GPS技術在大氣探測中的應用

劉勇伯

隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對于地球各部分區(qū)域的探索也越來越深入。借助各種不同的高科技設備及技術，科研工作者能夠實現(xiàn)對于過去難以探測到的區(qū)域的研究，從而為促進人類社會進步和發(fā)展做出貢獻。大氣圈是地球整個生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分，對于大氣物理性質以及化學性質的探測一直都是一項十分重要的工作，過去由于探測技術及技術的落后，往往很難對地球大氣達到一個比較詳細的探測結果。但是借助于GPS技術，科研工作者已經可以實現(xiàn)對于大氣的有效探測。接下來，本文將從GPS技術在大氣探測工作中的相關應用來進行具體的行文闡述。

【關鍵詞】GPS技術；大氣探測；具體應用

1 GPS技術及大氣探測概述

1.1 GPS技術概述

GPS系統(tǒng)起源于上世紀五十年代末的一項美軍項目，最初目的是為了實現(xiàn)對海陸空軍隊提供在全球范圍內的導航服務，從而幫助軍事單位更好的達成軍事目標。但是隨著GPS技術的不斷完善，以及國際形勢的不斷穩(wěn)定，GPS系統(tǒng)開始逐漸不斷開發(fā)更多的民用功能。目前GPS技術以及GPS系統(tǒng)已經被運用到人類社會生產經營活動的方方面面，從導航功能到定位功能，GIS系統(tǒng)極大的便利了人們的生活，為促進人類社會的文明進步作出了極大的貢獻。GIS系統(tǒng)的主要工作原理是通過已經發(fā)射至外太空的衛(wèi)星來測量從衛(wèi)星到GPS終端之間的距離來實現(xiàn)對位置的定位，利用至少4顆衛(wèi)星就能夠實現(xiàn)將這個GPS終端發(fā)射到同時參與定位監(jiān)測工作的不同衛(wèi)星從而較為精確的保證定位目前的情況。在實際情況中，GPS系統(tǒng)主要走有以下三部組成，首先是空間部分，這一部分就是指目前還在工作當中的24顆由于GPS系統(tǒng)的人造衛(wèi)星，在實際情況中，由于衛(wèi)星合理的發(fā)射角度與運行軌跡，能夠實現(xiàn)在地球表面的任何位置、任意時間都能夠至少有四顆觀測衛(wèi)星能夠觀測到這個位置。其次是地面控制系統(tǒng)，主要負責計算從衛(wèi)星傳遞回來的信息并傳遞給受眾。最后一部分是用戶終端部分，這一部分也被稱為GPS信號接收器，是發(fā)射信號到衛(wèi)星的主要工具。目前比較常見的具備GPS信號發(fā)射與接收的設備是車載GPS以及智能手機等電子設備。

1.2 大氣觀測工作概述

大氣探測工作就是指通過各種現(xiàn)代化儀器以及現(xiàn)代化探測技術來實現(xiàn)對于地球表面大氣圈中的物理性質以及化學性質進行一定的探測工作。大氣圈是地球生態(tài)圈中的重要組成部分，大氣圈系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀對于整個地球生態(tài)系統(tǒng)的正常運轉有著十分重要的影響。因此，我們必須重視起大氣探測工作的發(fā)展，通過及時、準確的把握大氣圈的情況來更好的促進整個生態(tài)環(huán)境的保護。目前，GPS技術已經被廣泛運用于大氣探測工作當中，極大的促進了我國大氣探測相關學科的發(fā)展，逐漸形成了GPS氣象學這一現(xiàn)代學科。

2 GPS技術在大氣探測中的應用

2.1 空基GPS大氣探測技術

空基GPS大氣探測技術也被稱為空間無線電掩星技術，就是指通過在近地軌道衛(wèi)星LEO地球衛(wèi)星系統(tǒng)中安置特定的GPS信號接收器來接收處于較高軌道的GPS衛(wèi)星所發(fā)出來的信號；這些微波信號在傳播過程中通過了中性大氣層，但由于中性大氣層對于GPS信號有一定程度上的遮掩效果，所以可以通過在信號中所反映出來的附加延遲量并結合反演理論來綜合計算出大氣溫度、濕度、壓強等基本參數(shù)。空基GPS大氣探測技術的基本工作原理就是當GPS衛(wèi)星所發(fā)射出來的GPS微波信號穿過大氣層達到離地表大約85KM上空的中間大氣層時，微波信號的傳播路徑就會在一定程度上發(fā)生形變，同時產生大約為1mm的信號延時，當微波信號繼續(xù)下降穿越大氣層時信號延時會不斷增加，當?shù)竭_地表的GPS信號接收器時信號延時大約會增加到1km。因此，當GPS信號通過大氣層時所產生的信號延時是6位數(shù)的數(shù)量級，這些信息在經過位于低軌衛(wèi)星上的雙頻GPS信號機的處理后，利用計算機對信號的載波相位以及延時進行測算，從而獲取相關的大氣狀況因素信息。

2.2 地基GPS大氣探測技術

在實際情況中，從外太空GPS衛(wèi)星所發(fā)射的GPS微波信號在通過大氣圈中的電離層以及大氣層時，受到電磁干擾的影響，信號傳播的速度會減慢，這樣一來就會造成地表信號接收器對于GPS微波信號接收的延遲。根據(jù)研究，電離層對于信號干擾所造成的延時與電離層的電磁頻率有關，所以通過雙頻GPS接收器就能夠確定電離層所導致的信號延時。同時，當GPS微波信號通過大氣層時，由于大氣層本身不帶電，那么就可以確定信號的延時情況與電磁頻率無關，僅僅與大氣層本身的構成情況有關。這樣就能夠實現(xiàn)對于大氣狀況因素信息的獲取。

2.3 GPS探空探測技術

目前，GPS技術在大氣探測工作中的另外一項重要應用就是探空觀測工作。這項技術的主要工作內容是通過探空儀器來攜帶GPS信號接收器升空至特點的高度，通過整個GPS系統(tǒng)的定位功能來幫助測定高空風。目前，常見的GPS探空站主要由遙測接收系統(tǒng)、地表信號接收單位、氣象觀測儀器、探空儀器這幾部分組成。GPS探空儀器通過氣球來實現(xiàn)升空，在到達指定高度的過程中持續(xù)發(fā)射信號，同時又地表的遙測接收系統(tǒng)來實現(xiàn)對于探空儀器的追蹤。這些接收到的數(shù)據(jù)在進過信號處理工作之后就能夠還原為氣象信息。GPS探空觀測技術相對來說更加靈活，能夠適應各種各樣復雜的工作環(huán)境，但對于探空儀器的工作穩(wěn)定性要求也更高。

3 總結

隨著GPS技術的不斷發(fā)展，大氣探測工作也在一個快速發(fā)展的過程當中。科研工作者通過不斷對大氣圈進行探測工作來了解大氣圈系統(tǒng)運行狀況，從而更好的進行地球生態(tài)圈的保護工作。因此，我們必須深刻認識到GPS技術在大氣探測中的應用現(xiàn)狀來推進我國大氣觀測事業(yè)的不斷發(fā)展。

參考文獻

[1]苗運玲.天山北坡東段GPS反演的大氣可降水量變化特征及其與降水的關系[J].干旱氣象，2016（06）.

[2]苗娟.基于星載高精度GPS觀測數(shù)據(jù)的大氣密度反演[J].地球物理學報，2016（10）.

作者單位

黑龍江省佳木斯市氣象局 黑龍江省佳木斯市 154004