GPS技术在大气探测中的应用

刘勇伯

随着科学技术的不断发展，人们对于地球各部分区域的探索也越来越深入。借助各种不同的高科技设备及技术，科研工作者能够实现对于过去难以探测到的区域的研究，从而为促进人类社会进步和发展做出贡献。大气圈是地球整个生态环境系統的重要组成部分，对于大气物理性质以及化学性质的探测一直都是一项十分重要的工作，过去由于探测技术及技术的落后，往往很难对地球大气达到一个比较详细的探测结果。但是借助于GPS技术，科研工作者已经可以实现对于大气的有效探测。接下来，本文将从GPS技术在大气探测工作中的相关应用来进行具体的行文阐述。

【关键词】GPS技术；大气探测；具体应用

1 GPS技术及大气探测概述

1.1 GPS技术概述

GPS系统起源于上世纪五十年代末的一项美军项目，最初目的是为了实现对海陆空军队提供在全球范围内的导航服务，从而帮助军事单位更好的达成军事目标。但是随着GPS技术的不断完善，以及国际形势的不断稳定，GPS系统开始逐渐不断开发更多的民用功能。目前GPS技术以及GPS系统已经被运用到人类社会生产经营活动的方方面面，从导航功能到定位功能，GIS系统极大的便利了人们的生活，为促进人类社会的文明进步作出了极大的贡献。GIS系统的主要工作原理是通过已经发射至外太空的卫星来测量从卫星到GPS终端之间的距离来实现对位置的定位，利用至少4颗卫星就能够实现将这个GPS终端发射到同时参与定位监测工作的不同卫星从而较为精确的保证定位目前的情况。在实际情况中，GPS系统主要走有以下三部组成，首先是空间部分，这一部分就是指目前还在工作当中的24颗由于GPS系统的人造卫星，在实际情况中，由于卫星合理的发射角度与运行轨迹，能够实现在地球表面的任何位置、任意时间都能够至少有四颗观测卫星能够观测到这个位置。其次是地面控制系统，主要负责计算从卫星传递回来的信息并传递给受众。最后一部分是用户终端部分，这一部分也被称为GPS信号接收器，是发射信号到卫星的主要工具。目前比较常见的具备GPS信号发射与接收的设备是车载GPS以及智能手机等电子设备。

1.2 大气观测工作概述

大气探测工作就是指通过各种现代化仪器以及现代化探测技术来实现对于地球表面大气圈中的物理性质以及化学性质进行一定的探测工作。大气圈是地球生态圈中的重要组成部分，大气圈系统的运行现状对于整个地球生态系统的正常运转有着十分重要的影响。因此，我们必须重视起大气探测工作的发展，通过及时、准确的把握大气圈的情况来更好的促进整个生态环境的保护。目前，GPS技术已经被广泛运用于大气探测工作当中，极大的促进了我国大气探测相关学科的发展，逐渐形成了GPS气象学这一现代学科。

2 GPS技术在大气探测中的应用

2.1 空基GPS大气探测技术

空基GPS大气探测技术也被称为空间无线电掩星技术，就是指通过在近地轨道卫星LEO地球卫星系统中安置特定的GPS信号接收器来接收处于较高轨道的GPS卫星所发出来的信号；这些微波信号在传播过程中通过了中性大气层，但由于中性大气层对于GPS信号有一定程度上的遮掩效果，所以可以通过在信号中所反映出来的附加延迟量并结合反演理论来综合计算出大气温度、湿度、压强等基本参数。空基GPS大气探测技术的基本工作原理就是当GPS卫星所发射出来的GPS微波信号穿过大气层达到离地表大约85KM上空的中间大气层时，微波信号的传播路径就会在一定程度上发生形变，同时产生大约为1mm的信号延时，当微波信号继续下降穿越大气层时信号延时会不断增加，当到达地表的GPS信号接收器时信号延时大约会增加到1km。因此，当GPS信号通过大气层时所产生的信号延时是6位数的数量级，这些信息在经过位于低轨卫星上的双频GPS信号机的处理后，利用计算机对信号的载波相位以及延时进行测算，从而获取相关的大气状况因素信息。

2.2 地基GPS大气探测技术

在实际情况中，从外太空GPS卫星所发射的GPS微波信号在通过大气圈中的电离层以及大气层时，受到电磁干扰的影响，信号传播的速度会减慢，这样一来就会造成地表信号接收器对于GPS微波信号接收的延迟。根据研究，电离层对于信号干扰所造成的延时与电离层的电磁频率有关，所以通过双频GPS接收器就能够确定电离层所导致的信号延时。同时，当GPS微波信号通过大气层时，由于大气层本身不带电，那么就可以确定信号的延时情况与电磁频率无关，仅仅与大气层本身的构成情况有关。这样就能够实现对于大气状况因素信息的获取。

2.3 GPS探空探测技术

目前，GPS技术在大气探测工作中的另外一项重要应用就是探空观测工作。这项技术的主要工作内容是通过探空仪器来携带GPS信号接收器升空至特点的高度，通过整个GPS系统的定位功能来帮助测定高空风。目前，常见的GPS探空站主要由遥测接收系统、地表信号接收单位、气象观测仪器、探空仪器这几部分组成。GPS探空仪器通过气球来实现升空，在到达指定高度的过程中持续发射信号，同时又地表的遥测接收系统来实现对于探空仪器的追踪。这些接收到的数据在进过信号处理工作之后就能够还原为气象信息。GPS探空观测技术相对来说更加灵活，能够适应各种各样复杂的工作环境，但对于探空仪器的工作稳定性要求也更高。

3 总结

随着GPS技术的不断发展，大气探测工作也在一个快速发展的过程当中。科研工作者通过不断对大气圈进行探测工作来了解大气圈系统运行状况，从而更好的进行地球生态圈的保护工作。因此，我们必须深刻认识到GPS技术在大气探测中的应用现状来推进我国大气观测事业的不断发展。

参考文献

[1]苗运玲.天山北坡东段GPS反演的大气可降水量变化特征及其与降水的关系[J].干旱气象，2016（06）.

[2]苗娟.基于星载高精度GPS观测数据的大气密度反演[J].地球物理学报，2016（10）.

作者单位

黑龙江省佳木斯市气象局 黑龙江省佳木斯市 154004