[发明专利]一种并行星群掩星事件快速数据处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及导航卫星应用、并行计算技术领域，尤其涉及一种并行星群掩星事件快速数据处理方法。

背景技术

无线电掩星技术最初用于天文学中探测行星的大气状态，在参考文献1中详尽的描述了应用于行星大气探测的发展史(参见文献1)，1965年，Fischbach提出将这种技术应用于地球大气探测的思想(参见文献2)；此后Hardy等人进行了大量的理论研究和模拟计算工作(参见文献3)，90年代初美国的全球定位系统(GPS，Global Positioning System)星座的成功建成和运行促进了这一思想在实践中的应用。

利用GPS无线电掩星技术探测地球大气状态是近年来地学和大气科学领域中蓬勃发展的研究方向之一，其基本思想是：在低轨道(LEO，Low Earth Orbit)卫星上安装一个高频采样的GPS接收机对GPS卫星进行观测。当信号穿过地球电离层和对流层时，由于相应介质垂直折射指数的变化，信号路径会发生弯曲。随着信号发射与接收两端卫星的运动，弯曲的信号路径会由高到低或者由低到高地扫过整个地球大气层，持续时间约为1min左右，这一过程被称作一次下降或者上升掩星事件。通过对一次掩星事件中信号相位及振幅变化量的测定，再加上GPS与LEO卫星的精密轨道信息，就能够反演弯曲角的垂直廓线，进而得到大气折射指数廓线。当对流层中水汽含量可以忽略时，可基于理想气体大气状态方程直接得到气压与干温廓线。当水汽含量较大时，利用其它途径(如数值天气预报模式输出或无线电探空观测资料)提供的背景温度场，进而反演大气湿度廓线。

GPS掩星观测这一新型大气探测手段的产生是对传统大气探测手段的有力补充，其观测数据具有全球覆盖、高垂直分辨率、高精度、稳定性好等优点。其发展能够弥补无线电探空仪和气象卫星的不足，推动数值天气预报精度的提高。对于天气预报而言，数值天气预报(NWP，Numerical Weather Prediction)模式必须采用三维大气参数数据作为初值，目前提供这种初值的无线电探空网络在时空分布上密度不够，极大地限制了模式的精度。而气象卫星资料的垂直分辨率有限，对模式精度的贡献较小。掩星观测由于其高垂直分辨率和高精度，所提供的丰富数据资料具有进一步改进NWP模式的潜力。由于掩星观测的长期性与稳定性，它对于气候和全球变化研究也具有重要作用。另外，GPS掩星观测为电离层的研究也提供了有利条件，它具备足够的时空分辨率提供全球电离层映象。

目前欧美等发达国家和地区已经相继开展星载GPS掩星观测的科学任务。自1995年由美国大学大气研究联合会(UCAR，University Corporation for Atmospheric Research)主持的概念证明实验GPS/MET 正式启动，发射了轨道高度为750km的Microlab-1卫星。通过对该LEO卫星GPS掩星观测资料的处理，证明了GPS掩星探测地球大气状态的可行性和对改进NWP模式的潜在价值(参见文献4)。美国，欧洲，中国台湾省等多个国家和地区已发射了实施掩星观测的多个卫星或卫星星座。其中以美国与台湾联手开始筹备建立气象、电离层与气候星座观测系统(COSMIC，The Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere，and Climate)。COSMIC的主要科学任务即为利用GPS掩星数据弥补常规气象观测手段如探空气球在海洋、两极分布稀疏的不足，为气象研究人员对飓风、台风等风暴形式进行观测、研究、预报提供高分辨率的大气水汽含量数据，精化全球和区域的天气预报模式，同时还为全球气候研究、电离层研究、地球重力场的研究提供数据资料。该系统的建成共需耗资1亿美元，其中台湾承担80％。台湾历来是台风重灾区，而台风形成的太平洋区域探空气球站非常少，常规气象观测资料很有限。COSMIC所能提供的台湾周围海洋区域高时空分辨率的大气探测资料对提高台风、降雨与风力预报的精度将起到重要作用。COSMIC正常运行后，每天实际提供的掩星事件可以达到2500次。