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基于GPS技术研究南极电离层在磁暴下的响应特征

王康  
【摘要】:电离层与磁层、中高层大气存在耦合关系,是连接近地空间和日地空间的纽带,与人类的空间活动密切相关,因此研究电离层具有非常重要的科学意义。电离层会导致无线电信号质量下降、导航与定位精度降低、天基雷达系统成像质量变差等,同时电离层在重大自然灾害(如台风、海啸、地震、火山喷发等)的孕育、发生、消散过程表现出一定的异常性,因此电离层研究还具有非常重要的应用价值。极区电离层与磁层、行星际空间直接相连,物理形态和机理与中低纬地区存在差异,在空间物理学的相关研究中具有重要地位。极区电离层的变化非常复杂,多种电离层过程和多个空间现象经常同时发生,这些变化可以直接或间接影响中低纬地区的电离层,甚至日地空间环境,因此极区电离层的研究对全球电离层也具有非常高的参考价值。由于太阳活动等因素引起的磁暴会导致电离层的异常扰动,对通讯系统、空间飞行器、导航定位精度等造成严重影响。磁暴对电离层的扰动在不同地理位置、地方时、季节会出现不同的扰动形态,同时受到磁暴等级的影响。磁暴对电离层扰动的某些规律特性及物理机制仍没有完全解决,通过分析极区磁暴对电离层响应特征,可以更深入探究磁层与电离层之间的耦合关系。本文在采用球冠谐函数对南极电离层建模的基础上,对磁暴期间的电离层响应进行了简要的分析。本文系统的研究了利用GPS技术研究南极电离层TEC的方法,在收集IGS(International GNSS Service)、POLENET(The Polar Earth Observing Network)和 CACSM(Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping)的 GPS 数据基础上,采用球冠谐分析理论对南极电离层TEC进行提取,分析了时空分布特征,并对磁暴期间的电离层响应进行了简要分析。主要研究内容包括:1、根据国内外研究现状介绍了电离层探测及研究的现状和发展,介绍基于GPS技术进行电离层反演的原理和方法。分析了高精度电离层TEC的计算中周跳的探测和修复、粗差的剔除、硬件延迟的解算等工作。主要介绍球冠谐分析理论建立南极电离层TEC模型的方法。2、采用球冠谐函数模型对太阳活动低年2009年和太阳活动高年2012年的数据进行建模分析。球冠谐函数的基函数在区域内具有正交性,球冠谐函数的系数的零阶项C0,0可以反映区域内的电离层TEC值的平均含量,对比球冠谐函数的零阶项系数与实测TEC日均值发现二者具有很强的相关性,相关系数达到了 0.97以上,验证了球冠谐模型参数具有的物理意义,并对其频谱特性进行了分析。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,在西南极地区发现了明显的威德尔海异常现象,对其表现特征进行了简要的概括。3、通过球冠谐函数模型对2012年10月地磁暴期间电离层的响应特征进行了分析,地磁暴期间电离层日均值与地磁指数有显著的正相关,尤其在两次磁暴发生时刻,TEC值均出现了明显的下降,表明此次电离层暴为负相暴。采用球冠谐分析模型计算并绘制了全南极地区每隔2小时的电离层VTEC分布,分析表明,在全南极范围内,随着时间的推进,TEC值在08:00 UT之后进一步下降,日侧和夜侧均出现下降,在纬度较高的区域TEC下降更为明显,说明此次电离层负相暴在全南极区域出现。


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