星-地无线电掩星技术探测火星大气和电离层

历史上几乎所有的行星探测任务都开展了无线电掩星实验,以探测行星的大气、电离层、行星环以及磁场,并取得了很多重要的科学成果.掩星发生时刻前后,测量航天器发出的信号穿过行星电离层和大气层时被遮掩而引起的信号频率、相位、幅度或极化等物理特性的变化,通过某种反演技术,可以得到大气的折射率廓线,推出中性大气的密度、温度、压强廓线以及电离层的电子浓度廓线.文章嗣绕中国"萤火1号"火星探测器(YH-1)火星探测计划中将要开展的星-地无线电掩星实验,介绍了该技术用于探测火星大气和电离层的相关情况.     

"火星快车"下视雷达对火星电离层探测简介

火星是近年来深空探测的热点,对火星电离层的观测和研究是火星探测的主要内容之一.欧洲航天局2003年发射了火星探测器"火星快车",它所搭载的下视雷达MARSIS(火星地表和电离层探测雷达)为火星电离层探测提供了大量数据,文章简单介绍了利用MARSIS探测火星电离层的基本原理,探测数据的结构和利用这些探测数据进行电离层研究的现状.     

基于改进的单差法计算GPS掩星附加相位

从GPS掩星探测数据中反演的参数可同化入数值天气预报模式. 附加相位的计算精度受参考链电离层噪音及L2噪音影响, 在L2信号加密情况下噪音影响更为显著.为提高附加相位处理精度, 减少一般单差法(single difference, SD)从参考链传入掩星链的噪音,本文采用改进的单差法 (updated single difference, USD)计算大气附加相位.参考链数据采用组合频率LC观测数据, 并以一定时间窗口(2 s)做平滑处理,逐项考虑天线相位中心改正、 相对论效应改正等因素的影响.利用COSMIC掩星观测数据对上述方法进行了验证. 上升及下降典型掩星事件分析表明:USD计算的附加相位与 COSMIC官方发布的附加相位有很好的一致性;计算了全球分布的440次掩星事件附加相位, 结果表明USD法可明显改进附加相位平均偏差与标准差的分布, 证明了我们算法的可靠性. USD法可应用于风云三号气象卫星掩星仪器半无码跟踪L2得到的数据处理中.     

火星空间环境磁场探测研究——"萤火1号"磁强计的研制与应用

文章介绍了"萤火1号"卫星对火星空问环境磁场进行探测的目的、意义及采用的方式方法.研究火星的空间环境离不开火星磁场,它对于火星弓激波、磁鞘、电离层、大气等绝大多数空间环境效应都有着深刻的影响,因此"萤火1号"卫星安装了一台重要的科学探测载荷--高精度磁强计,以满足科学研究和应用目标的需求.磁强计从原理选择到具体没计,都考虑到了火星轨道严酷的工作环境和科学目标所需的测量要求.通过"萤火1号"装星前的地面标定测试实验,验证了高精度磁强计可以在-140-75℃温度范围内测量±256nT以内的磁场,分辨率达到了0.01nT,带宽内总噪声小于0.03nT,能够胜任"萤火1号"对火星空间环境探测的科学任务."萤火1号"火星探测器将于2011年与俄罗斯的"福布斯-土壤"一同飞往火星,这是人类送往火星最精密的磁场探测器之一,将对火星空间环境磁场结构和动力学过程进行精密而详细的探测.     

非球对称电离层掩星数据反演

电离层掩星数据的传统反演方法是电离层球对称假设下的Abel变换反演方法,但是实际的电离层电子密度分布不是球对称的,电离层的非球对称分布给电离层电子密度反演带来误差.发展了一种新的非球对称电离层掩星反演方法,利用国际参考电离层模型提供的三维电离层电子密度分布先验信息来修正掩星总电子含量 ,再通过球对称假设下的Abel变换反演出电离层电子密度.利用新方法反演了星座气象、电离层和气候观察系统掩星实测数据,并将得到的反演结果与电离层探测器资料进行了比较.结果表明,新方法能够较好地反演出电离层电子密度. 关键词： 电离层掩星 电子密度 国际参考电离层模型     

超高精度的甚长基线干涉相位时延推导法及其在我国的应用前景

文章简要介绍了同波束甚长基线干涉(VLBI)观测法和相位时延推导法,报道了上海-乌鲁木齐基线的误差为0.0005m的差分相位时延的观测结果,介绍了"萤火1号"和"福布斯"探测器的同波束VLBI观测技术及正在研究的相位时延推定新方法,展望了超高精度的VLBI相位时延在中国深空探测中的应用前景.     

火星重力场研究现状及发展趋势

针对近年来月球与火星探测成为各航天大国的热点,以及中国首个火星探测计划"萤火1号"拟定的科学研究目标,文章对火星重力场模犁的历史、现状及展望做了简要描述.文中首先探讨了火星探测的多重意义和火星重力场在火星探测中起到的重要作用;接着介绍了火星重力场模型发展的历史和现状;最后介绍了利用中国"萤火1号"轨道跟踪数据对火星重力场模型的可能贡献,在此基础上对中国未来火星重力场探测提出了设想.     

GPS/LEO掩星正则变换反演方法

利用无线电全息方法, 如正则变换方法或全谱反演方法, 可以有效地解决大气多路径条件下GPS掩星信号的反演问题. 本文采用正则变换方法反演掩星资料, 模拟仿真反演结果显示正则变换方法可以准确地反演包含大气多路径效应的信号. 在模拟信号的相位中加入不同程度的高斯相位噪声后, 正则变换方法的反演结果会受到不同程度的影响. 用正则变换方法对2007年第71天至73天共约4500个COSMIC数据进行处理. 将其折射率反演结果和atmPrf资料 (利用全谱反演方法计算得到) 一起, 与对应的ECMWF 分析场资料进行统计比较, 结果表明: 在5 km以下, 正则变换方法计算的折射率的相对误差的平均值普遍大于atmPrf资料. 其原因可能为: 正则变换方法将信号从LEO轨迹后传播至辅助屏, 造成孔径缩小, 精度下降. 同时也讨论了信号截断对低对流层中反演精度和掩星个数的影响. 关键词： 无线电掩星 大气多路径 多相位屏技术 正则变换方法     

AIRS与COSMIC反演大气温湿廓线比较

将福卫三号星系计划(COSMIC)气象、电离层及气候卫星探测系统、大气红外探测器(AIRS)反演的大气温度和湿度廓线与时间、空间匹配的欧洲中心中期天气预报(ECMWF)、美国环境预报中心(NCEP)分析值和无线电探空观测值进行比较, 结果表明, COSMIC具有垂直分辨率高、全天候的观测特点, 反演的大气温度和湿度廓线相对于AIRS而言与无线电探空观测值更接近, 能提供大气廓线的更精细结构, 但受掩星事件发生时所能探测最低高度的限制, 不能得到该高度以下的大气信息。AIRS在晴空时大气温湿廓线反演精度较高, 但受云天的限制, 在云层以下, 反演精度就大大降低。     

风云三号C星全球导航卫星掩星探测仪首次实现北斗掩星探测

全球导航卫星掩星探测仪(GNOS)是国际首台北斗系统(BDS)和全球定位系统(GPS)双系统兼容掩星探测仪, 2013年9月23日随风云三号卫星C星(FY3 C)发射入轨, 目前已测得大量掩星数据. 介绍了FY3 C-GNOS的组成; 统计了2013年10月12日全天的FY3 C-GNOS掩星事件及其全球分布情况; 通过与GPS精密定轨结果进行对比分析, 测试了BDS在轨实时定位精度, 检验了BDS掩星产品的可靠性和一致性. 初步分析结果表明: 14颗BDS卫星在轨运营的条件下, BDS和GPS兼容掩星探测仪可将掩星事件数提高约33.3%; BDS实时定位平均偏差优于6 m, 标准偏差优于7 m; 5-25 km高度范围内, BDS与GPS内符合精度大气折射率优于2%, 温度优于2 K, 湿度优于1.5 g/kg, 压强优于2%, 电离层峰值密度优于15.6%. GNOS的在轨正常运行及BDS与GPS掩星定位精度及反演产品的一致性为北斗掩星探测的业务化运行奠定了基础.     

The Structure of Stratospheric Irregularities According to Radio-Occultation Data Obtained using Satellite-to-Satellite Paths

We analyze the possibility of monitoring density or temperature fluctuations in the stratosphere based on data of amplitude radio-occultation measurements at centimeter waves using satellite-to-satellite paths. Comparison of the experimental spectra of amplitude fluctuations with the theoretical spectra calculated for a model containing both strongly anisotropic irregularities and an isotropic Kolmogorov turbulence shows that the amplitude fluctuations of radio waves in the stratosphere are mainly contributed by anisotropic irregularities which correspond to the model of saturated internal gravity waves. The efficiency of the radio occultation technique for the global remote monitoring of internal waves in the stratosphere is demonstrated.     

GPS/LEO无线电掩星开环反演技术

在低对流层,传统的闭环模式容易造成较大的信号追踪误差. 开环模式通过内部或外部方式消除导航资料调制(navigation data modulation, NDM)对大气反演的影响,能够准确地恢复信号的相位. 内部和外部方式的区别是,前者通过信号相邻采样的内在联系移除NDM, 后者利用卫星导航位元数据进行处理. 通过内部和外部两种方式处理COSMIC (constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate)掩星数据,利用全谱反演方法获得弯曲角,通过Abel积分变换计算折射率. COSMIC掩星个案分析表明,在低对流层,内部方式可能会导致信号的半周跳现象, 从而造成反演的折射率出现误差. 分别用上述两种方式对2007年第71天至73天共约3130个COSMIC掩星开环数据进行处理. 将折射率反演结果与ECMWF(european centre for medium-range weather forecasts)分析场资料进行统计比较,结果显示:外部处理方式的探测深度比内部方式低100 —200 m. 在热带的3 km以下,内部方式具有比外部方式稍大的折射率负偏差. 因此,外部方式能够得到比内部方式略优的反演结果.     

Ground-Based and Space-Borne Studies of Midlatitude F-Spread

We present the results of the first space-borne SURA-WIND experiment aimed at studying the features of short-radiowave propagation in the case of radio occultation of the near-Earth plasma in the presence of a developed midlatitude F-spread. We discover the effect of screening of a signal at frequency 4525 kHz that is 0.8 MHz higher than the minimum observed frequency for the SURA-WIND radio path determined using the ionograms obtained by the ground-based vertical-sounding station. The screening effect is explained by the effect of large-scale irregularities of the number density of ionospheric electrons of sizes about a few tens of kilometers, which lead to the appearance of electron-density depletion regions in the ionosphere stretched along the geomagnetic field. These depletion regions are separated by the ordinary plane-parallel distribution of the electron number density. The features of the frequency spectra of intensity fluctuations of the HF radiation over the SURA-WIND radio path in the presence of a developed midlatitude F-spread are considered.     

Lower polar ionosphere during a solar flare as revealed from radiooccultation data in satellite-to-satellite links

It is shown that there are typical variations in the amplitude and phase of decimetric radio waves in satellite-to-satellite links due to variations in the polar ionosphere structure. The altitude profiles of the electron number density and vertical size of the ionospheric sporadic structures in the nighttime polar regions during the period of intense solar activity in October 25 to November 09, 2003 are estimated. Correlation between the the ionosphere characteristics and the solar-wind parameters is discussed. It is noted that the effect of energetic-particle precipitation due to the influence of shock waves of the solar wind is the main factor responsible for strong variations in the nighttime polar ionosphere. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 52, No. 3, pp. 181–191, March 2009.     

GPS掩星一维弯曲角算子在四维变分资料同化系统中的实现方法研究

GPS无线电掩星资料的良好特性使其作为十分重要的观测资料在欧洲 及美国数值天气预报中效果明显. 本文设计了一维弯曲角算子在四维变分资料同化系统中的实现方法和质量控制策略. 详细阐述了一维弯曲角正演算子及其切线性/伴随算子在全球四维变分资料同化系统中的实现步骤和过程, 其中折射率计算中采用Rüeger的折射率最佳平均因子的三项表达式, 计算出更加精确的折射率值. 对2012年8月份的GPS无线电掩星资料进行了观测误差统计, 引入了更加符合四维变分资料同化系统实际情况的一维弯曲角观测误差模型和质量控制策略. 同时, 对比了观测误差统计试验中同化GPS无线电掩星资料的模式背景场和未同化GPS无线电掩星资料的背景场的观测误差统计结果, 发现同化GPS无线电掩星资料之后的观测误差统计结果在全球区域正作用十分明显, 尤其是在中低纬度地区, 高度在10 km 以上的区域观测误差减小十分明显. 关键词： GPS无线电掩星 一维弯曲角算子 四维变分同化系统 质量控制     

Radiowave fluctuations in the polar ionosphere on the satellite-to-satellite paths under high solar activity

We analyze ionospheric fluctuations of decimeter radio waves on occultation polar paths between the navigational GPS satellites and the satellite CHAMP. Time dependences of the variance of the signal amplitude and amplitude fluctuation spectra under high solar activity in October–November 2003 are presented. The behavior of the signal amplitude fluctuations during occultation ionospheric sounding in the polar regions in different time of the day and in the equatorial regions in the daytime are considered. Radio-wave fluctuations are related to the solar-activity manifestations. It is shown that during strong solar-flare activity, intense small-scale plasma irregularities are excited in the polar ionosphere. __________ Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 49, No. 3, pp. 185–193, March 2006.     

Sporadic structures in the equatorial ionosphere inferred from radio occultation data on satellite-to-satellite paths

We analyze characteristics of sporadic layers in the equatorial ionosphere using the results of radio occultation sounding on the paths between GPS satellites and the CHAMP low-orbiting satellite during the solar flare in October–November 2003. Variations in the amplitude and phase of signals during the lower-ionosphere sounding are studied. It is shown that the use of amplitude and phase data allows one to obtain parameters of the sporadic ionospheric structures. The data on the occurrence frequency, height, thickness, and intensity of the E_s layers in the daytime and nighttime equatorial ionosphere are presented. __________ Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 51, No. 3, pp. 181–190, March 2008.