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GPS信标在电离层研究中的若干应用

熊波  
【摘要】: 全球定位系统(Global Positioning System,简称GPS)不仅是精确导航定位的有力工具,而且在电离层研究中得到了广泛的应用。通过GPS信标观测,可以得到电子浓度总含量(TEC)、卫星信标的信噪比(S/N)、载噪比(C/N)、幅度闪烁指数S_4等与电离层状态密切相关的参量。其中,TEC用于研究电离层形态特征,S/N、C/N、S_4用于研究电离层不规则结构特性。 本文利用GPS信标开展电离层规则与不规则结构特性的研究,主要工作有:第一,参与了中国地区电离层TEC现报与预报系统研制的后期工作,主要贡献包括GPS数据侦听软件和GPS数据处理软件的研制,以及中国地区电离层TEC地图的实时网络发布;第二,通过对加勒比海地区MANA站GPS信标的S/N数据进行的统计分析,研究低电离层介质的衰耗对GPS信标传播的影响;最后,通过对海南三亚站GPS闪烁接收机接收的S_4、C/N和TEC数据进行的比较分析,获得了电离层不规则结构的信息与特性。 在上述第一项工作中,我们首次实现了我国电离层TEC地图的现报(实时发布)。通过以上的第二、三项研究工作,我们得到了若干新的结论,主要有: (1)从GPS信标的信噪比中获得了电离层电波衰减的日变化特性。在位于中低纬的MANA(273.75°E,12.15°N;地磁纬度22.50°N)站,GPS卫星信标S/N在电波垂直穿过电离层时的衰减,主要是由于电离层的吸收引起的,白天的大,晚上的小,最大值出现在正午和午后1~3小时内;同时,由我们算法得到的GPS卫星信标S/N在电波垂直穿过电离层时的衰减随地方时的相对变化,与由IRI模式提供电子浓度得到的衰减随地方时的相对变化范围大致相同,且变化趋势一致。 (2)分析研究了我国三亚地区电离层闪烁的日变化与季节变化特性。三亚(109.62°E,18.34°N;地磁纬度7.61°N)地区的闪烁主要发生在地方时18时至次日4时之间,在春季和秋季闪烁的发生率比冬季和夏季的高,全年的闪烁强度具有明显的半年变化,在春秋季出现全年闪烁强度的最大值。 (3)分析得到了GPS信标载噪比与幅度闪烁指数之间的相关特性。三亚地区的S_4指数与C/N具有很好的负相关性,全年的相关系数为-0.80424,夏季和冬季的相关性比春季和秋季的相关性高,白天的相关性比晚上的相关性好。 (4)研究了TEC变化率指数(ROTI)与幅度闪烁指数之间的相互关联特性。统计表明,在S_4闪烁事件发生时,同时出现ROTI闪烁事件的几率全年达到60.95%,反映较大尺度不规则结构的ROTI与反映小尺度不规则结构的S_4指数有密切关联,因此,ROTI可以作为电离层闪烁的指示剂。 本文的研究工作和结果表明,GPS信标观测是开展电离层规则与不规则结构特性研究的重要手段,这类观测与研究对深入了解电离层结构与扰动过程具有十分重要的意义,同时在电离层电波传播的应用研究方面也具有实用价值。


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