基于地基GPS的长三角地区电离层层析研究

摘要

电离层与人类活动息息相关，太阳活动引起的地球空间环境扰动和各种不同尺度的异常变化对短波通讯、卫星通讯和GPS的导航和定位产生严重的影响。如何更好的监测与研究电离层的各种现象，从而揭示现象背后的物理机制，成了人们研究的热点。随着GPS网的迅速发展，计算机层析成像技术成为电离层研究的主要手段之一。电离层层析成像技术适合于监测电离层电子密度的空间分布及其扰动。本文主要利用电离层层析成像技术，结合长三角洲地区GPS网的观测资料，进行了电离层电子密度的层析反演与研究，提供了长三角地区的电子密度三维分布，对研究该地区的电离层活动规律以及空间环境等有一定的积极意义。本文的主要内容如下：
　　1、本文重点介绍了利用GPS提取电离层电子含量TEC的原理与方法，编写了GPS数据预处理和硬件延迟偏差参数解算的计算程序，讨论了不同时段长度与不同测站数量对解算结果的影响，并将解算结果与IGS公布的数值进行了比较，通过19天的数据比较可发现，计算结果与IGS公布值的变化趋势一致，硬件延迟偏差差值一般在1ns左右；并利用消除硬件延迟偏差后的TEC研究了磁暴期间电离层的响应情况。
　　2、着重介绍了电离层层析的原理与方法，采用MART算法建立了电离层三维层析的数据处理流程，利用IRI模型提供初始电子密度，加入随机误差，进行了相应的数值模拟，层析后的电子密度随高度与经纬度的分布与IRI原始分布基本一致，所有网格的层析值与原始值的差值都在0.2*10 el/cm3以内，验证了计算方法和程序的可靠性与稳定5性。
　　3、利用上海GPS综合应用网2004年的观测数据，对长三角地区磁静日与磁暴期间的电离层进行了电离层三维层析反演。磁静日期间的层析结果表明，层析结果与IRI模型变化趋势基本一致，反映了电子密度的周日变化。在11月8日特大磁暴期间，电子密度的变化主要发生在F2层，电子密度在主相期间有急促增加，增加幅度达到了150％，磁暴期间长三角地区表现为强烈的正相暴，持续时间约为36小时，电子密度最大值的出现时间与Dst指数最小值的出现时间基本吻合。与IRI模型相比，GPS层析结果更好的反映了磁暴期间的电离层变化。

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1 绪 论

1.1电离层研究的重要意义

1.2电离层的研究内容

1.3全球定位系统GPS与电离层

1.4 GPS电离层研究现状及进展

1.5本文的主要内容

2 利用GPS研究电离层的基本原理与方法

2.1电离层概况

2.2电离层探测

2.3利用GPS测定电离层延迟原理

2.4利用GPS计算TEC原理及方法

2.5 IGS全球电离层研究

2.6小结

3 利用GPS精确提取TEC的方法及程序实现

3.1常用的电离层延迟模型

3.2利用VTEC模型进行的TEC和硬件延迟偏差解算

3.3电子含量对磁暴的响应

3.4小结

4 电离层层析成像原理及其数值模拟

4.1计算机层析成像技术

4.2电离层层析成像原理

4.3电离层层析的迭代重构算法

4.4 IRI国际参考电离层模式

4.5电离层层析的数值模拟

4.6小结

5 实测数据的电离层三维层析研究

5.1数据说明

5.2电离层层析的反演步骤及流程

5.3磁静日的电离层反演

5.4磁暴期间的电离层层析反演

5.5小结

6 总结与展望

致谢

参考文献