[发明专利]一种基于北斗GPS联合层析法的大气水汽探测方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种大气水汽探测方法，特别涉及一种基于北斗GPS联合层析法的大气水汽探测方法及系统。

背景技术

水汽是地球大气中的微量气体，在大气中所占比例很小，仅0.1%～3%，却是大气中最活跃的组分，水汽相比于其他微量气体更具有重要性。天气现象大多是大气水汽变化的结果，水汽在相变过程中吸收和释放大量潜热，直接影响地面和空气温度，进而影响大气垂直稳定度和对流天气系统的形成。大气水汽的三维分布、水汽垂直输送和相变是制约中尺度天气系统发展的动力机制之一。

全球无线电探空网20世纪40年代建立以来，高空探测大气水汽，获取大气水汽垂直廓线主要依赖于无线电探空仪。但是受经济成本等因素影响，探空站点密度低，地区覆盖分布非常不均匀，海洋上空不能设立测站，站点间距从几十公里到数百公里，每12小时释放一次，每天只能获得两次观测资料，如此低的时空分辨率不能反映水汽的多变性特征。利用遥感反演大气水汽手段设备成本高，难于维护，受云雨天气影响较大，恶劣天气难以提供水汽信息数据，所以一般用于科学研究，难以广泛使用。搭载在低轨卫星上的空基微波辐射计和雷达，观测受温度湿度变化的影响比较大。卫星遥感大气水汽方法探测精度和垂直分辨率不够高，且受云和气溶胶影响。

美国的全球定位系统自上世纪70年代问世以来，迅速在各个领域得到应用。1992年国际上提出了采用地基GPS技术探测大气水汽含量的原理。1995年，结合掩星技术，通过对大气折射率的遥感来反演大气的温湿特性得到证实，从此开辟了GPS技术应用的新领域。目前，基于GPS遥感水汽，美、日、德、法等国家已在进行业务观测使用，美国已利用其本土的GPS探测网给出每小时全国积分水汽图。并进一步进行加密观测，以加强对中尺度灾害性天气系统的监测和提高数值天气预报的精度。随着中国北斗卫星导航系统的快速发展，目前已经发射16颗卫星，覆盖亚太地区，并开始提供服务。北斗卫星目前已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥着重要作用。北斗/GPS联合技术是未来发展的趋势，不仅有助于观测更多的星座，提高定位精度和可靠性，还能够免受单一系统的制约。

在大气观测中，相对于水汽的水平分布专家们往往更加关注它的垂直分布，但现有的北斗反演技术，由于起步晚，民用信号公开程度等问题，只能得到水汽的水平分布。CT(Computerized Tomography)技术—计算机断层成像技术具有无损、动态、定量检测且分层识别物体内部组成与结构信息变化、高分辨率数字图像显示等优点，备受各领域以及学术界的重视。将CT技术运用于北斗/GPS水汽反演中，不仅能提高水汽水平分布更能得到水汽垂直廓线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用北斗卫星和GPS卫星及特定的数学模型，消除传输延时误差、探测范围更广，引入北斗卫星系统，打破GPS垄断地位的基于北斗GPS联合层析法的大气水汽探测系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于北斗GPS联合层析法的大气水汽探测系统，包括多台北斗/GPS接收机，星历收集器，气象资料收集器，延迟模块，水汽含量处理模块，数据处理计算中心模块和输出单元；

所述北斗/GPS接收机，用于采集北斗卫星的北斗卫星信号和GPS卫星的GPS卫星信号，并将北斗卫星信号和GPS卫星信号发送给延迟模块；

所述星历收集器，用于获取北斗卫星的北斗星历信息及GPS卫星的GPS星历信息，并将北斗星历信息和GPS星历信息发送给延迟模块；

所述气象资料收集器，用于采集实时气象测量数据，并将气象测量数据发送给延迟模块；

所述延迟模块，接收北斗卫星信号、GPS卫星信号、北斗星历信息、GPS星历信息和气象测量数据，根据北斗星历信息和GPS星历信息辨别采集的每组卫星信号所属的卫星；根据多台接收机在某一时刻的所有路径上接收到的北斗卫星信号和GPS卫星信号，分别对每条路径上的北斗卫星信号和GPS卫星信号进行联合解算，得到每条路径上的大气总延迟；利用每条路径上的北斗卫星信号和GPS卫星信号分别计算每条路径上的电离层延迟；利用气象测量数据，分别计算每条路径上的静力学延迟；分别将某一时刻的每条路径上的大气总延迟减去电离层延迟和静力学延迟，即可得到该路径上的湿延迟；计算所有路径上的湿延迟数据，将所有路径上的湿延迟数据发送给水汽含量处理模块；

所述水汽含量处理模块，接收所有路径上的湿延迟数据，根据所有路径上的湿延迟数据，分别计算每条路径上的水汽含量，将每条路径上的水汽含量发送给数据处理计算中心模块；