GNSS技術(shù)已成為近地空間環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)之一，并且其應(yīng)用創(chuàng)新依然呈現(xiàn)出日新月異的態(tài)勢。GNSS技術(shù)變革了原有的地表和大氣監(jiān)測方法，并且與大氣科學(xué)、水文學(xué)和海洋學(xué)深度交叉融合，已成為這些學(xué)科發(fā)展的新動(dòng)力。已有的GNSS氣象學(xué)已不能充分涵蓋GNSS領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新，亟需對(duì)最新進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)、梳理和整合，形成一門全新的學(xué)科。在這種背景下，筆者結(jié)合自身的科研積累、理論創(chuàng)新和相關(guān)領(lǐng)域的最新成果提出了GNSS近地空間環(huán)境學(xué)的概念，其內(nèi)涵包括GNSS導(dǎo)航、定位、授時(shí)，GNSS氣象學(xué)和GNSS反射測量學(xué)，研究對(duì)象包含了從地表到高層大氣的廣大空間里的諸多要素(如土壤濕度、植被覆蓋、地表形變、雪深、冰厚、水面高程、海浪、潮汐、水汽、電離層電子含量等)，研究目的是監(jiān)測并理解地表及大氣中相關(guān)要素的變化，為相關(guān)學(xué)科的研究提供豐富的觀測數(shù)據(jù)。
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長江學(xué)者特聘教授、武漢大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。
目錄
第1章 緒論1
1.1 概述1
1.2 地球大氣層2
1.3 地球表面6
1.4 近地空間環(huán)境監(jiān)測7
1.4.1 大氣和地表觀測手段7
1.4.2 GNSS近地空間環(huán)境學(xué)的形成與發(fā)展11
第2章 GNSS定位模型及大氣延遲估計(jì)12
2.1 單點(diǎn)定位模型12
2.2 精密單點(diǎn)定位模型12
2.2.1 IF-PPP模型13
2.2.2 UU-PPP模型14
2.2.3 IC-PPP模型14
2.2.4 UofC模型14
2.2.5 PPP隨機(jī)模型15
2.3 相對(duì)定位模型15
2.3.1 GNSS單差觀測方程16
2.3.2 GNSS雙差觀測方程17
2.3.3 中長基線模糊度解算17
2.4 GNSS大氣延遲參數(shù)估計(jì)19
2.4.1 基于實(shí)測數(shù)據(jù)的TEC估計(jì)20
2.4.2 基于GIM模型的STEC估計(jì)22
2.4.3 基于實(shí)時(shí)模型的TEC估計(jì)23
2.4.4 對(duì)流層延遲估計(jì)24
第3章 GNSS對(duì)流層關(guān)鍵參量建模26
3.1 概述26
3.1.1 對(duì)流層延遲26
3.1.2 大氣加權(quán)平均溫度建模30
3.2 地基GNSS水汽探測的基本原理32
3.3 對(duì)流層延遲建模方法34
3.3.1 基于氣象參數(shù)的對(duì)流層延遲模型34
3.3.2 無需氣象參數(shù)的對(duì)流層延遲模型35
3.3.3 兩種對(duì)流層延遲模型的比較36
3.4 加權(quán)平均溫度模型41
3.4.1 無需氣象參數(shù)的加權(quán)平均溫度模型42
3.4.2 氣象參數(shù)驅(qū)動(dòng)的高精度加權(quán)平均溫度模型49
3.5 基于大氣預(yù)報(bào)資料的ZHD、ZWD和Tm模型58
第4章 GNSS三維水汽監(jiān)測63
4.1 概述63
4.2 GNSS水汽層析的基本原理64
4.3 SWD的恢復(fù)65
4.4 層析方程組的構(gòu)建66
4.5 GNSS水汽層析常規(guī)方法67
4.5.1 附加約束的層析方程67
4.5.2 GNSS水汽層析方程的解69
4.6 GNSS水汽層析的迭代重構(gòu)算法69
4.7 GNSS水汽層析優(yōu)化策略70
4.7.1 層析網(wǎng)格劃分優(yōu)化70
4.7.2 側(cè)面穿過射線的引入71
4.7.3 地表氣象觀測數(shù)據(jù)的引入72
4.7.4 先進(jìn)的反演算法73
4.8 GNSS水汽層析實(shí)驗(yàn)74
4.8.1 格網(wǎng)劃分對(duì)層析結(jié)果的影響74
4.8.2 側(cè)面射線使用對(duì)層析結(jié)果的影響76
4.8.3 自適應(yīng)平滑約束加赫爾默特方差分量估計(jì)的水汽層析實(shí)驗(yàn)77
第5章 多源水汽數(shù)據(jù)融合80
5.1 概述80
5.2 基于球冠諧模型的水汽數(shù)據(jù)融合方法81
5.2.1 基本思想81
5.2.2 球冠諧模型81
5.2.3 赫爾默特方差分量估計(jì)83
5.3 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水汽數(shù)據(jù)融合方法84
5.3.1 基本思想84
5.3.2 廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)85
5.3.3 基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水汽數(shù)據(jù)融合86
5.4 PWV數(shù)據(jù)融合實(shí)驗(yàn)87
5.4.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域和數(shù)據(jù)87
5.4.2 基于球冠諧模型的數(shù)據(jù)融合實(shí)驗(yàn)89
5.4.3 基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合實(shí)驗(yàn)97
第6章 GNSS數(shù)據(jù)同化105
6.1 概述105
6.2 同化概念與原理106
6.3 基于WRF模型的數(shù)據(jù)同化過程107
6.3.1 觀測值文件的準(zhǔn)備108
6.3.2 觀測值文件的預(yù)處理110
6.3.3 觀測值文件的同化110
6.4 數(shù)據(jù)同化實(shí)驗(yàn)110
6.5 數(shù)據(jù)同化與層析技術(shù)的比較與結(jié)合111
6.5.1 數(shù)據(jù)同化與層析技術(shù)獲取濕折射率的比較111
6.5.2 數(shù)據(jù)同化與水汽層析技術(shù)的結(jié)合115
第7章 電離層探測116
7.1 概述116
7.2 GNSS二維電離層模型116
7.2.1 電離層單層假設(shè)116
7.2.2 電離層投影函數(shù)118
7.2.3 電離層二維建模119
7.2.4 電離層參考系統(tǒng)121
7.3 多源數(shù)據(jù)融合的二維電離層模型122
7.3.1 多源VTEC計(jì)算122
7.3.2 基于球諧模型的多源數(shù)據(jù)融合124
7.3.3 方差分量估計(jì)125
7.3.4 數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)125
7.4 等離子體層電子含量二維模型129
7.4.1 等離子體層研究進(jìn)展129
7.4.2 等離子體層電子含量提取方法130
7.4.3 全球等離子體層電子含量模型建立131
7.4.4 全球等離子體層電子含量模型算例分析132
第8章 GNSS三維電離層監(jiān)測141
8.1 概述141
8.2 GNSS電離層層析原理142
8.3 GNSS電離層層析方程143
8.4 GNSS電離層層析重構(gòu)算法144
8.4.1 迭代重構(gòu)算法144
8.4.2 非迭代重構(gòu)算法146
8.5 基于改進(jìn)IG指數(shù)的GNSS電離層同化模型147
8.6 GNSS三維層析實(shí)驗(yàn)149
8.6.1 迭代重構(gòu)算法實(shí)驗(yàn)149
8.6.2 非迭代重構(gòu)算法實(shí)驗(yàn)153
8.6.3 多源數(shù)據(jù)融合實(shí)驗(yàn)158
8.6.4 數(shù)據(jù)同化實(shí)驗(yàn)163
第9章 GNSS電離層監(jiān)測的科學(xué)應(yīng)用170
9.1 行進(jìn)式電離層擾動(dòng)170
9.1.1 數(shù)據(jù)分布170
9.1.2 結(jié)果分析171
9.2 地震電離層擾動(dòng)179
9.2.1 數(shù)據(jù)分布179
9.2.2 水平傳播特征179
9.2.3 垂直高度分布181
9.2.4 不同高度傳播速度分析185
9.2.5 三維結(jié)構(gòu)分析及機(jī)理解釋186
9.3 火山電離層異常187
9.3.1 數(shù)據(jù)分布188
9.3.2 擾動(dòng)特征分析188
9.4 臺(tái)風(fēng)電離層異常196
9.4.1 數(shù)據(jù)分布197
9.4.2 “杜鵑”臺(tái)風(fēng)電離層異常傳播分析197
9.4.3 臺(tái)風(fēng)引發(fā)電離層異常統(tǒng)計(jì)分析201
第10章 地基GNSS反射測量技術(shù)205
10.1 概述205
10.2 雙天線模式205
10.2.1 雙天線測高206
10.2.2 雙天線測土壤濕度207
10.3 單天線模式209
10.3.1 干涉反射測量技術(shù)209
10.3.2 干涉模式技術(shù)213
第11章 星載GNSS反射測量技術(shù)216
11.1 概述216
11.2 星載GNSS-R原理217
11.2.1 星載GNSS反射信號(hào)幾何關(guān)系217
11.2.2 閃爍區(qū)和菲涅耳反射區(qū)218
11.3 時(shí)延-多普勒219
11.3.1 時(shí)延-多普勒二維相關(guān)功率219
11.3.2 多普勒相關(guān)功率221
第12章 GNSS-R科學(xué)應(yīng)用223
12.1 GNSS-R海洋應(yīng)用223
12.1.1 海面風(fēng)場223
12.1.2 海面測高225
12.1.3 海冰探測226
12.1.4 其他海洋應(yīng)用227
12.2 GNSS-R陸地應(yīng)用228
12.2.1 積雪探測229
12.2.2 地表土壤濕度探測229
12.2.3 內(nèi)陸水體探測231
12.2.4 植被監(jiān)測232
12.2.5 其他陸地應(yīng)用233
參考文獻(xiàn)235
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