GPS技术在大气探测中的运用

尼玛楚多

（拉萨市气象局，西藏 拉萨 850000）

0 引言

GPS最早出现于美国20世纪70年代，经过20年、上百亿美元的投资之后，美国在1994年全面建成了新一代卫星导航和定位系统。这一系统的意义在于能够对任何地点进行全方位的三维导航和定位，因此这一系统一经面世，就广受好评。在气象领域发展的过程中，专家发现GPS信号在穿过大气层时会导致传输路径和时间延迟发生改变。而这一相应的发现随后经过了反推演，最终得出了大气的温度、压力、湿度、水汽信息等等气象要素，这对于数值预报的精确度有着极大的提升。也就是说，GPS信号穿过大气层到达地面后的不同状态，经过反向推算，可以得出当下大气层的实际状态，进而达到天气预报精准播报的目的。

1 GPS系统简介

1.1 GPS概述

这一系统主要通过3方面组成，分别是空间部分、地面监控部分、用户接收部分[1]。

1.1.1 空间部分

一般来说GPS系统需要24颗卫星共同组成，这24颗卫星需要在6个轨道上进行运行。因此可以得知，轨道倾角需要保持在55°，各个轨道之间的间距则是需要保持在60°。在两万米的高空中，卫星围绕着地球进行运转，而地球自转一周时，卫星需要围绕地球运转两周。而地球同时也是个倾斜的公转球体，因此这种转动在每天的不同时刻都在进行着变化。具体来说就是今天观测的卫星将会比昨天观测的卫星早4分钟，而地平线以上的卫星数量将会随之变化，最少的情况下也会有4颗，而最多的情况则会达到11颗。在使用GPS进行导航和定位的过程中，由于需要进行三维定位，因此至少需要四颗卫星保持工作，而这4颗或者4颗以上的卫星组成的系统被称为定位星座。

1.1.2 地面监控部分

这一部分主要由5个监控站和一个主控站组成，监控站需要配备有GPS用户接收机、原子钟、传感器、计算机等等设备。监控站在运行的过程中主要的任务就是将卫星发射的数据进行收集，随后监控站将收集到的信息发送到主控站。主控站的意义在于能够收集监控站接收到的卫星数据，卫星钟的意义就在于能够修改相关数值[2]。

1.1.3 用户设备

用户设备主要包括3方面，其中包括接收机、机内软件、GPS数据后处理软件包。接收机的作用在于能够收获卫星的待测量信号，跟踪卫星当下运行情况，同时对于已经取得的卫星GPS信号进行处理。主要的目的在于能够更加方便的测量出GPS信号从卫星到天线的传播时间。

1.2 GPS定位基本原理

GPS卫星向地面发射两个信号，频率各不相同，卫星上安装的原子钟精度较高，能够保证卫星发射频率的稳定性和精确性。载波方面，需要使用广播星历，从而表示出卫星的位置，并且还需要使用C/A码和P码，用于测距。这些设备的出现能够保证卫星可以全天候为任意用户提供三维和卫星定位服务，并且可以保证精确。

GPS接收机的作用在于能够接收准确的时间，具体来说时间可以精确到纳秒级别，主要的作用在于预报未来几个月之内卫星的所处大概位置，从而帮助未来在计算定位时保证广播星历的准确性。一般来说精度为几米到几十米之间，同时接收机还能够接收到GPS的系统信息，其中就包括卫星状况等等重点信息。

GPS的作用还在于能够对码进行测量，掌握卫星与接收机之间的大致距离，由于大气传播的过程中难免会出现误差，而这一误差一般来说被称为伪距。在前文中提及测距有C/A码和P码两种，前者一般精度可以达到20 m左右，而后者的精度能够达到2 m左右。

GPS接收机接收到信息之后，需要将信息进行解码解读，去掉载波上的附属信息，就能够恢复载波的初始状态。从更加严格的角度上进行解读之后可以发现，载波相位也可以被称为载波拍频相位，这意味着需要考虑到各方面原因产生的信号差。其中包括卫星信号载波相位受多普勒频移影响、接收机本机振荡[3]。除此之外，在接收机确定之后，需要保证对卫星信号进行追踪，此时就能够记录相位的相关数值，了解实际情况。这种变化数值在一开始属于未知的，起始历元的相位整数也属于未知数值，也就是整周模糊度，只能够在大数据中将之作为参数来进行解算。

GPS观测的过程中，卫星与接收机之间的误差需要考虑、大气层导致的信号误差需要考虑、多路径效应需要考虑，在这些误差的层层叠加影响下，需要使用相关技术来抵消和消除误差。其中相对定位就能够达到这一目的，进而提升定位精度。双频接收机主要的作用就在于能够同时进行两个频率的测量，根据两个频率的状态来尽量消除误差，优点在于能够提高精度，因此距离较远时需要使用双频接收机。

2 GPS气象学

GPS气象学，这门学科主要的目的就在于能够使用全球定位系统来探测当下的大气层情况，进而掌握未来的天气变化，科学家将这种技术称之为GPS/MET。实际检测的过程中，需要根据GPS接收机的实际位置来定制技术方案。一般来说需要将GPS接收机放在地面，固定其实际位置。而大气探测的方式科学家称之为地基GPS/MET。在实际检测的过程中，将GPS接收机放在低轨道卫星上探测大气，需要称之为空基GPS/MET。

2.1 空基GPS大气探测

这项技术又被称为空间无线电掩星技术，主要的理论依据在于将处于低轨道的卫星GPS接收机用于记录大气层中的高轨道卫星微波信号。主要的作用在于能够记录附加延迟量，随后使用反推的方法来得到大气温度、压力、湿度等等参数。

GPS卫星发射无线电之后，穿越大气层到达低轨道卫星接收机时，就能够收获大气层高分辨率的探测信息，主要的原理就是在GPS信号处于85km时，电波传输路径会发生一定的形变，进而导致出现延迟，一般来说延迟时间为1mm。信号继续下降，穿越大气层之后，形变延迟时间将会被大气层无限放大，进而达到1km。因此可以得出，大气层中发生的信号延迟将会达到6位数的数量。低轨道卫星在运行的过程中，双频接收机需要测定信号，计算其中的气象要素。而低轨卫星在运行的过程中，每天每个接收机达到能够观测到500个以上的掩星点，这些掩星点几乎能够覆盖整个地球。因此空基GPS大气探测能够应用于测量天气，其可行性和有效性非常强大。

空基GPS/MET的主要目标和主要作用分别如下分析：首先，需要创造出能够有效收集GPS掩星数据的系统，其次则是需要注意能够开发并且验证精确计算折射率以及其派生产品的算法，其中包括有气压、温度、湿度等等。再次则是需要评价这一数据系统在天气预报和气象变化研究过程中的应用效果和实际作用。最后则是需要向科学家和相关研究人员提供研究数据，从而帮助科学界对这两方面开展研究。

2.2 地基GPS大气探测

GPS信号穿过大气层和电离层时，速度往往会受到影响，这就会造成卫星信号出现延迟。在穿过电离层的过程中，无线电信号的延迟与频率有着非常大的关系，因此使用双频GPS接收机时，能够更加肯定的掌握电离层引起的信号延迟。无线电波在穿过大气层时，由于大气层不带电，因此时间延迟与信号频率之间没有直接关系。经过分析之后发现，时间延迟出现的主要原因就是大气的构成成分，也就是干空气与水空气之间的比例。

3 GPS探空观测

在大气观测的过程中，GPS能够起到的另一个主要作用就是探空观测。主要的方式就是将GPS接收机植入探空仪当中，使用GPS的高精度定位能力，让探空仪在高空中测定高空风。一般来说GPS探空站由遥测接收系统TRS、地面GPS接收机、地面气象要素观测仪器、人机交互工作站、GPS探空仪、气球充灌室几部分共同组成。

具体运行为GPS通过气球携带升空，随后开始发送数据，遥感装置来跟踪升空的探空仪，并且将之接收到的数据经过放大之后返还发送给信号处理器。信号处理器在接收到信号之后，需要将探空仪发回的探测数据进行解码，解码之后能够将数据恢复成为气象信息，用于计算高空气压、温度、湿度、风向等等要素。

在探空仪飞行的过程中，计算机工作站需要对这一轨迹进行持续跟踪。工作站在运行的过程中，需要使用图表来将探测到的数据进行显示，从而更好地帮助观测。

4 结语

GPS气象探测技术主要的作用在于GPS技术可以了解大气层中的各方面数据信息，并且这一信息的收集并不受到天气的影响，因此可以在24小时中不断监测大气层的变化状态，这帮助气象预报有了更好的发展方向。除此之外，GPS还能够对某些天气预报时间分辨率的要求进行管理，从而控制地面常规气象站状态以及相关信息。使用GPS系统对于气象学来说有着非同一般的价值，因此未来需要对这一技术进行更加深入的研究与分析。