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GNSS电离层掩星反演技术及应用研究

赵莹  
【摘要】:无线电掩星技术起源于19世纪60年代中期,最早被美国斯坦福大学用于研究太阳系行星的大气层和电离层。随着1995年GPS/MET掩星探测计划的成功,该技术被广泛地应用于地球中性大气和电离层探测。GNSS电离层掩星反演技术具有全天候、全球覆盖、高垂直分辨率、准实时、自校准等其他电离层探测手段所不具备的特点,尤其能够弥补特殊区域(如:海洋、极地)电离层观测资料的不足,为电离层研究提供了更多的资料及更多的选择。利用该技术获得的全球性的电离层电子密度分布资料,将极大地推动空间环境监测、数据同化及空间天气效应等研究的发展,具有十分重要的科学意义。 论文详细地介绍了GNSS无线电电离层掩星反演技术的研究现状及基本原理,围绕掩星反演方法、反演结果验证及应用等开展了一系列研究和讨论,主要内容和成果如下:(1)系统地介绍了GNSS电离层掩星反演方法,包括:Abel积分反演方法、“洋葱分层”反演方法以及最小二乘反演方法,着重对它们的反演结果进行了比较和分析。实验结果表明,对于轨道高度约800km的COSMIC电离层掩星数据,Abel积分反演方法与“洋葱分层”反演方法反演得到的电子密度廓线在F2层以下基本一致,但在500km以上的电离层上部,采用不同的反演方法会引起结果的差异;而最小二乘反演方法与“洋葱分层”反演方法得到的电子密度廓线基本一致。 (2)对COSMIC掩星数据的时空分辨率进行了分析。结果表明,掩星电离层反演的垂直分辨率DF和水平分辨率ΔH分别为1.5km和300km,具有较高的垂直分辨率,但水平分辨率和时间分辨率较低,对于一些对时间分辨率要求较高的应用(如:地震-电离层异常探测),现阶段掩星数据还只能作为其他电离层观测手段的补充,不足以独立利用自身数据进行研究。 (3)利用IRI模型和电离层垂测仪观测数据,对掩星结果进行了比较验证及统计分析。结果表明,利用COSMIC掩星数据反演得到的电离层垂直电子密度剖面与垂测仪结果在整体趋势和结构上符合的比较好;推求出的foF2与垂测仪和IRI模型的结果均具有较高的一致性,相关系数分别为0.9和0.88,但hmF2相较于垂测仪和IRI模型的结果存在较大偏差,相关系数分别只有0.339和0.42。 (4)对于采用Abel积分反演方法反演电子密度的计算式中存在积分下奇点的问题,论文全面讨论了处理积分奇点的几种不同方法,并首次将“奇点分离法”用于对Abel积分反演中积分下奇点的处理,该方法与常用的Hφeg的“变换法”相比,更为简单直接、更易于编程实现,且反演得到的电子密度剖面与UCAR公布的电子密度产品符合的很好。 (5)针对低轨卫星轨道高度以上的电子含量对反演结果造成的影响,论文采用"Calibrated TEC",即改正TEC方法来进行反演,利用非掩星时段观测数据修正掩星时段观测数据,以消除低轨卫星轨道高度以上的电离层对掩星观测的影响。结果显示,改正TEC算法消除了低轨卫星轨道高度以上电子含量的影响,对于轨道较低的低轨卫星而言是一种有效的电离层掩星反演方法。 (6)对于CHAMP这类轨道高度较低的低轨卫星,论文提出利用变标高的Chapman函数对CHAMP卫星轨道高度以上部分的电离层电子密度垂直分布进行重建。结果显示,通过Chapman函数恢复出的电子密度剖面补充了CHAMP卫星轨道高度以上的电离层电子密度信息,包括了电离层的主要部分,且在F2层峰值高度至CHAMP卫星轨道高度这一区间与Abel积分反演结果吻合的很好。 (7)分析了非球对称性对电离层掩星反演的影响,将已在模拟数据中取得良好修正效果的非球对称因子AF用于实测COSMIC掩星数据掩星反演结果的修正,结果表明,引入非球对称因子AF改善局部球对称假设后,电离层掩星反演结果有显著改善,但修正效果还需通过更多的实测数据来验证。 (8)对E层负值的出现与掩星切点水平漂移的关系进行了统计分析,深入分析了E层产生负值的原因;对反演结果中E层出现的异常情况进行了归纳分类,并统计了四种异常情况所占比率随纬度的变化。在此基础上,利用非线性最小二乘方法以及非负最小二乘方法对E层负值进行修正,并首次提出利用Chapman函数对E层反演异常情况进行重建。结果显示,利用非线性最小二乘方法以及非负最小二乘方法对E层负值进行修正只是一种数学上的处理,不能给出物理解释;利用Chapman函数进行E层重建,能够得到具有物理意义的E层电子密度廓线,大大提高了掩星数据的可利用性。 (9)利用COSMIC掩星数据对全球电离层变化、日全食-电离层效应、地震-电离层效应以及由太阳风暴引发的电离层暴等进行了详细的分析和讨论。结果表明,COSMIC掩星电离层反演能够观测到全球电离层的各种变化,并能够探测到各种现象引起的电离层效应,为全球电离层运行机制和电离层扰动的监测与解释提供了一种新的观测手段。


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