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GPS技術(shù)在氣象學(xué)中的應(yīng)用
________________________________________發(fā)布時(shí)間：2003-12-5 0:00:00 來源： 閱讀：4572
一、前言
GPS技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，其應(yīng)用研究及應(yīng)用領(lǐng)域得到了極大的擴(kuò)展，其中一個(gè)重 要的應(yīng)用領(lǐng)域就是氣象學(xué)研究。利用GPS理論和技術(shù)來遙感地球大氣，進(jìn)行氣象學(xué)的理論 和方法研究，如測(cè)定大氣溫度及水汽含量，監(jiān)測(cè)氣候變化等，叫做GPS氣象學(xué)（GPS/MET eorology, 簡(jiǎn)寫為GPS/MET）。GPS氣象學(xué)的研究于80年代后期最先在美國起步，在美國 取得理想的試驗(yàn)結(jié)果之后，其他國家如日本等也逐步開始GPS在氣象學(xué)中的研究。
二、GPS氣象學(xué)簡(jiǎn)介
大氣溫度、大氣壓、大氣密度和水汽含量等量值是描述大氣狀態(tài)最重要的的參數(shù)。 無線電探測(cè)、衛(wèi)星紅外線探測(cè)和微波探測(cè)等手段是獲取氣溫、氣壓和濕度的傳統(tǒng)手段。 但是它們與GPS手段相比，就可明顯地看出傳統(tǒng)手段的局限性。無線電探測(cè)法的觀測(cè)值精 度較好，垂直分辨率高，但地區(qū)覆蓋不均勻，在海洋上幾乎沒有數(shù)據(jù)。被動(dòng)式的衛(wèi)星遙 感技術(shù)可以獲得較好的全球覆蓋率和較高的水平分辨率，但垂直分辨率和時(shí)間分辨率很 低。利用GPS手段來遙感大氣的優(yōu)點(diǎn)是，它是全球覆蓋的，費(fèi)用低廉，精度高，垂直分辨 率高。根據(jù)1995年4月3日美國發(fā)射的用于GPS氣象學(xué)研究的Microlab-1低軌衛(wèi)星的早期結(jié) 果顯示，對(duì)于干空氣，在從5～7 km到35～40 km的高度上，所獲得的溫度可以精確到± 1.0℃之內(nèi)。正是這些優(yōu)點(diǎn)使得GPS/MET技術(shù)成為大氣遙感的最有效最有希望的方法之一 。
當(dāng)GPS發(fā)出的信號(hào)穿過大氣層中對(duì)流層時(shí)，受到對(duì)流層的折射影響，GPS信號(hào)要發(fā)生 彎曲和延遲，其中信號(hào)的彎曲量很小，而信號(hào)的延遲量很大，通常在2.3 m左右。在GPS 精密定位測(cè)量中，大氣折射的影響是被當(dāng)作誤差源而要盡可能將它的影響消除干凈。而 在GPS/MET中，與之相反，所要求得的量就是大氣折射量。通過計(jì)算可以得到我們所需的 大氣折射量，再通過大氣折射率與大氣折射量之間的函數(shù)關(guān)系可以求得大氣折射率。大 氣折射率是氣溫T，氣壓P和水汽壓力e的函數(shù)，通過一定關(guān)系，則可以求得我們所需要的 量。
三、GPS氣象學(xué)分類
根據(jù)GPS/MET觀測(cè)站的空間分布來分類，可以分為兩大類：
① 地基GPS氣象學(xué)(Ground-based GPS/MET)
② 空基GPS氣象學(xué)(Space-based GPS/MET)
地基GPS氣象學(xué)就是將GPS接收機(jī)安放在地面上，象常規(guī)的GPS測(cè)量一樣，通過地面布 設(shè)GPS接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)，來估計(jì)一個(gè)地區(qū)的氣象元素。
空基GPS氣象學(xué)就是利用安裝在低軌衛(wèi)星（Low Earth Orbit,簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)EO）上的GPS接 收機(jī)來接收GPS信號(hào)。當(dāng)GPS信號(hào)與LEO衛(wèi)星上GPS接收聯(lián)線經(jīng)過地球上空對(duì)流層時(shí)，GPS信 號(hào)會(huì)發(fā)生折射。這一測(cè)量大氣折射的方法叫做掩星法，該方法是20世紀(jì)60年代美國噴氣 推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室JPL和Stanford 大學(xué)為研究行星大氣和電離層而發(fā)展起來的。通過對(duì)含有折 射信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以計(jì)算出大氣折射量而估計(jì)出我們所需要的氣象元素的大小 。
但無論是地基GPS/MET還是空基GPS/MET，其目標(biāo)都是一樣，即計(jì)算出大氣折射量。 其不同之處在于空基GPS/MET涉及的數(shù)據(jù)處理更麻煩一些，因?yàn)榘惭b在低軌衛(wèi)星上的GPS 接收機(jī)跟GPS衛(wèi)星一樣，也是運(yùn)動(dòng)的，而且在接收機(jī)接收到的所有衛(wèi)星的信號(hào)中，并不像 地面上的接收機(jī)那樣，所接收到的衛(wèi)星信號(hào)中必定包含有大氣折射信息。
四、GPS氣象學(xué)的原理
在GPS數(shù)據(jù)處理時(shí)，一般是像對(duì)待基線向量一樣，將大氣折射量視為未知參數(shù)進(jìn)行估 計(jì)的。在數(shù)據(jù)處理中通常是根據(jù)觀測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短、基線的長(zhǎng)短、觀測(cè)時(shí)的氣象條件等因 素，來決定大氣折射未知參數(shù)估計(jì)的個(gè)數(shù)。通過這種辦法估計(jì)出來的大氣折射量的精度 很高，一般可至毫米級(jí)。而大氣折射量的大小是由GPS信號(hào)穿過對(duì)流層時(shí)沿經(jīng)路徑上的大 氣折射率n決定的，某處的大氣折射率n是該處的氣壓、溫度和濕度的函數(shù)。因此可以建 立起大氣折射量與氣象元素之間的關(guān)系。為方便起見，定義折射數(shù)N=(n-1)×106。在處 理對(duì)流層大氣折射時(shí)一般是將空氣分為兩部分，一部分是干空氣，另一部分是濕空氣。 GPS信號(hào)延遲中，濕空氣所占的比重比干空氣所占的比重要小得多，但濕空氣這一部分的 變化要比干空氣的變化要大，而且比干空氣更不穩(wěn)定。濕空氣的變化難以估計(jì)，是造成 大氣折射量估計(jì)不準(zhǔn)的主要原因，這也影響著后來的氣象元素的計(jì)算準(zhǔn)確性。
五、GPS/MET的應(yīng)用前景
GPS/MET探測(cè)數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣（全球）、高垂直分辨率、高精度和高長(zhǎng)期穩(wěn)定的 特點(diǎn)。對(duì)它的研究將給天氣預(yù)報(bào)、氣候和全球變化監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響。
1. 天氣預(yù)報(bào)
我們知道數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）模式必須用3維溫、壓、濕和風(fēng)數(shù)據(jù)作為初值。目前 提供這些初始化數(shù)據(jù)的探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)空密度極大地限制了預(yù)報(bào)模式的精度。無線電探空 資料一般只在大陸地區(qū)存在，而在重要的海洋區(qū)域，資料極為缺乏。即使在大陸地區(qū)， 探測(cè)一般也只是每隔12 h進(jìn)行一次。雖然目前氣象衛(wèi)星資料可以反演得到溫度輪廓線， 但這些輪廓線有限的垂直分辨率使得它們對(duì)預(yù)報(bào)模式的影響相當(dāng)小。而GPS/MET觀測(cè)系統(tǒng) 可以進(jìn)行全天候的全球探測(cè)，加上觀測(cè)值的高精度和高垂直分辨率，使得NWP精度的提高 成為可能。這樣，可以提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠性。
2. 氣候和全球變化監(jiān)測(cè)
全球平均溫度和水汽是全球氣候變化的兩個(gè)重要指標(biāo)。與當(dāng)前的傳統(tǒng)探測(cè)方法相比 ，GPS/MET探測(cè)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地提供相對(duì)高精度和高垂直分辨率的溫度輪廓線，尤其 是在對(duì)流層頂和平流層下部區(qū)域。更重要的是，從GPS/MET數(shù)據(jù)計(jì)算得到的大氣折射率是 大氣溫度、濕度和氣壓的函數(shù)，因此可以直接把大氣折射率作為“全球變化指示器”。
3. 其他應(yīng)用
GPS/MET觀測(cè)數(shù)據(jù)有可能以足夠的時(shí)空分辨率來提供全球電離層映像，這將有助于電 離層/熱層系統(tǒng)中許多重要的動(dòng)力過程及其與地氣過程關(guān)系的研究。例如，重力波使中層 大氣與電離層之間進(jìn)行能量和動(dòng)量交換，通過測(cè)量LEO衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星之間信號(hào)路徑上總 的電子含量（TEC）來追蹤重力波可能是一種方法。
GPS/MET提供的溫度輪廓線還可以用于其他的衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)中。如O3的遙感系統(tǒng)中需 要提供精確的溫度輪廓線，利用GPS/MET數(shù)據(jù)可以很好地滿足這一要求。
*本項(xiàng)研究分別受測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金和武漢測(cè)繪科技大學(xué)科 技發(fā)展基金資助。
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GPS的應(yīng)用范圍
1、GPS應(yīng)用于測(cè)量
GPS技術(shù)給測(cè)繪界帶來了一場(chǎng)革命。利用載波相位差分技術(shù)（RTK），在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)觀測(cè)站的載波相位的基礎(chǔ)上，可以達(dá)到厘米級(jí)的精度。與傳統(tǒng)的手工測(cè)量手段相比，GPS技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢(shì)： 測(cè)量精度高； 操作簡(jiǎn)便，儀器體積小，便于攜帶； 全天候操作；觀測(cè)點(diǎn)之間無須通視；測(cè)量結(jié)果統(tǒng)一在WGS84坐標(biāo)下，信息自動(dòng)接收、存儲(chǔ)，減少繁瑣的中間處理環(huán)節(jié)。 當(dāng)前，GPS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、資源勘查、地殼運(yùn)動(dòng)、地籍測(cè)量等領(lǐng)域。
2、GPS應(yīng)用于交通
出租車、租車服務(wù)、物流配送等行業(yè)利用GPS技術(shù)對(duì)車輛進(jìn)行跟蹤、調(diào)度管理，合理分布車輛，以最快的速度響應(yīng)用戶的乘車或送請(qǐng)求，降低能源消耗，節(jié)省運(yùn)行成本。 GPS在車輛導(dǎo)航方面發(fā)揮了重要的角色，在城市中建立數(shù)字化交通電臺(tái)，實(shí)時(shí)發(fā)播城市交通信息，車載設(shè)備通過GPS進(jìn)行精確定位，結(jié)合電子地圖以及實(shí)時(shí)的交通狀況，自動(dòng)匹配最優(yōu)路徑，并實(shí)行車輛的自主導(dǎo)航。 民航運(yùn)輸通過GPS接收設(shè)備，使駕駛員著陸時(shí)能準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)跑道，同時(shí)還能使飛機(jī)緊湊排列，提高機(jī)場(chǎng)利用率，引導(dǎo)飛機(jī)安全進(jìn)離場(chǎng)。
3、GPS應(yīng)用于救援
利用GPS定位技術(shù)，可對(duì)火警、救護(hù)、警察進(jìn)行應(yīng)急調(diào)遣，提高緊急事件處理部門對(duì)火災(zāi)、犯罪現(xiàn)場(chǎng)、交通事故、交通堵塞等緊急事件的響應(yīng)效率。特種車輛（如運(yùn)鈔車）等，可對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行報(bào)警、定位，將損失降到最低。 有了GPS的幫助，救援人員就可在人跡罕至、條件惡劣的大海、山野、沙漠，對(duì)失蹤人員實(shí)施有效的搜索、拯救。裝有GPS裝置的漁船，在發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，可及時(shí)定位、報(bào)警，使之能更快更即使地獲得救援。
4、GPS應(yīng)用于農(nóng)業(yè)
當(dāng)前，發(fā)達(dá)國家已開始把GPS技術(shù)引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，即所謂的"精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)耕作"。該方法利用GPS進(jìn)行農(nóng)田信息定位獲取，包括產(chǎn)量監(jiān)測(cè)、土樣采集等，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，決策出農(nóng)田地塊的管理措施，把產(chǎn)量和土壤狀態(tài)信息裝入帶有GPS設(shè)備的噴施器中，從而精確地給農(nóng)田地塊施肥、噴藥。通過實(shí)施精準(zhǔn)耕作，可在盡量不減產(chǎn)的情況下，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，有效避免資源浪費(fèi)，降低因施肥除蟲對(duì)環(huán)境造成的污染。
5、GPS應(yīng)用于娛樂消遣
隨著GPS接收機(jī)的小型化以及價(jià)格的降低，GPS逐漸走進(jìn)了人們的日常生活，成為人們旅游、探險(xiǎn)的好幫手。通過GPS，人們可以在陌生的城市里迅速地找到目的地，并且可以最優(yōu)的路徑行駛；野營(yíng)者攜帶GPS接收機(jī)，可快捷地找到合適的野營(yíng)地點(diǎn)，不必?fù)?dān)心迷路；甚至一些高檔的電子游戲，也使用了GPS仿真技術(shù)。
按其作用分
GPS應(yīng)用于導(dǎo)航
主要是為船舶,汽車,飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行定位導(dǎo)航。例如：
1.船舶遠(yuǎn)洋導(dǎo)航和進(jìn)港引水
2.飛機(jī)航路引導(dǎo)和進(jìn)場(chǎng)降落
3.汽車自主導(dǎo)航
4.地面車輛跟蹤和城市智能交通管理
5.緊急救生
6.個(gè)人旅游及野外探險(xiǎn)
7.個(gè)人通訊終端(與手機(jī)，PDA，電子地圖等集成一體)
GPS應(yīng)用于授時(shí)校頻
1.電力，郵電，通訊等網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步
2.準(zhǔn)確時(shí)間的授入
3.準(zhǔn)確頻率的授入
GPS應(yīng)用于高精度測(cè)量
1.各種等級(jí)的大地測(cè)量，控制測(cè)量
2.道路和各種線路放樣
3.水下地形測(cè)量
4.地殼形變測(cè)量，大壩和大型建筑物變形監(jiān)測(cè)
5.GIS應(yīng)用
6.工程機(jī)械（輪胎吊，推土機(jī)等）控制
7.精細(xì)農(nóng)業(yè)
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