1、利用地球卫星的无线电掩星技术利用地球卫星的无线电掩星技术波动说处理法第 1章利用地球卫星进行无线电掩星的背景和概述第 1章利用地球卫星进行无线电掩星的背景和概述1.1引言本书关注无线电掩星过程中电磁波的相位和振幅。电波来自遥远的发射机，穿过中间介质到达接收机。接收机在掩星事件过程中测量电波的相位和振幅。利用这些测量值序列可推断中间介质的物理特性。无线电掩星是一种探测技术，远方航天器发射的无线电波在到达接收机前穿过中间的行星大气。所谓“掩星” 、 “被掩”或者“星掩”是指发射机、行星及其大气、接收机的几何关系随时间的变化。虽然通常涉及掩或者星食(或月食)的行星，最近使用这个词时也包括了无星掩事件
2、的情况，例如，通过电离层的航天器对航天器的探测或接收从反射面来的反射波。从严格掩星的接收机看，发射机可从被掩行星的边缘升起或落下。当来自发射机的无线电波经过中间大气层时，折射介质会改变其传播方向和速度。因此，相对于无中间介质或无掩行星情况下保持不变的相应值，接收机处电波的相位和振幅均发生了改变。随着时间的演化，接收机处就产生电波相位变化和振幅变化的剖面并被接收机记录。这些剖面可提供中间介质的折射特性信息。在地震学中，使用分布在一定地理范围内的地震波检测阵列研究从遥远地震传到每个地震波检测器上的各种类型的地震波。使用这种阵列，可以测量波到达阵内不同站的不同时间和各种波的谱特性。从这些观测量中可导
3、出各种波经过的不同路径和介质的某些物理特性。在无线电掩星中，提供类似信息的是掩星过程中一对发射机/接收机的运动学。1.1.1掩星技术的历史18世纪测量月球掩恒星的掩始和掩终时刻的天文观测可能是掩星技术最早的科学应用。这种测量月球距离的方法成为 18世纪和 19世纪海员实现高精度格林尼治时的守时来确定海上经度的常用方法，用于取代昂贵计时器，甚至在远距离航行中可校准航海计时器。它主要取决于精确的月球星历表。月球星历表又取决于相对恒星背景的月球精确天文观测和良好的月球轨道动力学理论。很多年以后，才将月球临边作为一个峰脊，获得来自某些类星体的微波衍射图形1 。该衍射图的条纹间隔和振幅提供了来自这些致密
4、射电源的辐射密度角分布信息。同样，当恒星被行星掩的时候，通过分析在掩始和掩终期间发生的恒星折射和闪烁效应来研究行星大气层24 。几乎在行星探测初期就开始使用航天器的无线电掩星技术来探测行星大气层。1964 年第一个到达火星的探测器(水手 4号)沿着一条从地球上看似穿过火星背面的轨道飞行5，6 。当水手 4号经过火星背面从另一边出现时，观测到水手 4号和地基射电望远镜之间无线电链路的附加载波相位延迟和振幅变化，提供了有关火星的特别稀薄大气层及其电离层的密度信息7 。此后，在行星探测任务中进行了许多次试验，来研究太阳系中几乎所有行星的大气层，包括研究土星的卫星和土星环812 。1.1.2利用地球卫
5、星的掩星理论上说，用任何两颗互相配合的卫星，就可以完成用掩星技术对地球大气层和电离层的探测。在全球定位系统(GPS)开始工作前，进行了一些早期的利用卫星 卫星间跟踪链路的无线电掩星试验，其中包括和平号轨道空间站和地球静止卫星之间13 、GEOS3 与ATS6 之间14的无线电链路。然而，本书主要集中在低地球轨道航天器(LEO)的星载 GPS接收机在 GPS卫星被地球临边掩的时候跟踪 GPS卫星发射的导航信号测量到的载波相位和振幅上15 。1995年发射的 MicroLab1 上进行的掩星试验 GPS/MET(全球定位系统/气象学)是第一次用 GPS进行的掩星试验1619 。虽然是试验性的，使用
6、了来自 GPS/MET的超过 11000次掩星来复原折射率、密度、压力、温度和水蒸气剖面19 。GPS/MET 提供了权威的掩星技术概念的工程验证结果，其数据集成为了具有 GPS掩星能力的后续地球卫星改进跟踪能力和数据处理方案的试验平台。GPS/MET 还成为评估该技术在不同应用中科学和社会价值的基础，这些应用包括气象学、边界层研究、数值天气预报(NWP)和全球气候变化等。此后，还发射了 CHAMP(2001，挑战微小卫星有效载荷卫星)20 ，SACC(2001 ，气候应用卫星)和 GRACE(2002，重力测量和气象实验卫星)等卫星，现在还通过这些卫星或多或少地不断进行着无线电掩星观测21
7、。这些卫星每天分别能返回近 1000次掩星观测数据。未来一些实用航天任务已被列入计划，例如，专门用于掩星的低地球轨道气象、电离层和气候结构星座观测系统(COSMIC)将在 2005年发射2224 。该系统将利用每天大约 4000次全球分布的掩星观测数据给出准实时探测信息，这将被纳入到 NWP工程中。而且，如俄罗斯 GLONASS那样的其他全球导航卫星系统(GNSSs)和欧洲正在计划的 Galileo系统那样的未来导航系统，将拓展专用卫星对卫星掩星任务的观测机会25，26 。图 11 低地球轨道器的掩星91图 11 示意地描述了包括一颗 LEO卫星和 GPS卫星星座的典型掩星场景。在下落掩星中，
8、从 LEO处看到将从地球临边落下去的被掩GPS卫星。所分析的穿过中性大气(海平面高度上约 100km)的典型掩星的持续时间小于 100s。来自 GPS卫星的射线以近地平的下降速率通过地球大气的上层而在地球切点处掠过最深层。这里所说的射线可以用 GPS发射载波的同相面法线来确定。经过切点后，射线开始以其近地平的上升速率穿过上层大气，走出大气层，继续到达LEO。射线最大的总折射弯曲非常小，在干燥大气中约为 1。水蒸气，特别是对流层下部切点处造成的附加折射可使弯曲角增大 2倍或 3倍。小弯曲角剖面是“稀薄”大气的标志。干燥大气在微波频率上的折射指数与光的差不多。日落时地面观测者看到的视太阳在其直径方
9、向折射约 0.5。在太阳下边缘接近地平时，视太阳呈扁平状，显然为干燥大气折射随高度梯度(近指数)的缓变趋势。从边缘底部来的射线一般比边缘顶部的射线弯曲大。某些日落时出现的断裂状太阳盘是由于在低高度上折射率剖面突然偏离缓变趋势引起的。从被掩 GPS星到达 LEO的射线可能并不是唯一的，在几何光学范畴中实际上甚至可能并不存在。出于方便假设在图 11 中的观测时刻射线存在且是唯一的。射线相对当地等位势面的倾斜角非常小，在干燥大气中离切点 100km处大约为 1，随射线路径与切点距离线性增大。距切点 400km处，射线高度约大于 10km。由于干燥大气密度随高度近指数减小，在给定时刻有关大气层的大多数
10、信息都包含在切点附近相对狭窄的射线段内，长度为几百千米27 。在下落掩星中，随着时间演化，到达 LEO射线的切点一般更深入大气层。对选作分析的掩星，切点下降相对于当地垂线的初始横向角一般小于 30。由于大气密度随深度增加，LEO 上观测到的附加相位延迟(只是折射介质引入的附加相位)在掩星过程中持续增大，直到射线切点接近或接触到行星表面。当水蒸气很丰富且其密度的垂直梯度很大时，在地表附近的总附加延迟可超过 2km，折射弯曲角高达 4。在对流层下部散焦和多径变得很强烈，可能在射线触地面之前，信号振幅衰减至检测门限以下，提前数秒(有时达几十秒)结束掩星。然而，有时几秒钟后信号又恢复。有时在非常平滑的
11、折射率条件下，在来自 GPS卫星的直接信号完全被蚀之前，相位和振幅中可看到来自地球临边的峰脊衍射图或来自海面反射的干涉条纹28，29 。平均而言，CHAMP 的全球总掩星的 80%以上到达地表1km以内，60%到达 1/2km以内21 。今后，在 LEO的星载 GPS接收机实施新的信号跟踪算法后，该统计量还会增大。图 12 是 GPS/MET试验的早期掩星结果18 。这里给出了掩星最后 90s时间内 L1载波的附加相位延迟(单位为 m)及其时间导数，以及附加多普勒(单位为 Hz)。图中，下面的横坐标为协调世界时(UTC)，取线性刻度； 上面的横坐标表示射线路径切点的高度，取非线性刻度。因为射线
12、的折射弯曲角大致随深度增加，大气的折射梯度随深度显著增加实际上减慢了切点的平均下降速度。因此，LEO 必须沿着其轨道走得更远，才能截获到这些逐步深入穿透、受折射更严重的射线。接近地球表面时，切点平均下降速度一般比它在大气层上部的值要小一个量级。图 121995 年 4月 25日由 MicroLab1 上 GPS/MET试验设备观测到的 GPS 28号 PRN星的某一次掩星的附加多普勒和相位剖面，接近帕果 帕果(东萨摩亚首府)(根据文献18重绘)图 13 是同一次掩星的 L1载波振幅18 。纵轴 SNRV是以 V为单位的信噪比(SNR)，适用于 L1载波振幅各测量值在 1s时间上取均值的情况。该
13、图的实际采样速率为 50Hz，即平均采样间隔为 20ms。因此，图中各点的热噪声(约 1/SNRV)比所示的 SNRV值大 50倍。图 13 图 12 中所示同一次掩星中观测到的 L1载波的电压 SNR随时间变化(根据文献18重绘)该图清楚表明了折射梯度随深度增加引起的缓变散焦。折射梯度使逐步变深的离开大气层后的射线方向散开； 梯度实际上使射线偏斜，使射线扩散在更大面积上，从而使 LEO处的功率减弱。正比于 a的准直小面积(如图 14(a) 所示)与 LEO处形成的正比于 的非准直面积之比就是散焦因子。附录 A中推导了这个因子的一个简单形式： a=1-Ddda-1(1.11)式中,D 实际上是
14、从地球边缘到 LEO的距离，d/da 是折射弯曲角 的径向梯度。图 14(b) 所示多径较小，图 14 从 LEO上观测的掩星中折射梯度引起的不同弯曲(a) 随深度而增大的折射梯度引起的一组有规律的射线，无多径效应； (b) 非单调折射梯度造成的阴影区和多径有一个 d/da 短时间变大的阴影区。阴影区和来自多径波的干涉都会导致 SNR变化。图 13 中的 SNRV的缓变趋势实际上由1/2(SNRV)o 给出，其中 1/2 是大气造成的散焦，(SNRV)o 是无行星及其中间大气层时 LEO接收到 GPS信号的电压 SNR，即所谓“自由空间”中的值。除了缓变散焦效应，该图还显示了当射线的切点经过电
15、离层下部某些划分很窄的水平层和它经过对流层顶层时信号振幅的强瞬变。这些瞬变反映出从电离层和大气层的不同高度同时到达 LEO的不同射线之间存在多径引起的干涉。当主射线的切点进一步向下切入大气层中相接层到达对流层的中部和下部，该图中的强干涉现象可能是由水蒸气浓度变化引起的。在相位和振幅上观测到的这些瞬变引起大量问题，其中有一些比较容易处理。使用后向传播和谱技术在处理多径方面取得了明显进展。射线理论的难点是振幅的深槽、阴影区、超折射事件和焦散等。当射线理论自身的有效性受到损害时，这些技术解决问题的效果究竟如何仍有待确定。与许多瞬变对应的低 SNR，也使得经过它们时 LEO上观测相位的测量量保持连通发
16、生困难。我们后面将转向讨论这些话题。1.1.3全球定位系统GPS由美国空军(USAF)运行控制。GPS 的系统及其播发的导航信号结构描述可见文献30，31和许多互联网网站，这里仅说明几个细节。GPS星座由 24颗卫星和一些在轨备用星组成，基本全球分布，直至纬度 55。它们的轨道是半长轴约为 4.1个地球半径的近圆轨道，与赤道成 55倾角。从 LEO上平均每 23min可以看到一次 GPS卫星从地球临边升起或落下，即每天大约几百次。掩星切点的地理分布几乎是全球的，但是实际分布一定程度上还取决于 LEO轨道面的倾角及其轨道高度。例如，一颗极轨 LEO在赤道区送回的切点少一些，因为 GPS的轨道倾角
17、仅为 55，从该 LEO在极方向上看到的被掩 GPS更少。图 15 是所研究的 CHAMP卫星掩星中在 2001年约一个月的时间内得到的切点全球分布。赤道区切点的密度较低，这反映了 CHAMP近极轨的轨道倾角。该地理分布还表明了由两卫星轨道周期之间可通约性得到的不明显的群集和条纹。这些掩星中大致有1/3可探测到来自地球表面的反射射线29 。图 152001 年 5月 14日至 6月 10日期间从 CHAMP获得的近 4000次掩星的地理分布(根据文献29重绘)GPS卫星播发导航信号的波束是定向的，它们基本上以全功率笼罩整个地球。它们辐射功率分布波瓣的 3dB点在地球表面上方 1400km处。这
18、样，轨道半径一般在该 3dB门限高度以下 LEO上的 GPS接收机可达到与地面接收机相同的性能。每颗 GPS卫星通过发射的无线电信号载波相位的相干调制连续播发一组方波码。这些播发卫星特有的伪码都是伪随机的和互相正交的，可用于测距、发送星历和定时信息。伪码的相互正交特性使接收机可以利用互相关技术将接收到的指定卫星的广播信号与其他卫星的信号分离，并行处理接收机视场内接收的所有卫星的信号。GPS 卫星在两个相位相干的 L频段载波上播发测距码，L1 载波频率为1575.4MHz，L2 载波频率为 1227.6MHz。这包括在两个载波上码元速率为 10.23MHz的加密的精码(P 码)和在 L1载波上的
19、 1.023MHz的明码(或称粗捕获 C/A码)。双载波主要用于消除(或测定)电离层折射影响。对于电离层中的微波，折射率几乎完全正比于当地电子密度，反比于载波频率的平方。因此，借助电离层等离子体的这种色散特性，利用从两个载波分别接收到的测距和相位信息几乎可以完全将电离层等离子体折射效应分离出来。准备在这个 10年内发射的新型GPS接收机将增加另外一个频率为 1176.45MHz(L5)的载波和在 L2上的类 C/A码。这将明显提高使用明测距码的接收机的跟踪能力，并提高电离层修正的精度。GPS信号中测距码的信号结构是为准实时点定位而设计的，同时跟踪不同方向的 4颗或更多颗 GPS卫星，由伪码测距
20、测量量可在几秒钟内得到精度约为 10m的绝对点位置，还有相对于 GPS的时间。准实时相对定位(同时用两台或多台 GPS接收机跟踪)可以达到亚米级甚至亚分米级精度。但是在掩星应用中不需要测距信息，仅需要 L1和 L2载波相位和振幅的精确测量量，它们是伪码测距跟踪的副产品。对于掩星应用，我们可以把从 GPS卫星到达 LEO的无线电信号看成一对来自遥远的点源的球形单频波(频率分别为 1575MHz和 1228MHz)加上高达几万赫兹的运动学和折射引起的多普勒频移。用于空间大地测量的精度要求达到毫米级的高性能 GPS接收机可对每个载波的相位进行亚毫米级测量，因此它是掩星应用的必然选择。第 6章将介绍
21、LEO上的这种宇航级接收机的其他情况。1.1.4定时精确相位延迟测量的关键因素是测量时刻。接收机实测的相位依赖于发射机和接收机之间真实累积相位以及发射机和接收机时钟的时间差。知道给定瞬时两个时钟之间的时间偏差十分重要。更准确地说，知道该偏差随时间的变化很关键。因为相位测量值中的折射信息包含在它们随时间的变化中，所以常值偏差不是理想结果(但它可能是导航问题)。每颗 GPS星携带多达 4个非常精确的铯和(或)铷频率标准来控制时间和时间间隔。1999年，美国修改了国家关于 GPS运行控制某些方面的政策。政策的这一改变导致在 2000年 5月停止加选择可用性(SA)。SA 限制潜在对手和无译码能力的民
22、间用户的准实时点定位精度。在 20世纪90年代后期，SA 日益被视为许多 GPS应用、军方和民间用户的成本和生产力问题。随着国防部(DoD)有了新技术和其他方法限制 GPS的使用，坚持 SA要负重大的经济责任，尽管其可提供额外的国防利益。通过使 GPS卫星中时钟时间误差伪随机游动(游动量相当于几分钟内的光行时约 100m)，SA 人为降低了 GPS的准实时点定位精度至少一个量级。尽管该误差的最大偏离是有限制的，可以在 10min或者更长时间内平均而明显降低，SA 的短周期变化给时钟时刻插值带来了明显问题。SA 使 GSP星载主钟的振荡器频率在 10.23MHz处抖动，使其偏离原子频率标准。码片
23、速率和 L1(15410.23)及L2(12010.23)载波频率均由 10.23MHz信号生成。时钟时间来源于振荡器频率在一定时间上的累积。SA 抖动的大小有几种可能的严重等级，由特定警报或国防形势确定。在 2000年前的几年内，SA 被设置为相当低的水平，但不为零。现在 SA被设置成零，但并没有被取消。对于加上 SA后的高精度载波相位应用，需要多个地面站以较高的1Hz采样速率同时跟踪视场内的所有 GSP卫星。需要用这种高速跟踪来限制从不同 GSP卫星的实测相位统一到同一时刻时的内插和(或)外插误差。用这些跟踪数据，并参照共同发射时刻的跟踪相位测量量之间应用“双差分”或等效方案，可以消除 G
24、PS卫星之间的钟偏差误差34 。运用这些差分操作的代价是增加了相位测量量中的等效热噪声，在门限情况下热噪声变成精度限制因素，因而变得很令人关注。SA关闭后，可以用廉价的地面操作35和 0.10.03Hz这样慢得多的采样速率充分达到 GPS卫星上原子频率标准的固有精度(10s 的频率稳定度实际达 10-12量级)。GPS 时钟不稳定度(SA 关闭)引起的10s内测量相位变化的插值误差通常可以保持在远小于 1mm。除 GPS时钟误差外，还必须消除 LEO接收机的时钟误差。然而，LEO卫星通常搭载较差的频率标准，这需用其他方案来消除这个误差源。如图 11 中所示，LEO 星载 GPS接收机观测下落的
25、 GPS卫星，同时测量第二颗未经中间介质的 GPS卫星，即所谓“时钟”或者参考卫星(我们假设双频相位测量消除了电离层对相位的影响)。将同时跟踪这两颗 GPS卫星(现在为同步的)的同一接收时刻的相位测量作差，消除 LEO的时钟误差。该方法的代价是对测量精密度的影响，数据噪声增加了约 2倍，除门限探测情况外，其危害通常不大。1.1.5星历对掩星应用，在中性大气层中一次掩星过程约 100s，卫星间相对速度的误差必须控制到每秒零点几毫米。这折算成 LEO的精密轨道确定(POD)精度大约为 30cm，现在利用 GPS空间测地星载接收机很容易达到这一精度。对 GPS星座，每颗 GPS卫星的轨道信息包含在其
26、导航信号里(由美国空军(USAF)维持和实施)精度通常为几米，或万分之一量级。但对于 GPS的科学应用，特别是空间测地应用，最高需要约为百万分之一量级的精度。依据这个目标，10 年前在国际测地学和地球物理联盟(IUGG)赞助下建立了国际 GPS服务(IGS)设施。IGS由很多不同组织管理的全球分布的 350多个 GPS地面跟踪站、几个通信和数据信息中心、数据分析中心和一个负责监管和与用户联络的中心局组成36，37 。IGS 包括了来自 80多个国家 200多个以上的组织，共同维持和操作各自的系统单元。IGS 的科学产品包括极精确可靠的 GPS卫星星历，精度约 1dm，并由地基 GPS接收机构成地球参考标架，精度为每百万分之 1至 2。IGS 提供的这些精度超过了掩星应用的需求。
