基于GNSS的电离层总电子含量的预测与应用研究

摘要

随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)在各个领域的广泛应用，一方面给电离层自身研究带来了飞跃式的发展，另一方面也使电离层研究成为交叉性很强的一个研究课题。利用GNSS观测数据开展与电离层相关内容的研究，特别是基于GPS数据进行电离层总电子含量(Total ElectronContent，TEC)问题的研究，不但深化了对电离层结构和变化规律的认识，也为建立精确的电离层延迟改正模型和改善卫星导航定位系统的观测精度等实际应用提供了重要的支持。
　　本文主要围绕电离层TEC数据分析、建模、预测和应用等问题进行了深入地探讨，分析了TEC的时空变化特性和太阳活动与TEC的相关性，并进行了TEC长期变化规律的建模与预测;为降低模型的复杂度，采用时间序列分析模型对TEC的短期变化规律进行建模与预测;并利用该方法对汶川地震前TEC异常扰动进行了检测。研究工作主要包括以下几个方面:
　　首先，为定量地描述电离层TEC的长期变化特征，提出了基于正弦函数调制的电离层TEC月中值预测经验模型。通过分析、处理IGS提供的中国区域内5个观测站的TEC数据，研究了不同太阳活动年份的电离层TEC日变化、月变化以及TEC差值相对变化率的时空变化特征。采用正弦函数表征长期趋势变化，谐函数展开反映循环变动相结合的方法，对中国区域内5个IGS观测站及全球不同纬度地区的TEC月中值数据进行了建模与预测，通过利用IGS数据对建模结果进行验证，证实了模型的有效性，从而为后续研究太阳活动与电离层TEC之间的相关性提供了必要的支持。
　　其次，为定量地描述太阳活动对电离层TEC时空变化的影响，提出了线性函数调制摄动因子的TEC月中值预测经验模型。以长期实测数据为基础，分析了太阳黑子数与全球不同纬度地区TEC月数据之间的相关性;利用二者之间的线性变化趋势对摄动因子进行调制的方法，以太阳黑子数为输入参数，对全球不同纬度地区TEC月中值数据进行了建模与预测，并利用IGS数据对建模结果进行了验证，实现了长期范围内，定量地描述电离层TEC月变化对太阳活动的依赖关系，从而为有效地改进电离层TEC预报模型提供依据。
　　然后，为优化电离层TEC建模过程，提高TEC小时数据预报的精度，提出了基于预测残差修正的自回归滑动平均模型(Autoregressive Moving Average Model，ARMA)对TEC短时变化规律直接预测的方法。此方法的优势是回避了对电离层TEC复杂特性的过多讨论，直接运用统计分析的方法，基于历史观测数据，揭示动态数据本身的结构与规律以及观测数据之间的相关性，实现了对电离层TEC数据的预测，提高了TEC短时数据的预测精度。通过以IGS数据为基础进行预测，验证了本方法预报电离层TEC小时数据的实际效果，为电离层TEC模型的优化提供了参考。
　　最后，为提高地震前电离层TEC异常扰动判别的准确性，提出了TEC异常扰动探测的新方法，该方法通过设定合理的限差判决门限，利用基于预测残差修正的ARMA模型预报的TEC值来代替传统方法计算的TEC值，进而实现震前TEC异常扰动的探测。通过对汶川地震前后电离层TEC的实测数据分析表明，利用本方法不仅能够探测到其他研究方法所得到的TEC异常数据，而且又新发现了震前其他时间点上的TEC异常扰动现象，验证了本方法相对于其他方法的优越性。
　　在上述理论研究和方案设计的基础上，利用IGS组织提供的电离层TEC数据对研究内容进行了实验验证，取得了预期的效果，表明研究成果对深化电离层TEC的理论研究和对全球导航卫星系统中电离层延迟影响的改善具有重要的科学意义和应用价值。
　　本论文得到了国家863高技术研究发展计划(利用多径信号提高GNSS接收机性能的新技术研究，No.2009AA12Z312)和国家自然科学基金项目（基于Rake-CL环路提高GNSS接收机捕获灵敏度理论和算法研究，No.60972091）的支持。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．1．1 电离层与GPS全球定位系统

1．1．2 电离层TEC分析、建模、预测的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 基于GNSS数据进行电离层的研究

1．2．2 太阳活动对电离层TEC的影响研究

1．2．3 电离层TEC预测研究

1．2．4 电离层TEC预测在地震中的应用研究

1．3 本文的主要研究内容和章节安排

第2章 电离层TEC长期变化规律建模研究

2．1 利用GPS研究电离层TEC的原理与方法

2．1．1 电离层折射指数公式与电离层延迟的基本数学描述

2．1．2 电离层单层模型与投影函数

2．1．3 常用的电离层模型

2．2 中国东部地区的电离层TEC长期变化规律

2．2．1 IGS全球电离层研究

2．2．2 中国东部地区TEC的数据预处理

2．2．3 TEC日均值的长期变化特征

2．2．4 白天和夜晚TEC日数据长期变化特征

2．2．5 TEC月中值的长期变化特征

2．3 TEC月中值数据长期变化规律的建模与评价

2．3．1 时间序列分析基本模型与TEC月数据的预处理

2．3．2 TEC月中值预测模型的建立

2．3．3 TEC预测模型的参数估计

2．3．4 模型分析与评价

2．3．5 模型的适用性分析及与其他TEC预测模型的对比

2．4 本章小结

第3章 太阳活动对电离层TEC的影响研究

3．1 影响电离层电子密度和电离层TEC的因素分析

3．2 太阳活动与电离层TEC月中值的相关性分析

3．2．1 数据和分析方法

3．2．2 纬度相同、经度不同地区的TEC月中值长期变化特征

3．2．3 太阳黑子数与电离层TEC月变化的相关性分析

3．3 太阳黑子数与电离层TEC月中值对应关系的建模与验证

3．3．1 太阳黑子数与电离层TEC月中值对应关系的建模

3．3．2 太阳黑子数与电离层TEC月中值对应关系的建模结果验证

3．3．3 模型的适用性分析及与其他TEC预测模型的对比

3．4 本章小节

第4章 基于预测残差修正的ARMA模型进行TEC短期预测研究

4．1 ARMA模型的基本概念

4．2 基于预测残差修正的ARMA模型进行电离层TEC短期预测

4．2．1 数据预处理过程

4．2．2 ARMA模型的定阶

4．2．3 模型参数估计的最小二乘算法

4．2．4 模型统计检验

4．2．5 基于ARMA模型的数据预报

4．2．6 ARMA模型的预测残差修正方法

4．3 基于预测残差修正的ARMA模型进行TEC短期预测结果及分析

4．3．1 预测残差修正的ARMA模型预报实际效果分析

4．3．2 预报数据的绝对误差分析

4．3．3 预报数据的相对误差分析

4．3．4 模型的适用性分析及与其他TEC预测模型的对比

4．4 本章小节

第5章 ARMA模型在汶川地震电离层TEC异常探测中的应用研究

5．1 传统的地震电离层TEC异常扰动探测方法

5．2 预测残差修正的ARMA模型与传统方法计算TEC参考背景值比较

5．3 利用修正的ARMA模型对汶川地震TEC异常的探测与分析

5．3．1 地震电离层TEC异常判别方法

5．3．2 汶川地震电离层TEC的异常探测

5．3．3 地震发生前的太阳和地磁环境

5．3．4 震前电离层TEC异常探测结果

5．3．5 预测残差修正的ARMA建模数据对探测结果的影响

5．3．6 地震TEC异常与电离层平静时期异常的区别分析

5．4 本章小结

第6章 结论和展望

6．1 主要结论

6．2 工作展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介