尼瑪楚多

（拉薩市氣象局，西藏 拉薩 850000）

0 引言

GPS最早出現(xiàn)于美國20世紀70年代，經(jīng)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(wèi)星導航和定位系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的意義在于能夠?qū)θ魏蔚攸c進行全方位的三維導航和定位，因此這一系統(tǒng)一經(jīng)面世，就廣受好評。在氣象領域發(fā)展的過程中，專家發(fā)現(xiàn)GPS信號在穿過大氣層時會導致傳輸路徑和時間延遲發(fā)生改變。而這一相應的發(fā)現(xiàn)隨后經(jīng)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(shù)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(tài)，經(jīng)過反向推算，可以得出當下大氣層的實際狀態(tài)，進而達到天氣預報精準播報的目的。

1 GPS系統(tǒng)簡介

1.1 GPS概述

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

1.1.1 空間部分

一般來說GPS系統(tǒng)需要24顆衛(wèi)星共同組成，這24顆衛(wèi)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(wèi)星圍繞著地球進行運轉(zhuǎn)，而地球自轉(zhuǎn)一周時，衛(wèi)星需要圍繞地球運轉(zhuǎn)兩周。而地球同時也是個傾斜的公轉(zhuǎn)球體，因此這種轉(zhuǎn)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(wèi)星將會比昨天觀測的衛(wèi)星早4分鐘，而地平線以上的衛(wèi)星數(shù)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(wèi)星保持工作，而這4顆或者4顆以上的衛(wèi)星組成的系統(tǒng)被稱為定位星座。

1.1.2 地面監(jiān)控部分

這一部分主要由5個監(jiān)控站和一個主控站組成，監(jiān)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(jiān)控站在運行的過程中主要的任務就是將衛(wèi)星發(fā)射的數(shù)據(jù)進行收集，隨后監(jiān)控站將收集到的信息發(fā)送到主控站。主控站的意義在于能夠收集監(jiān)控站接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，衛(wèi)星鐘的意義就在于能夠修改相關數(shù)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(nèi)軟件、GPS數(shù)據(jù)后處理軟件包。接收機的作用在于能夠收獲衛(wèi)星的待測量信號，跟蹤衛(wèi)星當下運行情況，同時對于已經(jīng)取得的衛(wèi)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(wèi)星到天線的傳播時間。

1.2 GPS定位基本原理

GPS衛(wèi)星向地面發(fā)射兩個信號，頻率各不相同，衛(wèi)星上安裝的原子鐘精度較高，能夠保證衛(wèi)星發(fā)射頻率的穩(wěn)定性和精確性。載波方面，需要使用廣播星歷，從而表示出衛(wèi)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(xiàn)能夠保證衛(wèi)星可以全天候為任意用戶提供三維和衛(wèi)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(nèi)衛(wèi)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(tǒng)信息，其中就包括衛(wèi)星狀況等等重點信息。

GPS的作用還在于能夠?qū)Υa進行測量，掌握衛(wèi)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(xiàn)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(tài)。從更加嚴格的角度上進行解讀之后可以發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生的信號差。其中包括衛(wèi)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(wèi)星信號進行追蹤，此時就能夠記錄相位的相關數(shù)值，了解實際情況。這種變化數(shù)值在一開始屬于未知的，起始歷元的相位整數(shù)也屬于未知數(shù)值，也就是整周模糊度，只能夠在大數(shù)據(jù)中將之作為參數(shù)來進行解算。

GPS觀測的過程中，衛(wèi)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(jù)兩個頻率的狀態(tài)來盡量消除誤差，優(yōu)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(tǒng)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(jù)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(wèi)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(jù)在于將處于低軌道的衛(wèi)星GPS接收機用于記錄大氣層中的高軌道衛(wèi)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(shù)。

GPS衛(wèi)星發(fā)射無線電之后，穿越大氣層到達低軌道衛(wèi)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(fā)生一定的形變，進而導致出現(xiàn)延遲，一般來說延遲時間為1mm。信號繼續(xù)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(fā)生的信號延遲將會達到6位數(shù)的數(shù)量。低軌道衛(wèi)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(wèi)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(chuàng)造出能夠有效收集GPS掩星數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其次則是需要注意能夠開發(fā)并且驗證精確計算折射率以及其派生產(chǎn)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(shù)據(jù)系統(tǒng)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(shù)據(jù)，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(wèi)星信號出現(xiàn)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(jīng)過分析之后發(fā)現(xiàn)，時間延遲出現(xiàn)的主要原因就是大氣的構(gòu)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(tǒng)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?guī)撞糠止餐M成。

具體運行為GPS通過氣球攜帶升空，隨后開始發(fā)送數(shù)據(jù)，遙感裝置來跟蹤升空的探空儀，并且將之接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過放大之后返還發(fā)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(fā)回的探測數(shù)據(jù)進行解碼，解碼之后能夠?qū)?shù)據(jù)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(xù)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(shù)據(jù)進行顯示，從而更好地幫助觀測。

4 結(jié)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(shù)據(jù)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(jiān)測大氣層的變化狀態(tài)，這幫助氣象預報有了更好的發(fā)展方向。除此之外，GPS還能夠?qū)δ承┨鞖忸A報時間分辨率的要求進行管理，從而控制地面常規(guī)氣象站狀態(tài)以及相關信息。使用GPS系統(tǒng)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。