2004, 15 (2): 174-180
建立在坚实的理论依据和技术基础之上,美国于1995年4月3日首先发射了用于GPS掩星技术遥感地球大气的低地球轨道卫星(LEO)Microlab-I,它的观测结果充分证实了GPS掩星技术探测地球大气的可行性和科学意义[1],从而提供了一种新的探测地球大气的方法,引起了国际同行的广泛关注。每颗LEO卫星在现有GPS星座下,每天可发生大约600多次掩星事件,从而得到600多条大气折射率廓线以及温度、气压、湿度廓线。若发射多颗LEO卫星进行掩星观测,并选择适当的轨道参数则可获得全球分布的更多的探测资料。目前,丹麦、南非、德国、阿根廷都相继发射了用于GPS掩星探测的LEO卫星,欧洲的ACE+计划以及美国与中国台湾地区合作的COSMIC计划(均由6颗LEO卫星组成)也正在积极运作中。
在一次掩星事件发生的过程中(持续时间约1 min),GPS射线从横切中性大气层顶到横切地球表面,随着时间的变化,掩星切点(射线离地球最近的点)不仅高度上发生变化,而且,掩星切点在水平方向上也会发生变化[2],这种变化称之为掩星切点的水平漂移。一次掩星事件切点水平漂移的区域跨度很大,从地面到中性大气层顶,掩星切点跨度一般在二、三百公里以上。考虑到掩星反演的结果实际代表的是射线路径上的平均情况,因此GPS掩星测量的是水平方向几百公里的移动平均值,从而限制了掩星探测结果在中、小尺度天气上的应用。
要使GPS掩星探测结果能有效地应用于气象研究,必须了解掩星探测的数量和分布规律,以及掩星切点的水平漂移变化规律。在文献[3]中,我们已经研究了LEO卫星轨道参数对掩星数量和全球分布的影响情况,在此将进一步探讨GPS掩星切点水平漂移与大气折射指数垂直分布、LEO卫星的轨道参数(倾角和高度)的关系,从而了解GPS掩星切点水平漂移的变化规律,以便发射LEO卫星选择轨道参数时,能充分考虑到所需探测的大气尺度的大小,使之适应实际气象应用的需要。
1 计算方法(1) GPS卫星和LEO卫星的位置模拟利用实际某参考时刻的24颗GPS卫星星历和经过地球非球形摄动力修正后得到的LEO卫星星历,根据卫星轨道计算模式计算得到这25颗卫星在未来一天中任意时刻所处的位置坐标。
(2) 掩星事件的确定在大气二维球对称假设下,掩星事件的发生与LEO卫星和GPS卫星之间的地心夹角有关。设发生掩星时,射线横切中层顶(约86 km)和地表(0 km)时的地心夹角分别为θ1 和θ2,则当GPS和LEO地心夹角θ满足关系式θ1 ≤θ≤θ2 时,就可以判断发生了掩星事件。当θ从小到大变化时,则为下沉掩星,反之为上升掩星。如果θ完全从θ1 变化到θ2,则为完整掩星,反之则为不完全掩星。这样可以达到掩星种类的区分。
本文首先根据中性大气层和电离层的不同物理特性,建立了具有代表性意义的全球大气折射指数垂直分布模型,然后利用射线追踪法[4]仿真GPS信号从GPS卫星到LE卫星的传输过程,从而确定GPS掩星发生时的θ1 和θ2 值。最后计算一天中每一时刻每颗GPS卫星与LEO卫星之间的地心夹角,根据上述GPS卫星和LEO卫星间的地心夹角约束关系,确定是否发生掩星事件。
(3) 水平漂移的计算当确定了掩星事件发生后,根据GPS卫星和LEO卫星的位置坐标,通过射线追踪法确定射线近地点(切点)所在处的坐标,并将此坐标投影到地球表面上得到切点投影点。在一次掩星事件中,投影点在地球表面上会发生水平漂移。根据漂移轨迹,计算其几何中心作为本次掩星事件在地球上的位置,并求出水平漂移的大小。
由于利用掩星探测结果来反演大气参数垂直廓线,是基于大气球对称假设的基础之上的,而大气球对称假设不能无限制外推,为此,我们在下述讨论中只考虑了切点水平漂移小于600 km的掩星。
2 大气折射指数垂直分布对掩星切点水平漂移的影响实际大气中的折射指数垂直分布随季节、一天中的不同时刻、太阳活动情况的不同而变,为了讨论方便,我们选择了太阳活动剧烈时的两种典型大气折射指数垂直分布: 一种为白天的情况,另一种为夜晚的情况。通过模拟这两种情况下一天中发生的掩星事件,来研究不同大气折射指数垂直分布对GPS掩星切点水平漂移的影响。
(1) 廓线一
假设h >1000 km的地球大气折射指数为0。对h ≤86 km的中性大气,采用中国绝大多数地区都符合的单指数模型[5]:
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(1) |
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(2) |
对电离层,采用2个Chapman廓线的组合来表示电离层E层和F层的电子浓度分布[6],未考虑F1层和D层:
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(3) |
式中Ne(h0) 为最大电子浓度,h 为距地面的高度,h0 为最大电子浓度距地面的高度,为尺度高度。在太阳活动剧烈时的白天典型情况下,对E层,取Ne(h0) =2×1011-3,h0=105 km,H=5 km ; 对F层,取Ne(h0) =3×1012m-3,h0=300 km,H=60 km。在电离层中,大气折射指数与电子浓度和电磁波频率的关系为:
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(4) |
(2) 廓线二
对中性大气(h ≤86 km),采用国际电信联盟(ITU)所属的国际无线电咨询委员会(CCIR)建议采用的作为世界性的折射指数参考大气模型[5]:
其中h为距地面的高度。
对电离层,由于白天和夜晚的电子浓度一般相差在一个数量级,因此,将层和F层白天时的峰值电子浓度减小一个数量级,得到夜晚时的电离层电子浓度分布。然后再根据式(4) 得到电离层中折射指数分布廓线二。两条大气折射指数分布廓线如图 1 所示。
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| 图 1. 大气折射指数垂直分布图 | |
以近似Microlab-I轨道参数为例(倾角70°,高度735 km),用上述大气折射指数分布廓线计算得到的水平漂移结果列于表 1。为了讨论不同纬度地区掩星切点水平漂移情况,我们把地球按照纬度分为: 低纬地区(0°～30°纬度)、中纬地区(30°～60°纬度)和高纬地区(60°～90°纬度)。
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表 1 两种大气折射指数垂直分布时的水平漂移 |
从表中可以看到,两种情况下发生的所有掩星的切点水平漂移平均分别为433.725 km和413.032 km,并且在中纬地区的切点平均水平漂移均比高纬和低纬地区大,低纬地区切点平均水平漂移最小,中纬地区平均要比低纬地区约大36 km。比较两种大气折射指数廓线下的切点水平漂移,可发现无论是所有掩星事件平均,还是按不同纬度平均,两者相差均约20 km左右。总的来说,一天中大气折射指数分布廓线变化所引起的掩星切点水平漂移的变化,相对于掩星切点水平漂移的地理分布变化要小些。
3 轨道倾角对掩星切点水平漂移的影响基于大气折射指数分布廓线一,固定LEO卫星的轨道高度(735 km),通过改变轨道倾角进行数值模拟,研究LE轨道倾角对掩星切点水平漂移的影响规律。不同轨道倾角下一天的掩星事件切点平均水平漂移的计算结果如图 2 所示。
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| 图 2. 不同轨道倾角下掩星切点水平漂移变化 | |
由图 2 可以看到,随轨道倾角的增加,掩星切点的平均水平漂移首先不断减小,在55°附近出现波动,然后继续减小到约130°后又开始增加。当轨道倾角为10°时,切点平均水平漂移为38 km ; 当轨道倾角为130°时,切点平均水平漂移达332 km,两者相差49 km。由此可见,不同的LEO卫星轨道倾角对掩星的切点水平漂移有较大影响,倾角接近于0°或180°时,由于LEO卫星在赤道上空运行,因此其与GPS卫星之间的掩星事件大多发生在中低纬,水平漂移较大; 当轨道倾角在130°附近时,此时LEO卫星的轨道平面与某一GPS卫星的轨道平面(其倾角为55°)几乎重合。而且GPS卫星和LEO卫星向相反方向运动,掩星事件的持续时间短,掩星的切点水平漂移也最小。在其它轨道倾角时,随二轨道面之间的夹角和卫星的运动方向的不同,掩星事件的持续时间变化不一,掩星的切点水平漂移也不断变化。深入讨论轨道倾角变化对水平漂移的影响是相当复杂的,因为还需要考虑到LEO卫星的升交点变化的影响。
为了了解不同纬度地区在不同轨道倾角下掩星事件的切点水平漂移情况,我们分别进行了统计,结果如图 3 所示。可以看到,低纬地区的掩星切点水平漂移随倾角的变化较小,而中纬地区和高纬地区则变化较大,变化曲线以90°倾角近似对称。LEO卫星轨道倾角和地球赤道平面夹角较小(倾角小于30°或大于150°)时,高纬地区几乎不发生掩星事件[3],此时中纬地区的切点水平漂移比低纬地区显著增大; 而夹角较大(倾角为60°至110°)时,各纬度地区的切点水平漂移相差不大,高纬地区稍小。
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| 图 3. 不同轨道倾角下不同地区掩星切点的水平漂移变化 | |
4 轨道高度对掩星切点水平漂移的影响
在大气折射指数分布廓线一的情况下,固定LEO卫星的轨道倾角(70°)下,通过改变轨道高度进行数值模拟,来研究LEO卫星轨道高度的变化对掩星事件的切点水平漂移的影响。不同轨道高度下一天的掩星事件的切点水平漂移的统计结果如图 4 所示。
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| 图 4. 不同轨道高度下掩星事件的切点水平漂移变化 | |
由图 4 可以看到,掩星切点的平均水平漂移随轨道高度的增加而单调减小。当轨道高度为400 km时,切点平均水平漂移为435 km,当轨道高度为1500 km时,切点平均水平漂移为29 km,相差141 km。由此可见,LEO卫星的轨道高度对掩星切点水平漂移的影响也比较大。
进一步对掩星事件的切点水平漂移按纬度分别进行统计,其结果如图 5 所示。可以看出,在LEO卫星倾角为70°的情况下,对一定的轨道高度,高纬地区的切点平均水平漂移最小,低纬地区次之,中纬地区大,但在轨道高度约小于450 km时,中纬地区掩星切点平均水平漂移略比低纬地区小。而对不同纬度,切点平均水平漂移均随轨道高度的减小而单调增加。
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| 图 5. 不同轨道高度下不同地区的掩星事件的切点水平漂移变化 | |
5 结语
利用低地球轨道(LEO)卫星上的GPS接收机进行地球大气掩星探测,是一种新的地球大气探测手段。由于在整个掩星事件中,GPS射线的切点从中性大气层顶到地球表面将会有较大的水平漂移,因而反演出的折射率或温度廓线,实际上代表的是较大水平范围的平均情况。由于反演结果常表示为某一地点的折射率或温度垂直分布情况,因而在使用这些掩星探测资料时,应特别注意其所代表的水平尺度。
本文在一定的大气折射指数分布模型和现有GPS星座下,利用射线追踪法对掩星事件进行了数值模拟,讨论了大气折射指数垂直分布、LEO卫星的轨道倾角和高度对GP掩星切点水平漂移的影响情况,结果表明:
(1) 在太阳活动较强的白天和夜间两种典型大气折射指数垂直分布情况下,切点平均水平漂移变化不大。中纬地区的切点平均水平漂移要稍大于高纬和低纬地区。这也表明在LEO轨道参数一定的情况下,由于一天中大气折射指数的变化引起的切点水平漂移变化不大。
(2) 在LEO卫星的轨道高度为735 km的情况下,当其轨道倾角在130°附近时,切点平均水平漂移最小,其后随着轨道倾角接近0°或180°,切点平均水平漂移均增大,其中倾角在55°附近时,平均水平漂移变化稍有波动。
(3) 在LEO卫星的轨道倾角为70°的情况下,切点平均水平漂移随着轨道高度的增加而单调减小,且变化较明显。
掩星切点的水平漂移主要由相对地球运动的GPS发射机和接收机所决定。当发射机和接收机相向运动时,发生的掩星事件持续时间较短,相应的水平漂移也较小。在切点从中性大气层顶向地表下降的过程中,切点水平漂移与其下降高度的比值也不断增加,从而使得接近地表时的折射率反演精度降低[2]。
本文在大气球对称假设下,对切点水平漂移变化规律进行了初步讨论。为了深入讨论切点水平漂移的变化规律,还需要进一步在实际大气的情况下,综合考虑LEO卫星的倾角、高度和升交点等因子。
由于切点水平漂移代表了反演结果的水平尺度,因而为了使得反演结果对气象应用有效,在发射LEO卫星时,应选择适当的轨道参数,本文所得结论对轨道参数的选取也有一定的参考价值。
| [1] | Ware R, Exner M, Feng D, et al . GPS sounding of the atmosphere from low earth orbit:Preliminary results. Bulletin of the American Meteorological Society, 1996, 77, (1): 19–38. DOI:10.1175/1520-0477(1996)077<0019:GSOTAF>2.0.CO;2 |
| [2] | Kursinski E R. The GPS Radio Occultation Concept:Theoretical Performance and Initial Results. In Partial Fulfillment of The Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy,California Institute of Technology Pasadena,California,March 17,1997. 3-45～3-47. |
| [3] | 赵世军, 孙学金, 廖仿玉, 等. LEO卫星轨道参数对GPS掩星的影响. 解放军理工大学学报(自然科学版), 2002, 3, (2): 85–89. |
| [4] | Fjeldbo G, Kliore A J, Eshleman V R, The neutral atmosphere of Venus as studied with the Mariner V radio occultation experiments. Astronomy Journal, 1971, 76: 123–40. DOI:10.1086/111096 |
| [5] | 电波传播--超短波·微波·毫米波, 北京: 电子工业出版社, 1990. |
| [6] | Stig Syndergaard, On the ionosphere calibration in GPS radio occultation measurements. Radio Science, 2000, 35, (3): 871. |