[发明专利]一种观测系统对全球电离层数据同化性能的影响评估方法

说明书

本发明公开了一种观测系统对全球电离层数据同化性能的影响评估方法，包括如下步骤：步骤A，地基和天基观测系统基本参数输入；步骤B，GNSS卫星和LEO掩星卫星的轨道坐标计算；步骤C，地基和天基电离层观测数据仿真；步骤D，基于Kalman滤波的全球电离层数据同化；步骤E，电离层TEC和电子密度同化性能评估。本发明所公开的方法，对观测系统采用仿真试验手段（OSSE），利用NeQuick模型模拟生成不同观测手段“真实”的观测数据，同时基于Kalman滤波同化算法对各种观测系统的观测数据进行同化处理，并采用总电子含量（TEC）和电子密度（Ne）的技术分（Skill Score）评估方法，对各类观测系统及其组合对全球电离层数据同化性能的影响进行定量评估。

技术领域

本发明属于空间电离层环境数值预报领域，特别涉及该领域中的一种观测系统对全球电离层数据同化性能的影响评估方法。

背景技术

作为一种在现代气象数值天气预报中广泛应用的技术，数据同化是实现空间环境的现报和预报从气候学研究转向天气学应用的热点方向。数据同化能够实现对各种来源的观测数据的综合利用，把各种时空上不规则的零散分布的观测资料“吸收”到背景模式中，从而实现观测数据与背景模式的互补融合。随着人类对电离层现报和预报要求的不断提高，数据同化方法开始在电离层研究领域蓬勃发展。

电离层垂直探测仪(简称垂测)是最早也是目前最为常用的电离层探测手段之一，多年以来，国内外先后构建了一系列的电离层垂测网，累计了大量的电离层观测数据，这些为电离层数据同化提供了重要的数据支撑；地基GNSS探测是目前应用最为广泛的电离层探测手段，自上世纪90年代以来，随着全球卫星导航系统的发展，利用地基广泛分布的GNSS接收机监测电离层的时空变化获得了巨大的成功。当前，国际GNSS服务组织(IGS)已经公开发布数据的地基GNSS台站已经超过800个。此外，掩星探测在空间天气领域开始崭露头角，COSMIC、GRACE、SWARM等卫星均搭载了掩星接收机进行电离层探测；美国地球光学公司Planet IQ计划部署18颗卫星组成“持续地球无线电掩星群计划”(CICERO)星座，美国Spire卫星公司通过风险投资的形式，计划完成超过100颗小卫星组成的掩星探测星座。随着LEO掩星数量的逐步增加，基于小卫星星座的GNSS掩星观测数据的空间和时间分辨率正在快速提升，基于天基掩星数据的全球电离层数据同化将成为电离层精确估计的重要数据来源。

观测系统仿真试验(OSSE)作为一种数值试验，通常用于定量评估气象学界在气候分析和天气预报方面的潜在改进，OSSE既可以检验同化方法的有效性，也可以检验观测系统的有效性，是一种常用的试验手段。OSSE的框架通常包括观测系统数据模拟和数据同化两部分。在OSSE中，观测系统数据模拟是通过对观测系统应用前向观测算子模拟生成“真实”的观测数据；而数据同化部分则对这些观测数据进行同化处理和性能评估。OSSE是目前评估并优化观测系统设计最为重要的技术手段之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是针对全球电离层观测站网的设计和优化需求，提供一种观测系统对全球电离层数据同化性能的影响评估方法。

本发明采用如下技术方案：

一种观测系统对全球电离层数据同化性能的影响评估方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤A，地基和天基观测系统基本参数输入：

步骤A1，读取地基观测系统的配置参数，获取地基垂测、GNSS接收机的地理经纬高坐标和GNSS接收机的观测截止角；

步骤A2，读取天基观测系统的配置参数，获取GNSS卫星和LEO掩星卫星的两行轨道TLE星历、掩星接收机可视角FOV；

步骤B，GNSS卫星和LEO掩星卫星的轨道坐标计算：