基于导航卫星掩星资料同化的气象参数探测方法研究

发布时间：2020-10-15 20:44

　　 天气预报已成为人们生活中必不可少的部分,现代天气预报的结果主要来源于数值天气预报模式。数值天气预报本质上是一种初值优化问题,即在一定的初始场和边界约束条件下,求解模型的方程组,对接下来某个时间段的大气状态变化规律进行预测。数值天气预报的预报质量与初始场信息的质量直接相关。将掩星资料同化进数值天气预报模式中可以明显改善初始场质量,提高其预报质量。在掩星资料同化技术中,现有的大气参数求解算法存在一些不足。本课题提出了一种基于同步微扰随机近似(Simultaneous perturbation stochastic approximation, SPSA)的大气参数求解方法。该方法利用梯度估计引导搜索过程逼近最优解,避开了复杂的代价函数求导过程,可实现性好。本文的主要研究内容及创新工作如下：(1)主要介绍了掩星观测的相关知识,并重点研究了掩星资料同化技术。本文首先研究了掩星观测技术的基本原理,并推导了掩星资料同化的代价函数,掩星资料同化技术本质上是一种高维、梯度难以计算的函数优化问题；然后根据观测资料不同将观测算子分成了大气折射率算子和弯曲角算子,并对每种算子进行了细分,总结了各类观测算子的优缺点；最后概括并分析了现有的大气参数求解算法,指出了现有算法在观测算子复杂时可行性差等不足。(2)提出了一种基于SPSA算法的大气参数求解算法。同时根据代价函数的实际特点,本文对SPSA算法进行如下改进：根据待优化参数特点,以迭代步长向量代替迭代步长因子并且利用方差进一步调整迭代步长向量。SPSA算法在高维、难求导的优化问题中应用广泛,适合求解掩星资料同化技术的代价函数极小值。本文通过大量的对比实验验证了改进型SPSA算法求解大气参数的有效性,科学性。针对现有大气参数求解算法的不足,本文提出了基于掩星资料同化的改进型SPSA大气参数求解方法。本文的相关方法丰富了掩星同化技术理论,这些方法不仅有理论上的创新性,也有一定的实际应用价值。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：P456.7;P412.27
【部分图文】：

行ＧＰＳ导航定位。这个最初用于军事目的的定位系统的普及程度已远远超过当??初的预期。导航定位已经成为基本的生活服务之一。??图１．１显示的ＧＰＳ卫星星座图。ＧＰＳ系统包括２４颗常规王作卫星及部分备??用卫星，共有６个轨道面，２４颗常规卫星在６个轨道面上均匀分布。ＧＰＳ卫星??的轨道高度约为２００００Ｋｍ，属于中高轨道。ＧＰＳ导航卫星会持续发射两个波段??的载波信号，分别是频率为１５＾．４２?ＭＨｚ的Ｌ１载波信号和频率为１２２７．６０?ＭＨｚ??的Ｌ２载波信号，它们的波长为１９．０３ｃｍ和２４．４２ｃｍ。在两个波段的载波信号上，??调制了多种信号，主要包括Ｃ／Ａ码（粗码）和Ｐ码（精码）。ＧＰＳ导航系统除了??在基本定位导航和授时服务应用广泛外，还用于车辆调度、自动驾驶、灾害监测、??应急救援、区域监测等等，服务了生活的很多方面。??Ｈ??图１．１?ＧＰＳ系统卫星分布图??Ｆｉｇｌ．ｌ?Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｍａｐ?ｏｆ?ＧＰＳ?ｓｙｓｔｅｍ??一个完整的ＧＰＳ定位系统是３个互相联系的部分构成的有机整体

中也与测站标石中也位置之间的偏差，例如对中误差等等。??Ｗ上对ＧＰＳ导航卫星进行观测时的主要噪声。在ＧＰＳ接收机跟踪锁定卫星??载波信号的过程中，可能会出现周跳现象，如图２．２所示。??若在对ＧＰＳ信号进行观测时，发现周跳，必须对周跳进行修复后，才能继??续畑Ｓ信号进行处理。周跳的原因有很多种，例如无线电干扰和障碍物遮挡等??等。在对卫星信号进行持续观测时，接收机锁定卫星信号后，对卫星的载波相位??进行持续连续的整周计数，扣ｆ（Ｐ）会连续増加。所谓周跳，是指接收机在跟踪锁??定卫星信号Ｗ后，由于某种原因，接收机无法继续跟踪锁定载波信号（失锁现象），??从而整周计数如会产生跳变。目前，周跳检测的常用方法有商次差法，多项??式拟合法，卫星间求差法和平差残差法等等。??（２）计算多普勒频移??载波信号Ｌ１和Ｌ２中包含的噪声

误差协方差矩阵。一般认为不同层的弯曲角是互不相关的，所Ｗ其误差协方差矩??阵Ｒ为对角阵。??图２．５与图２．６显示了背景场误差协方差矩阵Ｂ和大气折射率的误差协方差??矩阵Ｒ值的经验值。??图２．５是背景场数据的误差协方差矩阵，矩阵中用颜色表示值的大小，所有??的值都在区间化叫内，由图可知，距对角线越远，值的绝对值越小；由（１，１）到??ｙ３７，１３７）的子矩阵为大气温度的误差协方差；。３８，１３８）到（２７午２７４）的子矩阵是大??气湿度的误差协方差；（２７５，２７５）是表面大气压的方差系数。图２．５中，温度与湿??度的表标准差每级都具体给出了，而大气压的标准差给出了一个大气表面大气压??方差系数口＾＊。，假设第ｆ层的大气压为ｉ＾则其标准差为￡７＾。＝／＞１＊０＂＾，／。。图２．６为??大气折射率的误差协方差矩阵，横竖坐标表示大气折射率的层级，矩阵中的颜色??表示矩阵元素值的大小。??二［雜判??２５０?－?＼?Ｈ??Ｌ—Ａ．．＼ｌ?圏?＊０?４??说
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本文编号：2842226