COSMIC掩星大气参数反演中电离层影响研究

摘要

GNSS掩星大气探测具有精度高、垂直分辨率高、全球覆盖等优点，在气候研究、天气监测和气象预报等方面发挥着重要作用。电离层误差是GNSS掩星大气探测中的一项重要误差来源，且受电离层高阶项的影响经修正后仍存在残余误差。因此寻求有效的电离层误差修正方法，探究电离层残余误差的特性及其对大气参数反演精度的影响具有十分重要的意义。 本文利用COSMIC掩星数据，基于几何光学反演方法，对电离层修正方法及电离层残余误差特性进行了分析和研究。 （1）COSMIC掩星反演大气参数主要误差源分析。分析多普勒偏差、多普勒频移、接收机噪声、局部多路径效应、时钟稳定性等误差源，表明时钟稳定性、接收机噪声、多普勒偏差及附属周期幅度对大气参数反演精度影响较大。 （2）COSMIC掩星电离层误差修正方法比较。比较分析弯曲角线性组合修正法和相位线性组合修正法，结果证明两种方法均具有一定效果，而35km以上高度弯曲角线性组合法修正效果优于相位线性组合法。 （3）COSMIC掩星事件电离层残差影响研究。利用COSMIC掩星2009年1月5日和2011年1月12日的数据进行分析，实验表明电离层残差与太阳活动强度呈正相关；中高纬地区，电离层残差与纬度呈负相关。 （4）COSMIC掩星电离层残差影响仿真分析。运用MSIS90大气模式和3D NeUoG电离层模式进行仿真分析，结果表明：①L2载波电离层误差大于L1，电离层误差在平流层底部最大为0.1mrad；相较于春秋季节，夏季冬季电离层误差较大，在0-65km范围内弯曲角误差可达0.15mrad。②弯曲角电离层残差随高度升高而增大，在平流层顶部，弯曲角电离层残差相对误差绝大部分在±10%以内，最大为20%；在中间层底部，弯曲角电离层残差相对误差在-10%到40%之间。③电离层残差对大气参数反演精度的影响与地方时相关，且具有季节性变化特征。④统计优化处理可在一定程度上减弱电离层残差对折射率、温度反演精度的影响，且平流层顶部及中间层底部统计优化效果更明显。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 GNSS掩星大气探测国外研究现状

1.2.2 GNSS掩星大气探测国内研究现状

1.2.3 GNSS掩星大气探测中电离层影响研究进展

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

1.4 章节安排

2 GNSS掩星大气探测理论基础

2.1 地球大气有关性质

2.1.1 地球大气组成及垂直结构

2.1.2 地球大气无线电波传播理论

2.1.3 地球大气模型及数值预报模式

2.2 大气探测技术

2.3 GNSS掩星探测

2.3.1 GNSS掩星观测系统

2.3.2 COSMIC掩星观测数据

2.4 本章小结

3 COSMIC掩星大气参数反演分析

3.1 COSMIC掩星大气参数反演方法

3.1.1 物理光学反演方法

3.1.2 几何光学反演方法

3.2 COSMIC掩星反演误差传播规律

3.3 COSMIC掩星反演误差分析

3.3.1 数据来源

3.3.2 多普勒偏差

3.3.3 多普勒频移

3.3.4 时钟稳定性

3.3.5 接收机噪声

3.3.6 局部多路径

3.4 本章小结

4 COSMIC掩星事件电离层误差影响研究

4.1 电离层误差修正方法

4.2 COSMIC掩星事件电离层残差分析

4.2.1 分析方法

4.2.2 单个掩星事件分析

4.2.3 掩星事件统计分析

4.3 本章小结

5 COSMIC掩星事件电离层残差影响仿真分析

5.1 仿真分析方案

5.2 弯曲角电离层残差

5.2.1 电离层误差对弯曲角精度的影响

5.2.2 电离层残差对弯曲角精度的影响

5.3 电离层残差对大气折射率精度的影响

5.4 电离层残差对温度精度的影响

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者简历

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