[发明专利]融合地基GNSS水平梯度的空基掩星大气反演系统构建方法

说明书

本发明提供了一种融合地基GNSS水平梯度的空基掩星大气反演系统构建方法，能够构建高精度的大气水平梯度反演模型，建立可融合该水平梯度模型的空基掩星大气反演系统，以此来消除空基掩星低层大气反演中的球对称假设。首次提出了构建基于两者融合的高精度低层大气剖面反演系统的方法，以最大化发挥它们之间的互补性，同时提出利用实测的空基实验数据，完成基于新提出方法的掩星大气反演，与实验期间探空气球结果做比对，完成对该反演系统的有效性的分析论证和改善，最终构建一套融合地基GNSS大气反演结果的空基掩星探测系统。

技术领域

本发明涉及大气反演技术领域，具体涉及一种融合地基GNSS水平梯度的空基掩星大气反演系统构建方法。

背景技术

随着地基GNSS技术的发展，以及包含我国北斗在内的新一代的GNSS的不断发展和完善，基于多系统的地基GNSS观测值在空间分布上更加均匀，为研究大气各向异性分布提供了丰富的观测信息。北斗卫星导航系统作为我国自主开发的卫星导航系统，在大气探测领域有着极为广泛应用前景，特别是我国北斗系统的地球同步轨道静止卫星(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)，因其信号穿过大气的路径保持不变，从而可以将斜路径总延迟作为一个参数直接估计，而不需要借助天顶延迟和映射函数的方式。理论上讲，利用GEO直接求解的斜路径延迟比映射法得到的斜路径大气延迟具有更高的精度，可以对其它GNSS卫星(非GEO)求解的梯度参数精度进行分析验证。同时，多系统GNSS的发展也使得掩星接收机在数目不变的情况下，掩星事件数目成倍增加，大大提高掩星反演大气折射率的精度和时空分辨率。

但是，目前地基GNSS大气反演的研究重点在于如何获得高精度的大气可降水量(precipitable water vapor，PWV)，对于不同地形和天气状况下的水平梯度模型缺乏深入研究。同时，对于如何融合外部大气梯度信息，以提高空基掩星在10km以下具有丰富水汽含量的低层大气反演精度，也缺乏系统的理论研究和实验验证。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种融合地基GNSS水平梯度的空基掩星大气反演系统构建方法，能够构建高精度的大气水平梯度反演模型，建立可融合该水平梯度模型的空基掩星大气反演系统，以此来消除空基掩星低层大气反演中的球对称假设。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种融合地基GNSS水平梯度的空基掩星大气反演系统构建方法，包括如下步骤：

基于ERA5大气再分析资料的水平梯度特性进行建模分析，得到大气水平梯度的时空变化特性；估计地基GNSS大气水平梯度参数；基于克里金插值方法进行大气水平梯度格网建模；

利用传统掩星反演方法求得总的大气弯曲角、碰撞参数及掩星切点，同时采用传统方法确定大气折射率；对ERA5利用射线追踪的方法求解大气弯曲角和大气折射率，对比分析采用球对称假设的方式确定的大气弯曲角和大气折射率，研究球对称假设对掩星反演的误差影响的规律；确定最优的球基掩星反演方法，在完成总弯曲角计算后，利用Abel变换求解大气折射率；对融合先验梯度信息的Abel逆变换大气反演方法采用模拟的新的空基掩星事件对其进行精度验证，若精度验证不合格则重新仿真空基掩星实验，融合新的先验梯度信息，寻求最优的融合先验信息的球基掩星反演方法，直到精度验证合格，最终确定最佳的融合先验信息的球基掩星反演方法。

其中，在利用GNSS相位和振幅观测值进行信号弯曲角计算过程中，首先利用大气梯度模型对大气折射中心进行修正，使得局部大气在修正的大气折射中心和掩星切点连线两侧大致符合大气球对称假设，从而利用传统掩星反演方法求得总的大气弯曲角、碰撞参数及掩星切点。

其中，通过在大气弯曲角积分公式中添加大气水平梯度信息，推导包含该先验信息的Abel逆变换公式，得到融合先验梯度信息的大气折射率计算公式。