GPS技術(shù)在大氣探測(cè)中的應(yīng)用

劉勇伯

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于地球各部分區(qū)域的探索也越來越深入。借助各種不同的高科技設(shè)備及技術(shù)，科研工作者能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于過去難以探測(cè)到的區(qū)域的研究，從而為促進(jìn)人類社會(huì)進(jìn)步和發(fā)展做出貢獻(xiàn)。大氣圈是地球整個(gè)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于大氣物理性質(zhì)以及化學(xué)性質(zhì)的探測(cè)一直都是一項(xiàng)十分重要的工作，過去由于探測(cè)技術(shù)及技術(shù)的落后，往往很難對(duì)地球大氣達(dá)到一個(gè)比較詳細(xì)的探測(cè)結(jié)果。但是借助于GPS技術(shù)，科研工作者已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于大氣的有效探測(cè)。接下來，本文將從GPS技術(shù)在大氣探測(cè)工作中的相關(guān)應(yīng)用來進(jìn)行具體的行文闡述。

【關(guān)鍵詞】GPS技術(shù)；大氣探測(cè)；具體應(yīng)用

1 GPS技術(shù)及大氣探測(cè)概述

1.1 GPS技術(shù)概述

GPS系統(tǒng)起源于上世紀(jì)五十年代末的一項(xiàng)美軍項(xiàng)目，最初目的是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)海陸空軍隊(duì)提供在全球范圍內(nèi)的導(dǎo)航服務(wù)，從而幫助軍事單位更好的達(dá)成軍事目標(biāo)。但是隨著GPS技術(shù)的不斷完善，以及國(guó)際形勢(shì)的不斷穩(wěn)定，GPS系統(tǒng)開始逐漸不斷開發(fā)更多的民用功能。目前GPS技術(shù)以及GPS系統(tǒng)已經(jīng)被運(yùn)用到人類社會(huì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的方方面面，從導(dǎo)航功能到定位功能，GIS系統(tǒng)極大的便利了人們的生活，為促進(jìn)人類社會(huì)的文明進(jìn)步作出了極大的貢獻(xiàn)。GIS系統(tǒng)的主要工作原理是通過已經(jīng)發(fā)射至外太空的衛(wèi)星來測(cè)量從衛(wèi)星到GPS終端之間的距離來實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的定位，利用至少4顆衛(wèi)星就能夠?qū)崿F(xiàn)將這個(gè)GPS終端發(fā)射到同時(shí)參與定位監(jiān)測(cè)工作的不同衛(wèi)星從而較為精確的保證定位目前的情況。在實(shí)際情況中，GPS系統(tǒng)主要走有以下三部組成，首先是空間部分，這一部分就是指目前還在工作當(dāng)中的24顆由于GPS系統(tǒng)的人造衛(wèi)星，在實(shí)際情況中，由于衛(wèi)星合理的發(fā)射角度與運(yùn)行軌跡，能夠?qū)崿F(xiàn)在地球表面的任何位置、任意時(shí)間都能夠至少有四顆觀測(cè)衛(wèi)星能夠觀測(cè)到這個(gè)位置。其次是地面控制系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)計(jì)算從衛(wèi)星傳遞回來的信息并傳遞給受眾。最后一部分是用戶終端部分，這一部分也被稱為GPS信號(hào)接收器，是發(fā)射信號(hào)到衛(wèi)星的主要工具。目前比較常見的具備GPS信號(hào)發(fā)射與接收的設(shè)備是車載GPS以及智能手機(jī)等電子設(shè)備。

1.2 大氣觀測(cè)工作概述

大氣探測(cè)工作就是指通過各種現(xiàn)代化儀器以及現(xiàn)代化探測(cè)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)于地球表面大氣圈中的物理性質(zhì)以及化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行一定的探測(cè)工作。大氣圈是地球生態(tài)圈中的重要組成部分，大氣圈系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀對(duì)于整個(gè)地球生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著十分重要的影響。因此，我們必須重視起大氣探測(cè)工作的發(fā)展，通過及時(shí)、準(zhǔn)確的把握大氣圈的情況來更好的促進(jìn)整個(gè)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。目前，GPS技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于大氣探測(cè)工作當(dāng)中，極大的促進(jìn)了我國(guó)大氣探測(cè)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，逐漸形成了GPS氣象學(xué)這一現(xiàn)代學(xué)科。

2 GPS技術(shù)在大氣探測(cè)中的應(yīng)用

2.1 空基GPS大氣探測(cè)技術(shù)

空基GPS大氣探測(cè)技術(shù)也被稱為空間無線電掩星技術(shù)，就是指通過在近地軌道衛(wèi)星LEO地球衛(wèi)星系統(tǒng)中安置特定的GPS信號(hào)接收器來接收處于較高軌道的GPS衛(wèi)星所發(fā)出來的信號(hào)；這些微波信號(hào)在傳播過程中通過了中性大氣層，但由于中性大氣層對(duì)于GPS信號(hào)有一定程度上的遮掩效果，所以可以通過在信號(hào)中所反映出來的附加延遲量并結(jié)合反演理論來綜合計(jì)算出大氣溫度、濕度、壓強(qiáng)等基本參數(shù)。空基GPS大氣探測(cè)技術(shù)的基本工作原理就是當(dāng)GPS衛(wèi)星所發(fā)射出來的GPS微波信號(hào)穿過大氣層達(dá)到離地表大約85KM上空的中間大氣層時(shí)，微波信號(hào)的傳播路徑就會(huì)在一定程度上發(fā)生形變，同時(shí)產(chǎn)生大約為1mm的信號(hào)延時(shí)，當(dāng)微波信號(hào)繼續(xù)下降穿越大氣層時(shí)信號(hào)延時(shí)會(huì)不斷增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)地表的GPS信號(hào)接收器時(shí)信號(hào)延時(shí)大約會(huì)增加到1km。因此，當(dāng)GPS信號(hào)通過大氣層時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)延時(shí)是6位數(shù)的數(shù)量級(jí)，這些信息在經(jīng)過位于低軌衛(wèi)星上的雙頻GPS信號(hào)機(jī)的處理后，利用計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)的載波相位以及延時(shí)進(jìn)行測(cè)算，從而獲取相關(guān)的大氣狀況因素信息。

2.2 地基GPS大氣探測(cè)技術(shù)

在實(shí)際情況中，從外太空GPS衛(wèi)星所發(fā)射的GPS微波信號(hào)在通過大氣圈中的電離層以及大氣層時(shí)，受到電磁干擾的影響，信號(hào)傳播的速度會(huì)減慢，這樣一來就會(huì)造成地表信號(hào)接收器對(duì)于GPS微波信號(hào)接收的延遲。根據(jù)研究，電離層對(duì)于信號(hào)干擾所造成的延時(shí)與電離層的電磁頻率有關(guān)，所以通過雙頻GPS接收器就能夠確定電離層所導(dǎo)致的信號(hào)延時(shí)。同時(shí)，當(dāng)GPS微波信號(hào)通過大氣層時(shí)，由于大氣層本身不帶電，那么就可以確定信號(hào)的延時(shí)情況與電磁頻率無關(guān)，僅僅與大氣層本身的構(gòu)成情況有關(guān)。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于大氣狀況因素信息的獲取。

2.3 GPS探空探測(cè)技術(shù)

目前，GPS技術(shù)在大氣探測(cè)工作中的另外一項(xiàng)重要應(yīng)用就是探空觀測(cè)工作。這項(xiàng)技術(shù)的主要工作內(nèi)容是通過探空儀器來攜帶GPS信號(hào)接收器升空至特點(diǎn)的高度，通過整個(gè)GPS系統(tǒng)的定位功能來幫助測(cè)定高空風(fēng)。目前，常見的GPS探空站主要由遙測(cè)接收系統(tǒng)、地表信號(hào)接收單位、氣象觀測(cè)儀器、探空儀器這幾部分組成。GPS探空儀器通過氣球來實(shí)現(xiàn)升空，在到達(dá)指定高度的過程中持續(xù)發(fā)射信號(hào)，同時(shí)又地表的遙測(cè)接收系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)于探空儀器的追蹤。這些接收到的數(shù)據(jù)在進(jìn)過信號(hào)處理工作之后就能夠還原為氣象信息。GPS探空觀測(cè)技術(shù)相對(duì)來說更加靈活，能夠適應(yīng)各種各樣復(fù)雜的工作環(huán)境，但對(duì)于探空儀器的工作穩(wěn)定性要求也更高。

3 總結(jié)

隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，大氣探測(cè)工作也在一個(gè)快速發(fā)展的過程當(dāng)中。科研工作者通過不斷對(duì)大氣圈進(jìn)行探測(cè)工作來了解大氣圈系統(tǒng)運(yùn)行狀況，從而更好的進(jìn)行地球生態(tài)圈的保護(hù)工作。因此，我們必須深刻認(rèn)識(shí)到GPS技術(shù)在大氣探測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀來推進(jìn)我國(guó)大氣觀測(cè)事業(yè)的不斷發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[2]苗娟.基于星載高精度GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的大氣密度反演[J].地球物理學(xué)報(bào)，2016（10）.

作者單位

黑龍江省佳木斯市氣象局 黑龍江省佳木斯市 154004