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GPS无线电掩星信号电离层校正的最优噪声滤波

S. SOKOLOVSKIY, W. SCHREINER, C. ROCKEN, AND D. HUNT

科罗拉多州博尔德大学大气研究所

摘要：中性大气的GPS无线电掩星遥感需要对L1和L2信号进行电离层校正。自无线电掩星信号中产生的电离层校正的变量，如相位，多普勒和弯曲角度，都受到电离层校正未完全消除的小规模电离层影响。它们也受到主要来自L2信号的噪声的影响。本文介绍了用L4 = L1-L2的最优滤波信号校正L1信号的简单方法，该方法最小化了小电离层残留效应和L2噪声对电离层校正变量的组合影响。

关键词：全球定位系统;掩星;遥感;电离层

1引言

当L波段频率f1=1.57542 GHz和f2=1.2276 GHz，通过全球定位系统（GPS）无线电掩星（RO）探测中性大气时，L1和L2信号必须经受电离层校正（去除由电离层传播引起的影响；Melbourne等，1994;Hardy等人，1994;Kursinski等，1997）。通常，模型独立的电离层校正被应用于GPS RO导出变量x，例如过量相位，多普勒频率或弯曲角度（Vorobev和Krasilnikova 1994;Ladreiter和Kirchengast 1996;Syndergaard 2000）。模型独立电离层校正意味着电离层贡献是加性的，并且与成正比。该研究的结果可以被应用到任何GPS RO衍生的变量X可以大致建模为，其中一个和我是中性大气和所述第一分别命令电离层贡献表示高阶电离层效应;而Xn是噪声。

其中和。残留项取决于高阶电离层效应，包括（但不限于）的射线路径的分离和衍射以不同的频率。取决于噪声。

自从GPS /气象（MET）RO数据的第一次分析以来，已经知道（Rocken等，1997），通过模型无关来消除小规模电离层不规则（尺度为1公里）的影响电离层校正程度小于大型结构。因此，小规模的波动支配。这些波动的大小可以根据电离层不规则的强度和位置而非常不同。

残余噪声的大小取决于接收机天线增益，发射的GPS信号的功率及其在接收机中的解调方法。此外，通过差分掩星和参考链路数据消除接收机时钟误差导致相位噪声从参考链路传播到掩星链路。在大多数情况下，对残留噪声Rn的主要贡献来自不太强大和加密的L2信号，特别是当采用无代码或半密码跟踪时。为了降低噪声的影响，L1和L2相位（Dopplers）通常经受平滑（低通滤波）。

残余电离层调制的幅度的比值和噪声Rn可以是不同的。在美国国防部禁用L2加密的GPS / MET RO任务的有限期间，与大多数掩星中的残留电离层调制相比，L2噪声较小。新的GPS未加密L2C信号（Leandro et al。2008）也将会发生。无编码（GPS / MET）或无半透明的[有挑战性的小卫星有效载荷（CHAMP），卫星电视CICS（CAC），气象，电离层和气候星座观测系统（COSMIC）

为了减少L2噪声对电离层校正GPS RO变量的影响，Rocken等 （1997）建议以电子层面校正（1）的形式应用

对于x1和x4=x1-x2具有不同的平滑。标准平滑应用于x1和更大的平滑x4可以通过不降低xa来抑制L2噪声的影响，这在x4中被取消。虽然这是以增加了在未修正的小规模的电离层残效为代价，总体噪声降低可以是显著。该方法被应用于用L2的无代码跟踪获得的GPS / MET数据的处理。x1和x4的平滑窗口固定为0.5和2 s。后来，通过对x1和x4的不同固定窗口进行平滑处理来阻止L2噪声的类似方法被用于其他研究者对掩星和参考连接的GPS RO数据的电离层校正（Steiner等人1999;Gorbunov 2002;Hajj等人2002; Beyerle等人2005）。

显然，电离层残差的大小的比值和噪声Rn不仅对于不同的GPS RO任务也为不同掩不同。在本研究中，我们概括了最初由Rocken等人介绍的方法。（1997）通过为每个遮蔽单独找到x4的最佳平滑窗口。然后我们通过处理COSMIC RO信号来测试它。

2.最佳L4平滑窗口

我们考虑以下电离层校正变量x：

其中lt;gt;w表示用窗口w平滑（低通滤波）。窗口w1的估计与电离层校正没有直接关系，可能会受到不同的标准的影响，本研究中没有考虑与给定w1的最优窗口w4的选择有关。例如，w1可以与在光线切点处的第一菲涅耳带的尺寸相关。然后，它必须是成正比的上升/下降速度vperp;; 然而，在该关系中建立最佳系数需要单独的理由。我们应用具有半宽度w的高斯响应函数的傅立叶滤波（Kuo等人，2004）。我们设置窗口瓦特1，负责中性大气成分的平滑化X 一个，以0.5秒为所有掩（相应的在高度平滑窗口为约等于所述第一菲涅耳区的大小为v perp;约3公里S^- 1）。然后，对于每个掩星，我们找到窗口w4，其通过使用以下标准来最小化x c和dx c / dt的残余波动的幅度：2004 ）。我们设置窗口瓦特1，负责中性大气成分的平滑化X 一个，以0.5秒为所有掩（相应的在高度平滑窗口为约等于所述第一菲涅耳区的大小为v perp;约3公里S - 1）。然后，对于每个掩星，我们找到窗口w 4，其通过使用以下标准来最小化x c和dx c / dt的残余波动的幅度：2004 ）。我们设置窗口瓦特1，负责中性大气成分的平滑化X 一个，以0.5秒为所有掩（相应的在高度平滑窗口为约等于所述第一菲涅耳区的大小为v perp;约3公里S - 1）。然后，对于每个掩星，我们找到窗口w 4，其通过使用以下标准来最小化Xc和的残余波动的幅度：到0.5秒的所有掩（在高度对应的平滑窗口为约等于所述第一菲涅耳区的尺寸vperp;约3公里S -1）。然后，对于每个掩星，我们找到窗口w4，其通过使用以下标准来最小化Xc和的残余波动的幅度：到0.5秒的所有掩（在高度对应的平滑窗口为约等于所述第一菲涅耳区的尺寸vperp;约3公里S^-1）。然后，对于每个掩星，我们找到窗口w4，其通过使用以下标准来最小化Xc和的残余波动的幅度：

我们发现，一旦合理地量化了波动的幅度，结果就不会显着地取决于标准。间隔（t1，t2）必须对应于在足够高的高度处的观测值，使得与中性气氛x a相关的x c的波动较小。另一方面，间隔必须低于E层，因此该间隔的剩余电离层波动代表较低高度处的波动。我们使用间隔（60公里，80公里）。

图1显示具有不同比例的L2噪声和小规模电离层波动的三个COSMIC掩星（A，B和C）的L1和L2过量多普勒dX1/dt和dX2/dt。我们注意到，这些比率还取决于垂直速度vperp;是在不同的掩星不同（如下图所示标题）。对于掩星A和B，L2噪声大致相同，但是对于A，小尺度电离层效应（L1和L2多普勒可见）较大。特别是大电离层效应（从L1和L2的大小的比例来看）多普勒）在高度〜55公里处（尽管电离层扰动本身处于较高的高度）。掩星C显示大的L2噪声。我们搜索平滑间隔（0.5,2 s）中的最小值w4opt，使S2（w4）最小化。图2示出了在该间隔中由S2的最小值归一化的S2（w4）。对于掩星A和Cw4opt分别接近0.5s和2s的间隔。对于掩星Bw4opt是在间隔内。

图1

图2

图3

因为，对于小的波动，弯曲角度正比于dx/dt的，最佳的窗口w4，在最大限度地减少波动也最小化它们的弯曲角度。图3显示电离层校正的弯曲角度作为冲击高度的函数（实线对应于w4，使残余波动最小化）。对于掩星A和C，对于w4 = 0.5s和w4 =2s，弯曲角的残余波动分别 较小。对于低噪声掩星A，w4 = 0.5s导致在〜55km处的电离层校正的残余误差显着更小，其中弯曲角受强电离层扰动影响，大于w4=2s。对于掩星B，对于w4=w4opt，对于w4= 0.5s和w4=2s，弯曲角的残余波动较小。电离层校正的弯曲角度中残留噪声的较小幅度导致更小的折射率检索误差，因为用于优化亚伯反演的背景弯曲角度剖面的较低噪声和较低的重量[在我们的处理中，我们使用统计由Sokolovskiy和Hunt（1996）描述并由Lohmann（2005）修改）的弯曲角度的优化。

图4示出的分布瓦特4opt（在0.04-S时间仓取样）为所有COSMIC掩从1到5 2006年9月对于大多数掩的，瓦特4opt是从两个0.5和2秒不同; 然而，最大值接近0.5s，表明在COSMIC数据中统计学上低的L2噪声水平。我们发现，在w 4opt gt; 2 s处的分布尾部不会对统计学意义上的折射率反演误差产生显着影响。图5显示了从欧洲中程天气预报中心（ECMWF）全球分析获得的COSMIC折射率曲线从相应的（即，在空间和时间内插到RO）的折射率曲线的标准偏差，与图1相同的日期范围。4（COSMIC数据尚未被纳入ECMWF模型）。

不同的线表示用w4= 0.5s，w4=2s，w4=w4opt的处理。不同处理模式之间的差异在30公里以上变得明显。COSMIC和ECMWF之间的最小标准偏差对应于处理用w4=w4opt，虽然之间的差w4= 0.5秒和w4=w 4opt是不能两者之间如显著瓦特4通过确认统计学低= 2秒COSMIC L2数据中的噪声电平。我们注意到，GPS RO反演误差较小，其不同w4的分数差异大于图 4中直接推导的。5 因为ECMWF分析错误。

在参考链路上也可以应用最佳的L4滤波。参考链路用于通过从与参考链路的电离层校正相位的掩星链路中区分L1和L2相位来消除接收机时钟误差。然而，差分接收机中时钟误差的频谱可能不同。例如，CHAMP接收器数据包含1-s的尖峰（Beyerle等人，2005）。在这种情况下，参考链路上的电离层校正信号的独立平滑将在差分之后引入显着的误差，并且必须在一个环路中对掩星链路进行平滑处理。这可能使处理过于复杂。

3.结论

电离层校正的GPS RO信号中的主要噪声来源，影响平流层GPS RO的精度，是L2信号上未经校正的小尺度电离层残差和噪声。这些影响的比例对于不同的掩星是不同的。L4 = L1-L2的平滑时间窗口的增加减少了L2噪声的影响，但是在校正后增加了电离层残留效应（反之亦然）。引入的简单方法通过最小化L2噪声和电离层残差的组合效应来确定每个遮蔽的L4的最佳滤波器带宽。这可以提高GPS RO在平流层中的准确性，这通过GPS RO与ECMWF全局分析的统计比较来证明。引入的方法对于弱和/或加密的L2信号是重要的，尤其适用于气候应用。在新推出的GPS卫星上，更强大的和未加密的L2C信号可用，将来可能不太重要。

致谢

这项工作得到国家科学基金会的支持，作为UCAR的COSMIC数据分析和归档中心（CDAAC）根据合作协议ATM-9732665开发的一部分。作者感谢匿名裁判，他们的评论有助于改进本文。

参考文献

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