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

國家太空計劃室Home Page，http://www.nspo.gov.tw/。
賀光鵬，1998。「GPS預測軌道對於相對定位的影響」，國立成功大學航空太空工程研究所碩士論文，台南。
戚啟勳，1980。「大氣科學」，大中國圖書公司，台北。
曾清涼，1992。「GPS衛星定位測量課程講義」，台南。
曾清涼 和 儲慶美，1999。「GPS衛星測量原理與應用」，國立成功大學衛星資訊研究中心，台南。
劉肩吾，1997。「中華三號衛星計劃簡介」，中華二號、三號衛星計劃研討會論文集，台南，pp. 28-38。
劉佾博，1999。「近即時動態法中華三號衛星星曆之測定：使用MicroLab-1資料」，國立成功大學測量工程研究所碩士論文，台南。
蔣德勉，1989。「氣象學」，國立編譯館，台北。
Bevis, M., Businger, S., Chiswell, S., Herring, T., Anthes, R., Rocken, C. and Ware, R.H., 1994. GPS Meteorology: Mapping Zenith Wet Delays onto Perceptible Water, Journal of Applied Meteorology, Vol. 33, pp. 379-386.
Brunner, F.K., and M. Gu, 1991. An Improved Model for the Dual Frequency Ionospheric Correction of GPS Observations, Manuscripta Geodaetica, 16, 205-214.
Eshleman, V.R., 1973. The Radio Occultation Method for the Study of Planetary Atmospheres, Planet Space Sci., 21, 1521-1531.
Feng, D., and B. Herman, 1999. Remotely Sensing the Earth’s Atmosphere Using the Global Positioning System (GPS)-The GPS/MET Data Analysis, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, Vol. 16, 989-1002.