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《武汉大学》 2011年
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GPS电离层观测技术及其在地震中的应用研究

林剑  
【摘要】:电离层是人类生存的地球近地空间环境的一部分,主要受太阳活动的影响,与人类的生存、通信等息息相关。电离层观测有着悠久的历史,其目的是为了获取有关电离层的物理参量及其动态变化。在电离层的探测史上,从以地面观测设备为基础的探测开始,逐步发展为广泛的空间探测,而采用的探测设备也经历了从电离层测高仪(Ionosonde)、非相干散射雷达到火箭探测仪器、卫星探测仪的一个发展过程,借助于这些遥感(Remote sense)或实地探测(In-situ measurement)设备,人们对电离层空间环境特征及变化有了一定程度的认识。然而,基于这些观测设备自身的特点(时间或空间分辨率较低),都难以承担全球电离层变化的连续监测任务。鉴于此,寻求更加有效的电离层观测技术和手段将显得意义重大,而GPS作为当前探测电离层的有效手段已得到广泛的应用,通过其获取的总电子含量TEC和电子密度Ne则是揭示电离层时空变化规律和特征的两个重要物理参量。 论文围绕GPS电离层观测技术及其在地震中的应用研究展开了一系列的讨论,主要内容和成果如下: (1)论文介绍了地基GPS电离层TEC观测技术,详细讨论了基于球谐函数建立中国区域二维电离层模型的方法,并通过CODE分析中心提供的最终TEC产品对本文解算结果进行了验证,表明本文解算结果与CODE(?)勺结果相当。 (2)论文基于Bernese5.0软件平台,完成了LEO精密定轨,与GFZ计算的精密轨道相比,三维方向的RMS小于10cm。分析表明,其定轨结果完全能保障高精度LEO电离层反演的要求。 (3)针对LEO GPS绝对TEC反演中最为关键的GPS接收机仪器偏差估计问题,论文提出了一种仪器偏差的估计方法,并反演出LEO TEC。估计方法为:基于电离层球对称假设,利用原始观测数据,采用几何映射函数,通过最小二乘解算LEO GPS接收机仪器偏差 (4)论文详细的讨论了三种基于TEC的Abel积分反演方法(传统的AIT、SIT以及Alternative SIT)的优越性及全局性,并将SIT和Alternative SIT反演结果与全球测高仪观测作了对比分析,得出了一些有益的结论;讨论了粗差及周跳对反演结果的影响,得出掩星数据预处理的重要性。 (5)论文提出了一种改善的LEO GPS电离层掩星反演方法——基于飞改正TEC的电离层掩星反演方法,并应用于模拟数据和实测数据反演,结果表明:(1)无论是基于模拟数据还是实测数据,非改正TEC反演精度较改正TEC反演精度均有所提高,尤其对于较低LEO轨道,这种提高更为明显;(2)基于上述两种数据,某些通过改正TEC方法反演的结果出现严重的偏差,反观非改正TEC反演的结果正常。 (6)论文介绍了地震-电离层耦合机理,并通过模拟实验得出,地震电离层异常扰动位于电离层的F2层。 (7)论文讨论了电离层异常扰动检测方法,基于GPS观测数据对汶川大地震进行了详细的异常扰动探测与分析,并对国内2004年以来6.0级以上地震及国外2007年以来7.0级以上地震进行了系统的地震电离层异常检测。经震例统计分析研究,证实了在大多数地震情况下,震前电离层异常现象存在的看法,为探索地震短临预报提供了进一步的参考性依据。
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