1、利用地球衛(wèi)星的無線電掩星技術(shù)利用地球衛(wèi)星的無線電掩星技術(shù)一一波動說處理法第1章利用地球衛(wèi)星進行無線電掩星的背景和概述第1章利用地球衛(wèi)星進行無線電掩星的背景和概述1.1 引言本書關(guān)注無線電掩星過程中電磁波的相位和振幅。電波來自遙遠的發(fā)射機，穿過中間介質(zhì)到達接收機。接收機在掩星事件過程中測量電波的相位和振幅。利用這些測量值序列可推斷中間介質(zhì)的物理特性。無線電掩星是一種探測技術(shù)，遠方航天器發(fā)射的無線電波在到達接收機前穿過中間的行星大氣。所謂“掩星”、“被掩”或者“星掩”是指發(fā)射機、行星及其大氣、接收機的幾何關(guān)系隨時間的變化。雖然通常涉及掩或者星食（或月食）的行星，最近使用這個詞時也包括了無星掩事件的

2、情況，例如,通過電離層的航天器對航天器的探測或接收從反射而來的反射波。從嚴格掩星的接收機看，發(fā)射機可從被掩行星的邊緣升起或落下.當來自發(fā)射機的無線電波經(jīng)過中間大氣層時，折射介質(zhì)會改變其傳播方向和速度。因此，相對于無中間介質(zhì)或無掩行星情況下保持不變的相應(yīng)值，接收機處電波的相位和振幅均發(fā)生了改變。隨著時間的演化，接收機處就產(chǎn)生電波相位變化和振幅變化的剖面并被接收機記錄。這些剖面可提供中間介質(zhì)的折射特性信息。在地震學(xué)中，使用分布在一定地理范闈內(nèi)的地震波檢測陣列研究從遙遠地虎傳到每個地震波檢測器上的各種類型的地虛波。使用這種陣列，可以測量波到達陣內(nèi)不同站的不同時間和各種波的譜特性。從這些觀測量中可導(dǎo)出

3、各種波經(jīng)過的不同路徑和介質(zhì)的某些物理特性。在無線電掩星中，提供類似信息的是掩星過程中一對發(fā)射機/接收機的運動學(xué)。1.1.1 掩星技術(shù)的歷史18世紀測量月球掩恒星的掩始和掩終時刻的天文觀測可能是掩星技術(shù)最早的科學(xué)應(yīng)用。這種測量月球距離的方法成為18世紀和19世紀海員實現(xiàn)高精度格林尼治時的守時來確定海上經(jīng)度的常用方法，用于取代昂貴計時器，甚至在遠距離航行中可校準航海計時器。它主要取決于精確的月球星歷表。月球星歷表又取決于相對恒星背景的月球精確天文觀測和良好的月球軌道動力學(xué)理論。很多年以后，才將月球臨邊作為個峰脊，獲得來白某些類星體的微波衍射圖形口。該衍射圖的條紋間隔和振幅提供了來自這些致密射電源的

4、輻射密度角分俗信息。同樣，當恒星被行星掩的時候，通過分析在掩始和掩終期間發(fā)生的恒星折射和閃爍效應(yīng)來研究行星大氣層2-4o幾乎在行星探測初期就開始使用航天器的無線電掩星技術(shù)來探測行星大氣層。1964年第一個到達火星的探測器（水手4號）沿著一條從地球上看似穿過火星背面的軌道飛行5,6。當水手4號經(jīng)過火星背面從另邊出現(xiàn)時，觀測到水手4號和地基射電望遠鏡之間無線電鏈路的附加載波相位延遲和振幅變化，提供了有關(guān)火星的特別稀薄大氣層及其電離層的密度信息7。此后，在行星探測任務(wù)中進行了許多次試驗，來研究太陽系中幾乎所有行星的大氣層，包括研究土星的衛(wèi)星和土星環(huán)812.1.L2利用地球衛(wèi)星的掩星理論上說，用任何兩

5、顆互相配合的衛(wèi)星，就可以完成用掩星技術(shù)對地球大氣層和電離層的探測。在全球定位系統(tǒng)（GPS）開始工作前，進行了一些早期的利用衛(wèi)星擬衛(wèi)星間跟蹤鏈路的無線電掩星試驗，其中包括和平號軌道空間站和地球靜止衛(wèi)星之間13、GEOS擬3與ATS擬6之間14的無線電鏈路。然而，本書主要集中在低地球軌道航天器（LEO）的星載GPS接收機在GPS衛(wèi)星被地球臨邊掩的時候跟蹤GPS衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號測量到的載波相位和振幅上15。1995年發(fā)射的MicroLab擬1卜.進行的掩星試驗GPS/MET（全球定位系統(tǒng)/氣象學(xué)）是第一次用GPS進行的掩星試驗16口9。雖然是試驗性的，使用來自GPS/MET的超過11000次掩星來

6、復(fù)原折射率、密度、壓力、溫度和水蒸氣剖面19。GPS/MET提供了權(quán)威的掩星技術(shù)概念的工程驗證結(jié)果，n數(shù)據(jù)集成為了具有GPS掩星能力的后續(xù)地球衛(wèi)星改進跟蹤能力和數(shù)據(jù)處理方案的試驗平臺。GPS/MET還成為評估該技術(shù)在不同應(yīng)用中科學(xué)和社會價值的基礎(chǔ)，這些應(yīng)用包括氣象學(xué)、邊界層研究、數(shù)值天氣預(yù)報（NWP）和全球氣候變化等。此后，還發(fā)射了CHAMP（2001.挑戰(zhàn)微小衛(wèi)星有效載荷衛(wèi)星）20,SAC擬C（2001,氣候應(yīng)用衛(wèi)星）和GRACE（2002,重力測量和氣象實驗衛(wèi)星）等衛(wèi)星，現(xiàn)在還通過這些衛(wèi)星或多或少地不斷進行著無線電掩星觀測21。這些衛(wèi)星每天分別能返回近1000次掩星觀測數(shù)據(jù)。未來一些實用航

7、天任務(wù)已被列入計劃，例如，專門用于掩星的低地球軌道氣象、電離層和氣候結(jié)構(gòu)星座觀測系統(tǒng)（COSMIC）將在2005年發(fā)射22-24»該系統(tǒng)將利用每天大約4000次全球分布的掩星觀測數(shù)據(jù)給出準實時探測信息，這將被納入到NWP工程中。而且，如俄羅斯GLONASS那樣的其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSSs）和歐洲正在計劃的GaHleo系統(tǒng)那樣的未來導(dǎo)航系統(tǒng)，將拓展專用衛(wèi)星對衛(wèi)星掩星任務(wù)的觀測機會25,26。圖1擬1低地球軌道器的掩星91圖1擬1示意地描述包括一顆LEO衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星星座的典型掩星場景。在下落掩星中，從LEO處看到將從地球臨邊落下去的被掩GPS衛(wèi)星。所分析的穿過中性大氣（海平面高

8、度上約100km）的典型掩星的持續(xù)時間小于100s°來自GPS衛(wèi)星的射線以近地平的下降速率通過地球大氣的上層而在地球切點處掠過最深層。這里所說的射線可以用GPS發(fā)射載波的同相面法線來確定。經(jīng)過切點后，射線開始以其近地平的上升速率穿過卜.層大氣，走出大氣層，繼續(xù)到達LEO。射線最大的總折射彎曲非常小，在燥大氣中約為1°。水蒸氣，特別是對流層下部切點處造成的附加折射可使穹曲角增大2倍或3倍。小彎曲處剖而是“稀薄”大氣的標志。卜燥大氣在微波頻率上的折射指數(shù)與光的差不多。日落時地面觀測者看到的視太陽在其直徑方向折射約0.5。°在太陽卜邊緣接近地平時，在太陽呈方向狀，顯然為

9、干燥大氣折射隨高度梯度（近指數(shù)）的緩變趨勢。從邊緣底部來的射線一般比邊緣頂部的射線彎曲大。某些日落時出現(xiàn)的斷裂狀太陽盤是由于在低高度上折射率剖面突然偏離緩變趨勢引起的.從被掩G"星到達LtO的射線可能并不是唯一的，在幾何光學(xué)范疇中實際上扶至可能并不存在。出于方便假設(shè)在圖1擬1中的觀測時刻射線存在且是唯一的。射線相對當?shù)氐任粍菝娴念i斜角非常小,在卜燥大氣中離切點100km處大約為1°,隨射線路徑與切點距離線性增大。距切點400km處，射線高度約大于10km。由于卜燥大氣密度隨高度近指數(shù)減小，在給定時刻有關(guān)大氣層的大多數(shù)信息都包含在切點附近相對狹窄的射線段內(nèi)，長度為幾百千米27

10、。在下落掩星中，隨著時間演化，到達LEO射線的切點一般更深入大氣層。對選作分析的掩星，切點卜.降相對于當?shù)卮咕€的初始橫向角一般小于30,.由于大氣密度隨深度增加，LEO上觀測到的附加相位延遲（只是折射介質(zhì)引入的附加相位）在掩星過程中持續(xù)增大，直到射線切點接近或接觸到行星表面。當水蒸氣很豐宓且其密度的垂直梯度很大時，在地表附近的總附加延遲可超過2km,折射彎曲角高達4°.在對流層下部散焦和多徑變得很強烈，可能在射線觸地面之前，信號振幅衰減至檢測門限以下，提的數(shù)秒（有時達幾十秒）結(jié)束掩星。然而，有時幾秒鐘后信號乂恢復(fù)。有時在非常平滑的折射率條件下，在來自GPS衛(wèi)星的宜接信號完全被蝕之前，

11、相位和振幅中可看到來自地球臨邊的峰音衍射圖或來自海而反射的涉條紋28,29。平均而言，CHAMP的全球總掩星的80%以上到達地表1km以內(nèi)，60%到達l/2km以內(nèi)21。今后，在LEO的星載GPS接收機實施新的信號跟蹤算法后，該統(tǒng)計量還會增大。圖1擬2是GPS/MET試驗的早期掩星結(jié)果18。這里給出了掩星最后90s時間內(nèi)L1載波的附加相位延遲（單位為m）及其時間導(dǎo)致，以及附加多普勒（單位為Hz）。圖中，下而的橫坐標為協(xié)調(diào)世界時（UTC）,取線性刻度；上面的橫坐標表示射線路徑切點的高度,取非線性刻度。因為射線的折射彎曲角大致隨深度增加，大氣的折射梯度隨深度顯著增加實際上減慢了切點的平均下降速度。

12、因此，LEO必須沿著其軌道走得更遠,才能截獲到這些逐步深入穿透、受折射更嚴重的射線。接近地球表面時，切點平均下降速度一股比它在大氣層上部的值要小一個量級。圖1擬21995年4月25日由MicroLab擬1上GPS/MET試驗設(shè)備觀測到的GPS28號PRN星的某一次掩星的附加多普勒和相位剖而，接近帕果擬帕果（東薩摩亞首府）（根據(jù)文獻18而繪）圖1擬3是同一次掩星的L1載波振幅18。縱軸SNRV是以V為單位的信噪比（SNR）,適用于L1載波振幅各測量值在15時間上取均值的情況.該圖的實際采樣速率為50Hz,即平均采樣間隔為20ms。因此，圖中各點的熱噪聲（約1/SNRV）比所示的SNRV值大50倍

13、。圖1擬3圖1擬2中所示同一次掩星中觀測到的L1載波的電壓SNR隨時間變化（根據(jù)文獻18重繪）該圖清楚表明了折射梯度隨深度增加引起的緩變散焦。折射梯度使逐步變深的離開大氣層后的射線方向散開；梯度實際上使射線偏斜，使射線擴散在更大面枳上，從而使LEO處的功率減弱。正比于Aa的準直小面枳（如圖1擬4（a）所示卜與LEO處形成的正比于AO的非準直面積之比就是散焦因子。附錄A中推導(dǎo)了這個因子的一個簡單形式：AQ=<=1-Ddada-l（l.l擬1）式中,D實際上是從地球邊緣到LEO的距離，da/da是折射彎曲角a的徑向梯度。圖1擬4(b)所示多徑較小，圖1擬4從LEO上觀測的掩星中折射梯度引起的

14、不同彎曲(a)隨深度而增大的折射梯度引起的一組有規(guī)律的射線，無多徑效應(yīng);(b)非單調(diào)折射梯度造成的陰影區(qū)和多徑有一個da/da短時間變大的陰影區(qū)。陰影區(qū)和來自多徑波的卜涉都會導(dǎo)致SNR變化。圖1擬3中的SNRV的緩變趨勢實際上由(l/2(SNRV)o給出,其中(1/2是大氣造成的散焦,(SNRV)。是無行星及其中間大氣層時LEO接收到GPS信號的電壓SNR,即所謂“自由空間”中的值.除了緩變散焦效應(yīng)，該圖還顯示了當射線的切點經(jīng)過電離層下部某些劃分很窄的水平層和它經(jīng)過對流層頂層時信號振幅的強瞬變。這些瞬變反映出從電離層和大氣層的不同高度同時到達LEO的不同射線之間存在多徑引起的涉。當主射線的切點

15、進一步向下切入大氣層中相接層到達對流層的中部和下部，該圖中的強干涉現(xiàn)象可能是由水蒸氣濃度變化引起的。在相位和振幅上觀測到的這些瞬變引起大量問題，其中有一些比較容易處理。使用后向傳播和譜技術(shù)在處理多徑方面取得了明顯進展。射線理論的難點是振幅的深槽、陰影區(qū)、超折射事件和焦散等。當射線理論自身的有效性受到損害時，這些技術(shù)解決問題的效果究竟如何仍有待確定.與許多瞬變對應(yīng)的低SNR,也使得經(jīng)過它們時LEO上觀測相位的測量量保持連通發(fā)生困難。我們后面將轉(zhuǎn)向討論這些話題。1.1.3 全球定位系統(tǒng)GPS由美國空軍(USAF)運行控制。GPS的系統(tǒng)及其播發(fā)的導(dǎo)航信號結(jié)構(gòu)描述可見文獻30,31和許多互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站，這

16、里僅說明幾個細節(jié)。GPS星座由24顆衛(wèi)星和一些在軌備用星組成，基本全球分布，宜至緯度55°。它們的軌道是半長軸約為4.1個地球半徑的近圓軌道，與赤道成55°傾向。從LEO上平均每23min可以看到一次GPS衛(wèi)星從地球臨邊升起或落下，即每天大約幾百次。掩星切點的地理分布幾乎是全球的，但是實際分布一定程度上還取決于LEO軌道面的傾角及其軌道高度。例如，一顆極軌LEO在赤道區(qū)送回的切點少一些，因為GPS的軌道傾角僅為55°,從該LEO在極方向上看到的被掩GPS更少。圖1擬5是所研究:的CHAMP衛(wèi)星掩星中在2001年約一個月的時間內(nèi)得到的切點全球分布。赤道區(qū)切點的密度較

17、低，這反映了CHAMP近極軌的軌道傾角。該地理分布還表明了由兩衛(wèi)星軌道周期之間可通約性得到的不明顯的群集和條紋。這些掩星中大致有1/3可探測到來自地球表面的反射射線29。圖1擬52001年5月14日至6月10日期間從CHAMP獲得的近4000次掩星的地理分布（根據(jù)文獻29重繪）GPS衛(wèi)星播發(fā)導(dǎo)航信號的波束是定向的，它們基本上以全功率籠罩整個地球。它們輻射功率分布波瓣的3dB點在地球表面上方1400km處。這樣，軌道半徑一般在該3dB門限高度以下LEO上的GPS接收機可達到與地面接收機相同的性能.每顆GPS衛(wèi)星通過發(fā)射的無線電信號載波相位的相干調(diào)制連續(xù)播發(fā)一組方波碼。這些播發(fā)衛(wèi)星特有的偽碼都是偽

18、隨機的和互相正交的，可用于測距、發(fā)送星歷和定時信息。偽碼的相互正交特性使接收機可以利用互相關(guān)技術(shù)將接收到的指定衛(wèi)星的廣播信號與其他衛(wèi)星的信號分離，并行處理接收機視場內(nèi)接收的所有衛(wèi)星的信號.GPS衛(wèi)星在兩個相位相卜的I頻段載波上播發(fā)測距碼,L1載波頻率為1575.4MHz,L2載波頻率為1227.6MHz。這包括在兩個載波上碼元速率為10.23MHz的加密的精碼（P碼）和在L1我波上的L023MHz的明碼（或稱粗捕獲C/A碼）。雙載波主要用于消除（或測定）電離層折射影響。對于電離層中的微波，折射率幾乎完全正比于當?shù)仉娮用芏?，反比于載波頻率的平方。因此，借助電離層等離子體的這種色散特性，利用從兩個

19、載波分別接收到的測距和相位信息幾乎可以完全將電離層等離子體折射效應(yīng)分離出來。準備在這個10年內(nèi)發(fā)射的新型GPS接收機將增加另外一個頻率為1176.45MHz（L5）的載波和在L2上的類C/A碼。這將明顯提高使用明測距碼的接收機的跟蹤能力，并提高電離層修正的精度。GPS信號中測距碼的信號結(jié)構(gòu)是為準實時點定位而設(shè)計的，同時跟蹤不同方向的4顆或更多顆GPS衛(wèi)星，由偽碼測距測量量可在幾秒鐘內(nèi)得到精度約為10m的絕對點位置，還有相對于GPS的時間。準實時相對定位（同時用兩臺或多臺GPS接收機跟蹤）可以達到亞米級甚至亞分米級精度。但是在掩星應(yīng)用中不需要測距信息，僅需要L1和L2我波相位和振幅的精確測量量，

20、它們是偽碼測距跟蹤的副產(chǎn)品.對于掩星應(yīng)用，我們可以把從GPS衛(wèi)星到達LEO的無線電信號看成一對來自遙遠的點源的球形單頻波（頻率分別為1575MHz和1228MHz）加上高達幾萬赫茲的運動學(xué)和折射引起的多普勒頻移。用于空間大地測量的精度要求達到亳米級的高性能GPS接收機可對每個載波的相位進行亞亳米級測量，因此它是掩星應(yīng)用的必然選擇。第6章將介紹LEO上的這種宇航級接收機的其他情況。1.1.4 定時精確相位延遲測量的關(guān)鍵因素是測量時刻。接收機實測的相位依賴于發(fā)射機和接收機之間其實累積相位以及發(fā)射機和接收機時鐘的時間差。知道給定瞬時兩個時鐘之間的時間偏差十分重要。更準確地說，知道該偏差隨時間的變化很

21、關(guān)鍵。因為相位洌量值中的折射信息包含在它們隨時間的變化中，所以常值偏差不是理想結(jié)果（但它可能是導(dǎo)航問題）。仔顆GPS星攜帶多達4個非常精確的艷和（或）鋤頻率標準來控制時間和時間間隔。1999年，美國修改了國家關(guān)于GPS運行控制某些方面的政策。政策的這一改變導(dǎo)致在2000年5月停止加選擇可用性（SA）SA限制潛在對手和無譯碼能力的民間用戶的求實時點定位精度。在20世紀90年代后期，SA日益被視為許多GPS應(yīng)用、軍方和民間用戶的成本和生產(chǎn)力問題。隨著國防部（DoD）有新技術(shù)和其他方法限制GPS的使用，堅持SA要負重大的經(jīng)濟責任，盡管其可提供額外的國防利益。通過使GPS衛(wèi)星中時鐘時間誤差偽隨機游動（

22、游動量相當于幾分鐘內(nèi)的光行時約100m）,SA人為降低了GPS的準實時點定位精度至少一個量級。盡管該誤差的最大偏離是有限制的，可以在lUmin或者更長時間內(nèi)平均而明顯降低，5A的短周期變化給時鐘時刻插值帶來明顯問題。SA使GSP星我主鐘的振蕩器頻率在10.23MHz處抖動，使其偏離原子頻率標準。碼片速率和14(154X10.23)及12(120X10.23)載波頻率均由10.23MHz信號生成。時鐘時間來源丁振蕩器頻率在一定時間上的累積。SA抖動的大小有幾種可能的嚴重等級，由特定警報或國防形勢確定。在2000年前的幾年內(nèi)，SA被設(shè)置為相當?shù)偷乃剑粸榱恪，F(xiàn)在SA被設(shè)置成零，但并沒有被取消。對于加上SA后的高精度載波相位應(yīng)用，需要多個地面站以較高的1Hz采樣速率同時跟蹤視場內(nèi)的所有GSP衛(wèi)星。需要用這種高速跟蹤來限制從不同GSP衛(wèi)星的實測相位統(tǒng)一到同一時刻時的內(nèi)插和(或)外插誤差。用這些跟蹤數(shù)據(jù)，并參照共同發(fā)射時刻的跟蹤相位測量量之間應(yīng)用“雙差分”或等效方案，可以消除GPS衛(wèi)星之間的鐘偏差誤差34,運用這些差分操作的代價是增加了相位測量量中的等效熱噪聲，在門限情況下熱噪聲變成精度限制因素，因而變得很令人關(guān)注。SA關(guān)閉后，可以用廉價的地面操作35和0.1“0.03Hz這樣慢得多的采樣速率充分達到GPS衛(wèi)星上原子頻率標準的固有精度(10s的頻率穩(wěn)定度實際