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《武汉大学》 2004年
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GPS地面台网和掩星观测结合的时变三维电离层层析

邹玉华  
【摘要】:电离层是日一地系统的重要组成,不仅保护了地球上的生物免受太阳紫外辐射和宇宙高能粒子的直接作用,而且对穿电离层传播的无线电波产生反射、散射、吸收和折射等效应。电离层与日一地系统的其它区域,包括太阳、行星际介质、磁层、热层和中层之间存在着强烈地耦合相互作用。由于太阳活动引起的地球空间环境扰动和各种等离子体不稳定性过程,电离层中存在不同尺度的不规则结构并常处于扰动状态之下,对短波通讯、卫星通讯和全球定位系统GPS的导航定位精度等产生严重影响。积极监测与研究电离层中的各种现象,从而揭示现象背后的物理机制,探索电离层对人类生存环境的影响,是空间天气研究的重要内容之一,对社会经济的发展十分重要。 电离层层析成像技术是计算机层析成像技术在电离层探测中的应用,适合于监测电离层电子密度的大尺度空间分布及其扰动。结合GPS地面台网观测和GPS掩星技术的时变三维电离层层析是近年来发展起来的一种新技术,在电离层形态与扰动的监测研究方面有很大的科学意义和应用价值。尽管近年来针对结合地基GPS与掩星观测的时变三维电离层层析已经开展了模拟和实测数据的反演成像研究,但由于时变三维电离层层析问题的复杂性,还有许多问题尚待进行深入地研究。比如,结合地基GPS与掩星观测的时变三维电离层层析成像数学上的重建公式尚未建立,由GPS地面台网观测和低轨卫星获得的掩星观测数据实现时变三维电离层层析的反演算法和计算机程序有待发展等等。 本论文研究工作的科学目标是,协同利用GPS地面台网和低轨卫星GPS掩星期间获得的GPS双频信标数据,重建待探测区域电离层电子密度的时变三维分布。文中着重在理论上探讨了时变三维电离层层析的数学基础,进而建立了结合地基GPS与掩星观测的时变三维电离层层析成像重建公式,然后提出了利用相对TEC数据实现时变三维电离层层析成像的方法。使用本文提出的方法,对实测数据进行了处理和反演成像,获得了一些有重要科学意义的结果。本文主要的研究工作在国内尚属首次,在国际上也是近几年才开展起来的。本文的研究表明,利用GPS地面台网和掩星观测结合的时变三维电离层层析成像技术可以对电离层大尺度结构的时空演变进行较为有效的监测。论文的主要研究工作和结果归纳如下: 1.从傅立叶变换理论出发,推导得到了地基平行束投影定理和掩星平行束投影定理,结合地 基平行束投影定理和掩星平行束投影定理,建立了结合地基GPS与掩星观测的时变三维 电离层层析成像重建公式。这一创新性研究成果为进一步研究时变三维电离层层析成像技 术提供了坚实的理论依据。 》根据观测几何构形和傅立叶变换公式,首先推导得到了地基平行束投影定理,它建立 了投影(电子密度的路径积分,即TEc)的时空三维Fourier谱与电子密度的时空四维 Fourier谱之间的联系,是CIT重建的基础。利用地基平行束投影定理和傅立叶逆变 换公式,推导得到了由地基投影数据重建电子密度分布的时变三维电离层层析成像重 建公式。 》根据地基平行束投影定理,不能由仰角为O或兀的地基GPS观测数据确定电子密度谱 在Fourie:空间中相应超平面上的值。在实际应用中,考虑到地球曲率、电离层对低 仰角射线的强折射效应后,满足反演条件的地基GPS射线大多在垂直或接近垂直方 向上,有限扫描视角的问题非常严重。地基射线仰角范围的限制导致单独使用地基 GPS观测数据重建电离层电子密度分布时电子密度谱信息丢失,其后果是反演得到 的电子密度分布图像垂直方向上的分辨率很低。掩星平行束投影定理的建立表明,利 用GPS掩星观测数据可以补充由于地基数据仰角范围限制而丢失的电子密度谱信 息,从而改善电子密度分布图像的重建质量。 》结合地基平行束投影定理和掩星平行束投影定理,推导得到了结合地基GPS与掩星 观测的时变三维电离层层析成像重建公式,这为进一步研究时变三维电离层层析成像 的具体实现算法提供了理论依据。 2.从结合地基GPS与掩星观测的时变三维电离层层析成像重建公式出发,推导得到了时空 四维脉冲源函数的重建公式。在理想条件和非理想条件下,根据本文推导的重建公式对脉 冲源进行了重建。 》在理想条件下(地基接收机和星载接收机连续分布,接收机在任何时刻都有观测数 据),若地基GPS射线无仰角范围限制,由地基数据可以无畸变地重建时空四维脉冲 源函数;若地基射线仰角受限,结合地基GPS数据和掩星数据亦可无畸变地重建时 空四维脉冲源函数。 》在接收机数量稀少、视角有限以及观测数据时间采样有限等非理想条件下,对脉冲源 函数的重建必须根据重建公式利用数值方法进行。根据本文推导得到的重建公式分别 对空间三维脉冲源和时空四维脉冲源进行了重建,其结果均能很好地重现源函数。通 过与单独使用地基数据得到的重建结果比较后可以看到,添加掩星数据后,重建结果 特别是其垂直结构的重建质量得到了明显改善,表明协同使用地基GPS与掩星观测 数据
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:P228.4

【引证文献】
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3 姚宜斌;陈鹏;吴寒;张顺;彭文飞;;2011年3月11日日本地震震前电离层异常变化分析[J];科学通报;2012年05期
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5 王军;GNSS区域电离层TEC监测及应用[D];中国测绘科学研究院;2008年
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前3条
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【共引文献】
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3 张子昂;韩兴伟;;SLR共视法精确测定导航卫星转发器时延[A];第二届中国卫星导航学术年会电子文集[C];2011年
4 靳璐岩;张志伟;;组合预测方法在高程异常拟合中的应用[A];第三届中国卫星导航学术年会电子文集——S01北斗/GNSS导航应用[C];2012年
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6 杜晓辉;施浒立;裴军;胡正群;;广义延拓插值法在CAPS虚拟卫星定位中的应用[A];第三届中国卫星导航学术年会电子文集——S05卫星导航增强与完好性监测[C];2012年
7 曾庆斌;韩金芳;马丽新;刘丽;;现代测绘技术在工程地质测绘中的应用[A];第二届“测绘科学前沿技术论坛”论文精选[C];2010年
8 黄德全;;差分GPS在动态吃水改正中的应用与实现[A];《测绘通报》测绘科学前沿技术论坛摘要集[C];2008年
9 朱干章;;GPS天线相位中心偏差对高程的影响[A];《测绘通报》测绘科学前沿技术论坛摘要集[C];2008年
10 王仲锋;;空间直角坐标转换大地坐标的直接解法新探[A];《测绘通报》测绘科学前沿技术论坛摘要集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 吕志伟;基于连续运行基准站的动态定位理论与方法研究[D];解放军信息工程大学;2010年
2 秦显平;星载GPS低轨卫星定轨理论及方法研究[D];解放军信息工程大学;2009年
3 蔡华;GNSS大网实时数据快速解算方法应用研究[D];武汉大学;2010年
4 李斌;地裂缝地面沉降灾害管理信息系统开发及应用研究[D];长安大学;2009年
5 刘有贵;GPS/GPRS车辆定位网络系统及故障在线检测技术研究[D];长春理工大学;2011年
6 李春华;基于网络GPS和精华大地水准面的区域实时三维定位理论与应用[D];西南交通大学;2010年
7 李变;机动条件下时间保持方法研究[D];中国科学院研究生院(国家授时中心);2011年
8 孟领坡;飞机进近着陆精密卫星导航关键技术研究[D];国防科学技术大学;2011年
9 宋键;喜马拉雅东构造结周边地区主要断裂现今运动特征与数值模拟研究[D];中国地震局地质研究所;2010年
10 范国清;高精度实时卫星导航仿真系统关键技术研究[D];国防科学技术大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 于首清;基于3S技术的吕镇村信息管理系统设计与实现[D];华中农业大学;2010年
2 黄鹏;市级大地水准面精化的研究与应用[D];山东科技大学;2010年
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4 单瑞;基于GPS单点测速的海浪及潮位测量应用研究[D];山东科技大学;2010年
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6 崔静怡;基于车载导航系统的大区域路径规划算法的设计与实现[D];山东科技大学;2010年
7 陶叶青;单基站CORS-RTK精度分析与测量数据处理[D];辽宁工程技术大学;2009年
8 耿丽红;基于GPS的车速监测系统校准方法研究[D];天津理工大学;2010年
9 刘皓;GPS测量数据后处理方法研究[D];天津理工大学;2010年
10 缪祥柱;工程GPS数据的实用处理技术与方法研究[D];昆明理工大学;2008年
【同被引文献】
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1 李强;冯曼;张东和;萧佐;师立勤;;基于单站GPS数据的GPS系统硬件延迟估算方法及结果比较[J];北京大学学报(自然科学版);2008年01期
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前5条
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中国博士学位论文全文数据库 前8条
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7 张瑞;多模GNSS实时电离层精化建模及其应用研究[D];武汉大学;2013年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 薛军琛;中国地区电离层延迟函数模型建立与精度估计[D];山东科技大学;2010年
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5 刘军;电离层预报模型研究及震前电离层异常初探[D];解放军信息工程大学;2011年
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7 王军;GNSS区域电离层TEC监测及应用[D];中国测绘科学研究院;2008年
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9 赵威;电离层对GPS定位的影响与研究[D];南京信息工程大学;2012年
10 陈必焰;电离层层析技术及应用[D];中南大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 徐继生,马淑英,阳其罕,田茂,霍泰山,叶公节,叶惠卿;东亚赤道异常区电离层CT诊断──实验及初步结果[J];地球物理学报;1995年05期
【相似文献】
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4 庞之浩;中国航天下一个目标:火星[N];中国国防报;2007年
5 记者 孙楠;我国将全力提升气象卫星应用与服务水平[N];中国气象报;2011年
6 本报实习记者 陈永杰;中国卫星后年飞向火星[N];北京科技报;2007年
7 本报记者 刘昆;为联通、移动树新敌[N];财经时报;2002年
8 记者 方芳 通讯员 许玲;中俄2009年联合探测火星[N];北京日报;2007年
9 张晓鸣 顾一琼;上海展示我国首个火星探测器[N];西部时报;2007年
10 陈琳;“‘萤火一号’将从火星上发来第一次属于中国的问候”[N];第一财经日报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前5条
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中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 朱孟斌;GPS无线电掩星资料同化技术研究[D];国防科学技术大学;2012年
2 唐南军;L波段探空系统相对湿度的观测误差特征[D];南京信息工程大学;2013年
3 马小东;GNSS-R反射信号特征分析及仿真[D];北京化工大学;2013年
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