电离层层析技术及应用

摘要

基于GPS的电离层层析技术经过十多年的发展，现已成为一种重要的电离层探测手段，克服了传统单层电离层模型只能反映电离层的水平结构，难以反映垂直结构的局限性，在监测与研究电离层三维内部结构、变化及扰动方面具有重大的科学价值及应用优势。虽然其理论和技术已日臻完善，但在实际应用中仍存在一些缺陷与不足，急需做进一步深入研究。为此，本文详细分析了基于GPS的电离层层析技术在应用中存在的一些问题，进而提出了一种改进的层析方法。在此基础上，联合神经网络方法进行了四维电离层建模及预报研究。此外，利用IGS站GPS观测数据，反演了地震前电离层电子密度的时空变化状况，获得了一定的研究结果。具体研究工作和成果如下:
　　 1、详细介绍和分析了基于GPS的电离层层析原理和反演算法，迭代初始值本身精度不高加上射线的空间分布局限性会导致重构的电离层电子密度图像存在一定程度的失真现象。针对此问题，提出了一种改进的电离层层析方法，将单层电离层模型与电离层层析结合起来，利用单层电离层模型内插得到的充足TEC数据来改善整体层析质量。GPS实测数据的反演结果证实了该改进方法的有效性，该方法明显的改善了电离层层析图像重建质量，尤其在TEC数据不足以及空间天气异常情况下改善效果是非常明显的。
　　 2、结合香港地区CORS站提供的GPS资料，利用神经网络方法对电离层层析后的电子密度值进行了建模及预报，并对其结果进行了论证分析。结果显示:该方法预报的30分钟及60分钟的电子密度值精度分别可达到0.45TECU和1.34TECU。相对于IRI2007模型提供值精度有了很大的提高。与单层电离层模型相比，该方法在实现同等精度的情况下还可预报出电离层三维电子密度值。
　　 3、利用日本及周边地区IGS站提供的高精度双频GPS资料，研究了2011年3月11日日本9.0级地震发生前11天震中区域上空电离层电子密度的时空变化特性。结合两倍标准差方法探测结果显示:2月28日UT14:00～16:00出现的电离层电子密度值异常减小，3月2日UT08:00～14:00，3月3日UT00:00～06:00和3月4日UT12:00～20:00出现的电离层电子密度值异常增大极有可能与孕育日本3.11大地震有关。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 电离层研究意义

1．2 电离层层析技术的国内外研究发展动态

1．3 本文的研究意义及主要内容

第二章 基于GPS的电离层层析基本原理

2．1 引言

2．2 电离层的基本特性

2．2．1 电离层的分层结构

2．2．2 电离层的时空变化特征

2．2．3 电离层扰动

2．3 双频GPS观测解算电离层TEC的基本原理

2．3．1 GPS概述

2．3．2 GPS观测方程

2．3．3 无线电波在电离层中的传播特性

2．3．4 GPS观测解算电离层TEC的基本原理

2．3．5 GPS码与相位观测联合解算电离层TEC

2．4 基于GPS的电离层层析技术

2．5 电离层层析反演

2．5．1 乘法代数重构算法

2．5．2 电离层层析的过程实现

第三章 一种改进的电离层层析方法

3．1 引言

3．2 改进方法的基本原理

3．2．1 单层电离层模型

3．2．2 改进的电离层层析方法

3．3 改进方法实例验证分析

3．4 结论

第四章 基于神经网络方法的电离层层析建模及预报

4．1 引言

4．2 BP神经网络

4．3 实例计算与分析

4．4 结论

第五章 利用电离层层析技术探测东日本地震前电离层异常

5．1 引言

5．2 地震前地磁及太阳活动状况

5．2．1 地磁参数及太阳活动指数

5．2．2 震前地磁及太阳活动状况

5．3 数据准备与预处理

5．3．1 日本3．11地震

5．3．2 数据选取及格网划分

5．4 2倍标准差探测方法

5．5 日本3．11地震前电离层异常分析

5．6 结论

第六章 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果