动以及电子密度峰值处标高(Hs)增加等多种异常现象。分析了地磁活动和太阳活动等因素后,认为其可能与地震有一定关联,表明电离层异常变化对于地震短期预报具有重要参考意义。     

ZnO/Si异质结中的晶界层行为研究

本文利用电容-电压,电流-电压和深能级瞬态谱研究了ZnO/Si异质结的晶界层行为和载流子的输运机制。当存在高密度界面态时,ZnO/Si异质结的载流子输运受到晶界层的控制。我们观察到了有趣的现象,不同测量温度下得到的ZnO/Si异质结正向lnI-V曲线发生交叉,另外得到ZnO/Si异质结的有效势垒高度随着测量温度的下降而下降,这与理想的异质结热发射模型是相矛盾的。本文的随后各节对上面提到的现象做出解释。     

热力非均匀下垫面对流边界层流场结构特征研究

利用对流水槽成功模拟热力非均匀下垫面对流边界层的发生发展.仿照数值模拟中常用的马赛克方法在对流水槽的底部铺了一些导热率缓慢的材料(橡胶薄板),使下垫面的加热存在差异,进而产生非均匀加热.利用温度廓线和准直光系统共同决定边界层顶部的位置和对流速度尺度.采用PTV测量技术获得高精度的二维流场,看到流场具有复杂的空间结构和尺度特征.相对于均匀下垫面来说,底部的非均匀加热使得混合层湍流的组织性得到加强,具有稳定的环流结构.非均匀下垫面对流边界层的方差随高度的变化曲线与均匀下垫面的特征明显不同.为了分析非均匀下垫面对流边界层的环流特征和水平输送对湍流变化的贡献,计算了湍流动能的湍流输送.计算结果表明,加热开始不久,由于不同下垫面的的温差较大,水平输送也较大;而当一段时间后,温差变小,水平输送也变小了.由此可以看出非均匀下垫面对流边界层的水平输送依赖于下垫面的非均匀强度.