一种GNSS掩星临近空间气候数据反演方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种GNSS掩星临近空间气候数据反演方法及系统，该方法包括：获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据并进行预处理；从预处理后的数据中获取双频弯曲角数据，掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境数据；基于GNSS掩星数据源时空数据和气候分析任务选取GNSS掩星观测数据并进行分组，划分为多个数据集；基于各数据集的双频弯曲角数据和掩星几何参数计算弯曲角廓线；基于掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境参数计算弯曲角残差廓线；基于双频线性组合弯曲角廓线和弯曲角残差廓线计算弯曲角均值廓线；基于弯曲角均值廓线和掩星几何参数，采用Abel积分变换算法反演GNSS掩星临近空间气候数据集。

【技术实现步骤摘要】
一种GNSS掩星临近空间气候数据反演方法及系统
本专利技术涉及大气遥感及其气象气候应用领域，具体涉及一种GNSS掩星临近空间气候数据反演方法及系统。
技术介绍
政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出需要更高精度和分辨率的对流层顶和平流层观测数据进行气候变化分析。GNSS掩星技术自定标且长期稳定具有成为参考气候数据的潜力而被指定为全球气候观测系统(GCOS)的关键数据源之一。世界气象组织下属的气象卫星协调组(CGMS)和国际掩星工作组(IROWG)建议按照GCOS的标准建立GNSS掩星气候数据集。研究表明，GNSS掩星数据质量在8-20km范围内能满足GCOS的要求，并应用到了该高度范围内的全球温度变化趋势和对流层顶参数变化等气候现象的分析中。但是随高度上升，电离层影响越来越大，GNSS掩星观测值的信噪比逐渐降低，反演大气参数精度也逐渐降低，平流层顶部(约20-50km)掩星数据精度已不能满足GCOS和IPCC的要求。传统的GNSS掩星反演方法采用统计优化方法，将电离层残差和信号观测噪声在高层大气初始化过程中，用背景大气信息来订正或代替。不同GNSS掩星数据处理中心高层大气初始化方法和采用的背景大气模式不同，给GNSS掩星大气产品引入了新的系统性偏差。因此，电离层残差和高层大气初始化是制约GNSS掩星包含平流层顶部在内的临近空间(本专利技术主要指20-60km高度范围的大气层)气候数据高精度反演的主要瓶颈，亟待研发新的GNSS掩星临近空间气候数据反演方法及系统。专利技术内容本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种GNSS掩星临近空间气候数据反演方法及系统，实现GNSS掩星临近空间气候数据反演。本专利技术的实施例1提出了一种GNSS掩星临近空间气候数据反演方法，所述方法包括：获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据并进行预处理；从预处理后的数据中获取双频弯曲角数据，掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境数据；基于GNSS掩星数据源时空数据和气候分析任务选取GNSS掩星观测数据并进行分组，划分为多个数据集；基于各数据集的双频弯曲角数据和掩星几何参数计算弯曲角廓线；基于掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境参数计算弯曲角残差廓线；基于双频线性组合弯曲角廓线和弯曲角残差廓线计算弯曲角均值廓线；基于弯曲角均值廓线和掩星几何参数，采用Abel积分变换算法反演GNSS掩星临近空间气候数据集。作为上述方法的一种改进，所述GNSS掩星观测数据包括：双频GNSS掩星弯曲角廓线、GNSS卫星和LEO卫星的位置和时间；所述时空数据包括：掩星事件发生的世界时、发生位置的经度和纬度；所述空间环境数据包括：“入射线”侧电离层穿刺点位置处vTEC和“出射线”侧电离层穿刺点位置处vTEC；“入射线”侧电离层穿刺点位置处地磁场强度和“出射线”侧电离层穿刺点位置处地磁场强度廓线和太阳活动强度F10.7指数。作为上述方法的一种改进，所述获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据并进行预处理；包括：获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据；从多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据中剔除异常数据；将不同GNSS掩星系统和不同掩星任务的时空数据的各个参量统一为相同物理量和同一单位。作为上述方法的一种改进，所述掩星几何参数包括：掩星切点曲率半径、大地水准面差距、影响参数、GNSS卫星位置矢量、LEO卫星位置矢量、“入射线”侧电离层穿刺点位置矢量、“出射线”侧电离层穿刺点位置矢量、LEO卫星至GNSS卫星位置单位矢量。作为上述方法的一种改进，所述基于GNSS掩星数据源时空数据和气候分析任务选取GNSS掩星观测数据并进行分组，划分为多个数据集；包括：根据气候分析的区域要求，利用掩星事件的位置经度和纬度选取发生在该区域的掩星事件作为总体观测数据集；根据GNSS掩星数据源对总体观测数据集进行分组；利用掩星事件的世界时和经度计算掩星事件发生的地方时，将地方时在6:00时至18:00的掩星事件归为“白天”数据集，其它的掩星事件归为“夜晚”数据集；根据气候分析的时间尺度，利用掩星的世界时将上述“白天”和“夜晚”数据集划分为不同时间区间的时间序列；如果所选区域跨越纬度大于40度且经度大于80度，根据时间序列的时间区间将该区域划分为纬度带。作为上述方法的一种改进，所述基于各数据集的双频弯曲角数据和掩星几何参数计算弯曲角廓线；具体包括：确定每个数据集的影响参数格点廓线利用每个数据集的掩星事件的影响参数，将其弯曲角数据插值到影响参数格点上；将每个数据集中相同掩星事件具有相同影响参数的弯曲角进行双频线性组合，计算线性组合弯曲角廓线作为上述方法的一种改进，所述基于双频线性组合弯曲角廓线和弯曲角残差廓线计算弯曲角均值廓线；具体包括：将弯曲角电离层残差廓线插值到影响参数格点廓线得到计算电离层残差修正后弯曲角廓线对每个数据集的弯曲角廓线求平均，得到弯曲角均值廓线作为上述方法的一种改进，所述基于弯曲角均值廓线和掩星几何参数，采用Abel积分变换算法反演GNSS掩星临近空间气候数据集；具体包括：其中，为大气折射率均值廓线，a0为掩星切点处的影响参数；其中，为平均海拔高度，m为数据子集掩星事件个数，ci为各掩星事件的切点曲率半径，li为各掩星事件的大地水准面差距；其中，为平均大气折射指数廓线；其中，为大气密度廓线，M为大气的平均分子量，R为理想气体普适常数；其中，为大气压强均值廓线，u为设定的上边界，Pu为上边界处的压强，g为重力加速度；根据大气密度和压强廓线计算温度廓线GNSS掩星气候数据包括：大气折射指数均值廓线大气压强均值廓线和温度均值廓线根据对流层顶的高度范围，截取20km以上的GNSS掩星气候数据，作为GNSS掩星临近空间气候数据产品。本专利技术的实施例2提出了一种GNSS掩星临近空间气候数据反演系统，所述系统包括：数据预处理模块，用于获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据并进行预处理；从预处理后的数据中获取双频弯曲角数据，掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境数据；数据集划分模块，用于基于GNSS掩星数据源时空数据和气候分析任务选取GNSS掩星观测数据并进行分组，划分为多个数据集；弯曲角均值廓线计算模块，用于基于各数据集的双频弯曲角数据和掩星几何参数计算弯曲角廓线；基于掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境参数计算弯曲角残差廓线；基于双频线性组合弯曲角廓线和弯曲角残差廓线计算弯曲角均值廓线；临近空间气候数据反演模块，用于基于弯曲角均值廓线和掩星几何参数，采用Abel积分变换算法反演GNS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GNSS掩星临近空间气候数据反演方法，所述方法包括：/n获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据并进行预处理；/n从预处理后的数据中获取双频弯曲角数据，掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境数据；/n基于GNSS掩星数据源时空数据和气候分析任务选取GNSS掩星观测数据并进行分组，划分为多个数据集；/n基于各数据集的双频弯曲角数据和掩星几何参数计算弯曲角廓线；/n基于掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境参数计算弯曲角残差廓线；/n基于双频线性组合弯曲角廓线和弯曲角残差廓线计算弯曲角均值廓线；/n基于弯曲角均值廓线和掩星几何参数，采用Abel积分变换算法反演GNSS掩星临近空间气候数据集。/n

【技术特征摘要】
1.一种GNSS掩星临近空间气候数据反演方法，所述方法包括：
获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据并进行预处理；
从预处理后的数据中获取双频弯曲角数据，掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境数据；
基于GNSS掩星数据源时空数据和气候分析任务选取GNSS掩星观测数据并进行分组，划分为多个数据集；
基于各数据集的双频弯曲角数据和掩星几何参数计算弯曲角廓线；
基于掩星几何参数，电离层、地磁场和太阳活动强度空间环境参数计算弯曲角残差廓线；
基于双频线性组合弯曲角廓线和弯曲角残差廓线计算弯曲角均值廓线；
基于弯曲角均值廓线和掩星几何参数，采用Abel积分变换算法反演GNSS掩星临近空间气候数据集。


2.根据权利要求1所述的GNSS掩星临近空间气候数据反演方法，其特征在于，所述GNSS掩星观测数据包括：双频GNSS掩星弯曲角廓线、GNSS卫星和LEO卫星的位置和时间；所述时空数据包括：掩星事件发生的世界时、发生位置的经度和纬度；所述空间环境数据包括：“入射线”侧电离层穿刺点位置处vTEC和“出射线”侧电离层穿刺点位置处vTEC；“入射线”侧电离层穿刺点位置处地磁场强度和“出射线”侧电离层穿刺点位置处地磁场强度廓线和太阳活动强度F10.7指数。


3.根据权利要求2所述的GNSS掩星临近空间气候数据反演方法，其特征在于，所述获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据并进行预处理；包括：
获取多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据；
从多源GNSS掩星观测数据、时空数据和空间环境数据中剔除异常数据；
将不同GNSS掩星系统和不同掩星任务的时空数据的各个参量统一为相同物理量和同一单位。


4.根据权利要求3所述的GNSS掩星临近空间气候数据反演方法，其特征在于，所述掩星几何参数包括：掩星切点曲率半径、大地水准面差距、影响参数、GNSS卫星位置矢量、LEO卫星位置矢量、“入射线”侧电离层穿刺点位置矢量、“出射线”侧电离层穿刺点位置矢量、LEO卫星至GNSS卫星位置单位矢量。


5.根据权利要求4所述的GNSS掩星临近空间气候数据反演方法，其特征在于，所述基于GNSS掩星数据源时空数据和气候分析任务选取GNSS掩星观测数据并进行分组，划分为多个数据集；包括：
根据气候分析的区域要求，利用掩星事件的位置经度和纬度选取发生在该区域的掩星事件作为总体观测数据集；
根据GNSS掩星数据源对总体观测数据集进行分组；
利用掩星事件的世界时和经度计算掩星事件发生的地方时，将地方时在6:00时至18:00的掩星事件归为“白天”数据集，其它的掩星事件归为“夜晚”数据集；
根据气候分析的时间尺度，利用掩星的世界时将上述“白天”和“夜晚”数据集划分为不同时间区间的时间序列；
如果所选区域跨越纬度大于40度且经度大于8...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳聪亮，孙越强，杜起飞，白伟华，王先毅，胡鹏，谭广远，蔡跃荣，夏俊明，王冬伟，李伟，吴春俊，刘成，尹聪，李福，乔颢，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11