GPS技術在大氣探測中的運用

尼瑪楚多

（拉薩市氣象局，西藏 拉薩 850000）

0 引言

GPS最早出現于美國20世紀70年代，經過20年、上百億美元的投資之后，美國在1994年全面建成了新一代衛星導航和定位系統。這一系統的意義在于能夠對任何地點進行全方位的三維導航和定位，因此這一系統一經面世，就廣受好評。在氣象領域發展的過程中，專家發現GPS信號在穿過大氣層時會導致傳輸路徑和時間延遲發生改變。而這一相應的發現隨后經過了反推演，最終得出了大氣的溫度、壓力、濕度、水汽信息等等氣象要素，這對于數值預報的精確度有著極大的提升。也就是說，GPS信號穿過大氣層到達地面后的不同狀態，經過反向推算，可以得出當下大氣層的實際狀態，進而達到天氣預報精準播報的目的。

1 GPS系統簡介

1.1 GPS概述

這一系統主要通過3方面組成，分別是空間部分、地面監控部分、用戶接收部分[1]。

1.1.1 空間部分

一般來說GPS系統需要24顆衛星共同組成，這24顆衛星需要在6個軌道上進行運行。因此可以得知，軌道傾角需要保持在55°，各個軌道之間的間距則是需要保持在60°。在兩萬米的高空中，衛星圍繞著地球進行運轉，而地球自轉一周時，衛星需要圍繞地球運轉兩周。而地球同時也是個傾斜的公轉球體，因此這種轉動在每天的不同時刻都在進行著變化。具體來說就是今天觀測的衛星將會比昨天觀測的衛星早4分鐘，而地平線以上的衛星數量將會隨之變化，最少的情況下也會有4顆，而最多的情況則會達到11顆。在使用GPS進行導航和定位的過程中，由于需要進行三維定位，因此至少需要四顆衛星保持工作，而這4顆或者4顆以上的衛星組成的系統被稱為定位星座。

1.1.2 地面監控部分

這一部分主要由5個監控站和一個主控站組成，監控站需要配備有GPS用戶接收機、原子鐘、傳感器、計算機等等設備。監控站在運行的過程中主要的任務就是將衛星發射的數據進行收集，隨后監控站將收集到的信息發送到主控站。主控站的意義在于能夠收集監控站接收到的衛星數據，衛星鐘的意義就在于能夠修改相關數值[2]。

1.1.3 用戶設備

用戶設備主要包括3方面，其中包括接收機、機內軟件、GPS數據后處理軟件包。接收機的作用在于能夠收獲衛星的待測量信號，跟蹤衛星當下運行情況，同時對于已經取得的衛星GPS信號進行處理。主要的目的在于能夠更加方便的測量出GPS信號從衛星到天線的傳播時間。

1.2 GPS定位基本原理

GPS衛星向地面發射兩個信號，頻率各不相同，衛星上安裝的原子鐘精度較高，能夠保證衛星發射頻率的穩定性和精確性。載波方面，需要使用廣播星歷，從而表示出衛星的位置，并且還需要使用C/A碼和P碼，用于測距。這些設備的出現能夠保證衛星可以全天候為任意用戶提供三維和衛星定位服務，并且可以保證精確。

GPS接收機的作用在于能夠接收準確的時間，具體來說時間可以精確到納秒級別，主要的作用在于預報未來幾個月之內衛星的所處大概位置，從而幫助未來在計算定位時保證廣播星歷的準確性。一般來說精度為幾米到幾十米之間，同時接收機還能夠接收到GPS的系統信息，其中就包括衛星狀況等等重點信息。

GPS的作用還在于能夠對碼進行測量，掌握衛星與接收機之間的大致距離，由于大氣傳播的過程中難免會出現誤差，而這一誤差一般來說被稱為偽距。在前文中提及測距有C/A碼和P碼兩種，前者一般精度可以達到20 m左右，而后者的精度能夠達到2 m左右。

GPS接收機接收到信息之后，需要將信息進行解碼解讀，去掉載波上的附屬信息，就能夠恢復載波的初始狀態。從更加嚴格的角度上進行解讀之后可以發現，載波相位也可以被稱為載波拍頻相位，這意味著需要考慮到各方面原因產生的信號差。其中包括衛星信號載波相位受多普勒頻移影響、接收機本機振蕩[3]。除此之外，在接收機確定之后，需要保證對衛星信號進行追蹤，此時就能夠記錄相位的相關數值，了解實際情況。這種變化數值在一開始屬于未知的，起始歷元的相位整數也屬于未知數值，也就是整周模糊度，只能夠在大數據中將之作為參數來進行解算。

GPS觀測的過程中，衛星與接收機之間的誤差需要考慮、大氣層導致的信號誤差需要考慮、多路徑效應需要考慮，在這些誤差的層層疊加影響下，需要使用相關技術來抵消和消除誤差。其中相對定位就能夠達到這一目的，進而提升定位精度。雙頻接收機主要的作用就在于能夠同時進行兩個頻率的測量，根據兩個頻率的狀態來盡量消除誤差，優點在于能夠提高精度，因此距離較遠時需要使用雙頻接收機。

2 GPS氣象學

GPS氣象學，這門學科主要的目的就在于能夠使用全球定位系統來探測當下的大氣層情況，進而掌握未來的天氣變化，科學家將這種技術稱之為GPS/MET。實際檢測的過程中，需要根據GPS接收機的實際位置來定制技術方案。一般來說需要將GPS接收機放在地面，固定其實際位置。而大氣探測的方式科學家稱之為地基GPS/MET。在實際檢測的過程中，將GPS接收機放在低軌道衛星上探測大氣，需要稱之為空基GPS/MET。

2.1 空基GPS大氣探測

這項技術又被稱為空間無線電掩星技術，主要的理論依據在于將處于低軌道的衛星GPS接收機用于記錄大氣層中的高軌道衛星微波信號。主要的作用在于能夠記錄附加延遲量，隨后使用反推的方法來得到大氣溫度、壓力、濕度等等參數。

GPS衛星發射無線電之后，穿越大氣層到達低軌道衛星接收機時，就能夠收獲大氣層高分辨率的探測信息，主要的原理就是在GPS信號處于85km時，電波傳輸路徑會發生一定的形變，進而導致出現延遲，一般來說延遲時間為1mm。信號繼續下降，穿越大氣層之后，形變延遲時間將會被大氣層無限放大，進而達到1km。因此可以得出，大氣層中發生的信號延遲將會達到6位數的數量。低軌道衛星在運行的過程中，雙頻接收機需要測定信號，計算其中的氣象要素。而低軌衛星在運行的過程中，每天每個接收機達到能夠觀測到500個以上的掩星點，這些掩星點幾乎能夠覆蓋整個地球。因此空基GPS大氣探測能夠應用于測量天氣，其可行性和有效性非常強大。

空基GPS/MET的主要目標和主要作用分別如下分析：首先，需要創造出能夠有效收集GPS掩星數據的系統，其次則是需要注意能夠開發并且驗證精確計算折射率以及其派生產品的算法，其中包括有氣壓、溫度、濕度等等。再次則是需要評價這一數據系統在天氣預報和氣象變化研究過程中的應用效果和實際作用。最后則是需要向科學家和相關研究人員提供研究數據，從而幫助科學界對這兩方面開展研究。

2.2 地基GPS大氣探測

GPS信號穿過大氣層和電離層時，速度往往會受到影響，這就會造成衛星信號出現延遲。在穿過電離層的過程中，無線電信號的延遲與頻率有著非常大的關系，因此使用雙頻GPS接收機時，能夠更加肯定的掌握電離層引起的信號延遲。無線電波在穿過大氣層時，由于大氣層不帶電，因此時間延遲與信號頻率之間沒有直接關系。經過分析之后發現，時間延遲出現的主要原因就是大氣的構成成分，也就是干空氣與水空氣之間的比例。

3 GPS探空觀測

在大氣觀測的過程中，GPS能夠起到的另一個主要作用就是探空觀測。主要的方式就是將GPS接收機植入探空儀當中，使用GPS的高精度定位能力，讓探空儀在高空中測定高空風。一般來說GPS探空站由遙測接收系統TRS、地面GPS接收機、地面氣象要素觀測儀器、人機交互工作站、GPS探空儀、氣球充灌室幾部分共同組成。

具體運行為GPS通過氣球攜帶升空，隨后開始發送數據，遙感裝置來跟蹤升空的探空儀，并且將之接收到的數據經過放大之后返還發送給信號處理器。信號處理器在接收到信號之后，需要將探空儀發回的探測數據進行解碼，解碼之后能夠將數據恢復成為氣象信息，用于計算高空氣壓、溫度、濕度、風向等等要素。

在探空儀飛行的過程中，計算機工作站需要對這一軌跡進行持續跟蹤。工作站在運行的過程中，需要使用圖表來將探測到的數據進行顯示，從而更好地幫助觀測。

4 結語

GPS氣象探測技術主要的作用在于GPS技術可以了解大氣層中的各方面數據信息，并且這一信息的收集并不受到天氣的影響，因此可以在24小時中不斷監測大氣層的變化狀態，這幫助氣象預報有了更好的發展方向。除此之外，GPS還能夠對某些天氣預報時間分辨率的要求進行管理，從而控制地面常規氣象站狀態以及相關信息。使用GPS系統對于氣象學來說有著非同一般的價值，因此未來需要對這一技術進行更加深入的研究與分析。