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研究生:高士杰
研究生(外文):Shih-Chieh kao
論文名稱:中華三號衛星計畫GPS掩星技術反演大氣溫度與壓力之模擬誤差分析
論文名稱(外文):A Simulated Error Analysis of Temperature and Pressure Retrieval Using the GPS Occultation Technique for the COSMIC Project
指導教授:楊名楊名引用關係
指導教授(外文):Ming Yang
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:測量工程學系
學門:工程學門
學類:測量工程學類
論文出版年:2000
畢業學年度:88
語文別:中文
論文頁數:74
中文關鍵詞:中華三號衛星掩星技術誤差分析大氣溫度與壓力反演演算法
外文關鍵詞:COSMICoccultation techniqueerror analysisTemperature and Pressureretrieval algorithm
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  本研究為中華三號衛星(COSMIC)計畫之先期研究,研究中提出以GPS掩星技術(occultation technique)探測地球大氣溫度與壓力剖面之模擬誤差分析。GPS掩星技術的原理為利用低軌衛星觀測GPS都卜勒頻移(Doppler frequency shift)觀測量反演地球大氣溫度與壓力之垂直剖面,進一步提供氣象預報以及全球變遷研究之應用。由於GPS掩星技術的誤差來源很多,藉由探討各項誤差對於反演大氣溫度與壓力造成的影響,可作為了解成果品質與改善資料處理方式之參考。本文介紹反演大氣溫度與壓力之演算法則,以及截尾誤差、GPS和COSMIC衛星軌道誤差、觀測量隨機誤差對GPS掩星技術反演之影響。模擬實驗顯示在反演壓力方面,各項誤差均不會對反演壓力造成顯著的影響。在反演溫度方面,截尾誤差的影響會隨著高度的增高而漸增,在對流層部分造成的影響均小於0.1K,在平流層的平均影響約為1K,平流層頂之影響可達~3K。COSMIC衛星軌道若可達1公尺的精度,則軌道誤差不會影響反演的結果。觀測量隨機誤差的影響會隨著高度的增高而快速增加,在對流層部分造成的影響小於0.1K,在平流層的平均影響約為1K,在平流層頂之影響可達~7K。
This research is a simulation study for the COSMIC project, which provides a simulated error analysis of the GPS occultation technique for the earth atmosphere temperature and pressure retrieval. The principle of the GPS occultation technique is to use the Doppler frequency shift, received by a low earth orbiting satellite, to profile the earth atmosphere temperature and pressure, for the application of weather prediction and weather and climate research. The error sources of the GPS occultation technique are complicated. However, knowing different effects of the error sources, we can evaluate the quality of the retrieved quantities.
The GPS/MET retrieval algorithms, the effects of the truncation error, orbit error of the GPS and COSMIC satellites, and observation error are discussed and summarized in this study. Experimental results indicate that various errors have little effects on atmosphere pressure retrieval. The effect of the truncation error on atmosphere temperature retrieval grows gradually with increasing altitude. The effect is less than 0.1K at troposphere, and the mean temperature error is ~1K at stratosphere. The maximum effect can reach ~3K at stratopause. The orbit error will not influence the retrieval if one-meter level accuracy orbit is available. The effect of the observation error on atmosphere temperature retrieval grows rapidly with increasing altitude. The effect is less than 0.1K at troposphere, and the mean temperature error is ~1K at stratosphere. The maximum effect can reach ~7K at stratopause.
第一章 緒論............................................1
§1-1 前言.........................................1
§1-2 文獻回顧.....................................2
§1-3 研究動機與方法...............................3
第二章 GPS掩星技術.....................................5
§2-1 中華三號衛星系統.............................5
§2-2 全球定位系統.................................7
§2-2-1 GPS衛星的訊號..........................9
§2-2-2 GPS衛星軌道星曆........................9
§2-3 GPS掩星技術之原理...........................10
§2-4 GPS掩星技術之主要誤差來源...................14
§2-5 GPS掩星技術之應用...........................16
第三章 GPS掩星觀測演算法..............................18
§3-1 產生模擬觀測量..............................18
§3-1-1 模擬軌道之產生........................19
§3-1-2 大氣溫度與壓力計算大氣折射係數........21
§3-1-3 大氣折射係數計算大氣折射角............22
§3-1-4 二維坐標轉換..........................25
§3-1-5 大氣折射角計算都卜勒頻移..............26
§3-2 GPS掩星技術反演法...........................29
§3-2-1 都卜勒頻移計算大氣折射角..............30
§3-2-2 大氣折射角計算大氣折射係數............31
§3-2-3 計算正常重力..........................32
§3-2-4 大氣折射係數計算大氣溫度與壓力........33
§3-3 誤差分析方法................................35
§3-3-1 產生隨機誤差..........................35
§3-3-2 截尾誤差、軌道誤差、觀測量誤差........36
第四章 實驗成果與分析.................................37
§4-1 實驗模擬資料................................37
§4-1-1 真實大氣溫度與壓力剖面資料............37
§4-1-2 模擬大氣折射率剖面....................40
§4-1-3 模擬大氣折射角剖面....................41
§4-1-4 模擬都卜勒頻移觀測量..................42
§4-1-5 模擬GPS和COSMIC衛星軌道星曆...........43
§4-2 GPS掩星技術反演成果.........................44
§4-2-1 無誤差之反演結果......................44
§4-2-2 帶有截尾誤差之反演結果................44
§4-2-3 加入軌道誤差之反演結果................51
§4-2-4 加入觀測量誤差之反演結果..............64
§4-3 分析與討論..................................69
第五章 結論與建議.....................................73
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