科学家利用GPS信号测量地球大气层

艺术家对欧洲MetOp气象卫星在轨运行的描绘。

世界各地的科学家利用20世纪60年代开发的一种技术来了解遥远行星的大气层特性，一直在使用GPS卫星的无线电信号来了解更多关于我们星球大气层的信息。

这项被称为无线电掩星的技术是由美国国家航空航天局喷气推进实验室和斯坦福大学开创的。当一颗行星遮蔽或从恒星前面经过时，恒星的亮度会降低。减少的量可以用来近似行星大气层的高度。当恒星发射的无线电波穿过行星大气层时，它们会弯曲并改变频率，这种变化可以通过测量来确定大气成分。

GPS无线电掩星（GPS-RO）技术也以类似的方式工作。目前，31颗正在运行的GPS卫星的轨道高度为地球表面20000公里。配备GPS-RO接收器的卫星，如台湾的气象、电离层和气候星座观测系统（COSMIC）卫星，其轨道要低得多，距离地球表面约800公里。

当GPS卫星相对于GPS-RO卫星开始位于地球地平线以下时，它发射的无线电波在到达接收器的途中穿过大气层。大气中的分子和电子会导致无线电波弯曲和减速，因此穿过大气的电波与只穿过太空到达接收器的电波的频率不同。

通过测量相对于未受影响的无线电波的弯曲和信号延迟，科学家们能够获得大气温度、湿度、压力和电子密度的读数。这些测量结果远比从气象气球或其他天基仪器上获得的大气读数准确，为研究人员预测飓风、测量气候变化和评估太空行走提供了一个很好的工具。

在被广泛接受为GPS-RO概念验证任务的情况下，大学大气研究公司（UCAR）的GPS/气象任务于1995年至1997年在一颗微卫星上飞行了一个GPS接收器。

2000年，德国国家地球科学研究中心GFZ Potsdam发射了仍在运行的“挑战”微型卫星有效载荷（CHAMP）。CHAMP增加了测量电离层中电子密度的能力，这有助于检测导致卫星和地面通信信号退化的空间天气。

阿根廷SAC委员会也于2000年成立，美国、法国、巴西、意大利和丹麦提供了捐款。它提供了陆地海岸环境的多光谱图像，并研究了地球磁场和电离层。SAC-C的双天线使其能够在每个轨道上进行两倍于CHAMP的无线电掩星测量，因为它在每个GPS卫星相对于接收卫星上升和落下时测量掩星。

最先进的GPS-ROC任务是台湾耗资1亿美元的六卫星COSMIC任务，由UCAR设计并于2006年4月发射。这些卫星现在每天产生大约1200个大气剖面，大约是它们设计提供的一半，因为与其中一颗卫星的接触已经失去，而多功能的太阳能电池板将功率限制在另外两颗卫星上。

该航天器预计将运行两年，但它们携带的燃料足以维持五年。系统支持由美国国家科学基金会、美国国家海洋和大气协会、美国国家航空航天局和国防部提供。5月，美国国家海洋和大气协会的国家环境预测中心开始在全球天气预报中使用COSMIC。

欧洲气象卫星利用组织于2006年10月在Metop Aenvironmental卫星上发射了最近一次掩星。它在操作上类似于COSMIC，但由于只有一颗卫星在轨道上，每天提供更高的大气剖面。

亚利桑那大学大气科学助理教授Robert Kursinski认为，启动未来的GPS-RO任务对了解气候变化至关重要。无线电掩星提供了对流层上部的温度读数，气候模型预测那里的温度应该比地球表面升温更快。但一些人认为，该地区温度测量的不确定性表明，对流层的升温速度不如地表。

无线电掩星可能是研究与大气气候变化相关的温度和湿度趋势的最佳方法，因为它比其他方法提供了更准确的数据。它的频率测量是基于时间的，它的卫星与原子钟相连。众所周知，时间测量是最精确可测量的物理量。库尔辛斯基说，从长远来看，其他用于测量大气温度的仪器可能不可靠，因为这些仪器的特性可能会随着时间的推移而漂移。

“这就是迄今为止许多气候变化数据的问题，”他说。“你不知道是因为大气变暖还是仪器测量值漂移。”

目前，世界上没有任何国家计划发射可运行的GPS-RO卫星系统。库尔辛斯基说，美国耗资数十亿美元的国家极地轨道运行环境卫星系统原本应该配备GPS-RO接收器，但该计划因成本降低而受损。

一家公司决定将无线电掩星卫星的业务掌握在自己手中。加利福尼亚州帕萨迪纳的GeoOptics公司计划在2011年前发射一个由24颗GPS RO卫星组成的星座，希望在2016年前扩大到100颗卫星。这30千兆赫的卫星一旦进入轨道，将不需要地面控制，并且将至少持续六年。

GeoOptics总裁TomYunck表示，首批24颗卫星进入轨道的成本约为1亿美元，平均每年的运营和维护成本为4000万美元。该公司正在与美国国家海洋和大气管理局谈判，为该系统的一部分提供资金，并将试图从国际政府机构获得投资。

云克说：“有了世界各国的投资，每个国家的投资额都可能非常小，而在飓风预测和气候测量方面的回报将是巨大的。”