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基于地基GPS和掩星技术的区域电离层特征研究

孙伟  
【摘要】:电离层属于地球上层大气中的一部分,作为日地空间环境的重要组成部分,与人们的生活息息相关。电离层可以作为地球的保护层使各类生物免受来自太阳和宇宙的高能射线的直接辐射,同时又会显著地影响电磁波在大气中的传播,使得电磁波的传播产生散射、反射、折射、吸收等效应,对无线电波通讯、导航、卫星定位等与人类空间活动相关的活动产生巨大影响。电离层对无线电通信、导航、测量以及人类的空间活动都有着重要影响,因此,分析和研究电离层特征的变化规律和时空分布具有重要的科学意义和应用价值。极区是地球地理极点和地磁极点共同所在地,特殊的地理位置和日地空间环境决定了该地区电离层具有一定的特殊性,已成为地球空间物理学研究的重点区域。随着无线电通讯技术的发展和人类空间探测活动的日益深入,人们对认知和研究复杂的空间环境的愿望和需求越来越强烈。随着GPS技术的不断向前发展,其应用手段和方法不断扩展,随着我国国家基站站网的实施,结合掩星GPS技术的不断完善,使得GPS技术成为探测和研究电离层的新的重要技术手段,受到空间大气测量、空间物理等领域的广泛重视和研究。针对在不同的日地空间物理环境以及不同区域地理位置上,电离层特征会表现出不同的变化规律和特性,具有显著的时空变化特征,基于以上背景,本文将综合利用地基GPS和掩星技术,选取典型的中低纬地区(武汉)和高纬地区(南极),采用多源GPS实测数据和电离层函数模型提取电离层特征参量,对电离层变化和时空分布进行分析研究。本文的研究工作主要包含了以下内容:(1)基于地基GPS的高精度电离层TEC建模与获取较为系统地介绍了利用地基GPS观测数据反演电离层TEC的原理和方法,着重探讨了反演过程中载波相位平滑伪距和获取硬件延迟两个重要步骤。采用该反演方法,分析利用多项式函数、广义三角级函数和低阶球谐函数建立了武汉地区高精度的电离层TEC模型,并将拟合结果与CODE GIM结果进行了对比分析。(2)武汉地区近一个太阳周期的电离层TEC变化分析利用多项式函数建立了武汉地区的单层电离层TEC模型,获取了武汉地区近一个太阳周期的电离层TEC,对武汉地区电离层TEC的季节变化、周日变化以及半年异常变化进行了分析。(3)高精度电离层TEC应用—地震-电离层异常实例检测分析利用地基GPS观测数据和单层电离层模型获取了芦山地震、尼泊尔地震、美国加州地震前震中位置上空的电离层TEC,采用滑动窗口和四分位数相结合的统计方法,排除太阳和地磁活动对电离层扰动的影响,对三次地震前的电离层变化检测发现,芦山、尼泊尔地震震前均发生了显著的电离层异常变化,结合CODE GIM数据分析了两次地震前的电离层异常的变化和时空分布特征。(4)将球冠谐分析理论和方法引入南极地区电离层TEC建模研究将球冠谐分析理论和方法引入南极地区电离层TEC建模研究。利用南极地区的地基GPS数据,建立了南极地区的电离层TEC模型,将利用球冠谐函数获取的南极地区电离层TEC与其它函数模型拟合结果进行了比较,并结合球冠谐模型零阶项系数的物理意义,分析了其频谱特性。探讨了南极地区整体和局部地理位置电离层TEC季节变化、周日变化,对分析发现的威德尔海异常现象进行了探讨,对其发生的物理机制做了简要的解释。(5)基于掩星GPS技术的南极地区顶部电离层特征变化在详细介绍两种掩星GPS反演电离层电子密度的Abel积分方法基础上,利用南极地区的COSMIC掩星观测数据,通过与垂测仪、IRI模型进行比较对其中常用的利用TEC积分变换方法进行了验证。利用该方法反演了南极地区电离层电子密度剖面,提取了hmF2、NmF2、VSH等电离层参数,研究了太阳活动低年和高年期间南极地区的顶部电离层变化,讨论了F2层在太阳活动周期内的年际变化、季节变化、周日变化等,并且分析了南极地区顶部电离层的垂直结构特征。


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