利用地球衛(wèi)星的無(wú)線電掩星技術(shù)

1、利用地球衛(wèi)星的無(wú)線電掩星技術(shù)利用地球衛(wèi)星的無(wú)線電掩星技術(shù)利用地球衛(wèi)星的無(wú)線電掩星技術(shù)——波動(dòng)說(shuō)處理法第1章利用地球衛(wèi)星進(jìn)行無(wú)線電掩星的背景和概述第1章利用地球衛(wèi)星進(jìn)行無(wú)線電掩星的背景和概述1.1引言本書(shū)關(guān)注無(wú)線電掩星過(guò)程中電磁波的相位和振幅。電波來(lái)自遙遠(yuǎn)的發(fā)射機(jī)，穿過(guò)中間介質(zhì)到達(dá)接收機(jī)。接收機(jī)在掩星事件過(guò)程中測(cè)量電波的相位和振幅。利用這些測(cè)量值序列可推斷中間介質(zhì)的物理特性。無(wú)線電掩星是一種探測(cè)技術(shù)，遠(yuǎn)方航天器發(fā)射的無(wú)線電波在到達(dá)接收機(jī)前

2、穿過(guò)中間的行星大氣。所謂“掩星”、“被掩”或者“星掩”是指發(fā)射機(jī)、行星及其大氣、接收機(jī)的幾何關(guān)系隨時(shí)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(gè)詞時(shí)也包括了無(wú)星掩事件的情況，例如，通過(guò)電離層的航天器對(duì)航天器的探測(cè)或接收從反射面來(lái)的反射波。從嚴(yán)格掩星的接收機(jī)看，發(fā)射機(jī)可從被掩行星的邊緣升起或落下。當(dāng)來(lái)自發(fā)射機(jī)的無(wú)線電波經(jīng)過(guò)中間大氣層時(shí)，折射介質(zhì)會(huì)改變其傳播方向和速度。因此，相對(duì)于無(wú)中間介質(zhì)或無(wú)掩行星情況下保持不變的相應(yīng)值

3、，接收機(jī)處電波的相位和振幅均發(fā)生了改變。隨著時(shí)間的演化，接收機(jī)處就產(chǎn)生電波相位變化和振幅變化的剖面并被接收機(jī)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圍內(nèi)的地震波檢測(cè)陣列研究從遙遠(yuǎn)地震傳到每個(gè)地震波檢測(cè)器上的各種類型的地震波。使用這種陣列，可以測(cè)量波到達(dá)陣內(nèi)不同站的不同時(shí)間和各種波的譜特性。從這些觀測(cè)量中可導(dǎo)出各種波經(jīng)過(guò)的不同路徑和介質(zhì)的某些物理特性。在無(wú)線電掩星中，提供類似信息的是掩星過(guò)程中一對(duì)發(fā)射機(jī)

4、接的，使用了來(lái)自GPSMET的超過(guò)11000次掩星來(lái)復(fù)原折射率、密度、壓力、溫度和水蒸氣剖面［19］。GPSMET提供了權(quán)威的掩星技術(shù)概念的工程驗(yàn)證結(jié)果，其數(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(jìn)跟蹤能力和數(shù)據(jù)處理方案的試驗(yàn)平臺(tái)。GPSMET還成為評(píng)估該技術(shù)在不同應(yīng)用中科學(xué)和社會(huì)價(jià)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(bào)(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

5、］，SACC(2001，氣候應(yīng)用衛(wèi)星)和GRACE(2002，重力測(cè)量和氣象實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星)等衛(wèi)星，現(xiàn)在還通過(guò)這些衛(wèi)星或多或少地不斷進(jìn)行著無(wú)線電掩星觀測(cè)［21］。這些衛(wèi)星每天分別能返回近1000次掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)。未來(lái)一些實(shí)用航天任務(wù)已被列入計(jì)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)給出準(zhǔn)實(shí)時(shí)探測(cè)信息，這將被納入到N

6、WP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(jì)劃的Galileo系統(tǒng)那樣的未來(lái)導(dǎo)航系統(tǒng)，將拓展專用衛(wèi)星對(duì)衛(wèi)星掩星任務(wù)的觀測(cè)機(jī)會(huì)［25，26］。圖11低地球軌道器的掩星［91］圖11示意地描述了包括一顆LEO衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星星座的典型掩星場(chǎng)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(guò)中性大氣(海平面高度上約100km)的典型掩星的持續(xù)時(shí)間小于100s。來(lái)