基于电离层扰动监测的空间目标探测方法研究

摘要

近年来，随着人类空间活动和卫星导航系统的增多，对电离层各种特征参数的监测需求也越来越强烈，对电离层的研究不仅可以促进人类认识近地空间系统，而且对近地空间的军事活动等具有重要的意义。国内外学者在电离层探测上已经开展了大量的研究工作，如何进一步提高电离层电子含量（Total Electron Content,TEC）的探测精度，成为电离层研究的关键问题。本文基于Kalman滤波将国际参考电离层（International Reference Ionosphere,IRI）模型中数据与GPS（Global Positioning System,GPS）地基反演得到的数据进行融合，从而提高了电离层垂直总电子含量（Vertical Total Electron Content,VTEC）的近实时反演精度。本文在空间目标活动与电离层相互作用的基础上，综合利用GPS地基反演算法和数据融合算法对电离层扰动进行分析，从而探测出空间目标的活动。本文主要从以下四个方面展开研究： 1、针对太阳活动和地磁活动对电离层的影响进行了分析，阐述了空间目标活动对电离层造成的影响，并通过数值仿真分析了电磁波在等离子体中的传播特性，详细分析了电磁波的衰减常数随碰撞频率、电磁波频率以及等离子体频率的变化情况。 2、详细研究了电离层观测和反演技术，主要对GPS电离层掩星观测技术、电离层层析重建技术和GPS双频地基反演技术进行了阐述，同时分析了这些观测技术的优劣，并利用GPS双频地基反演得到了高纬度区域、中纬度区域、低纬度区域的电离层VTEC。 3、对现有的电离层模型进行了介绍，并对电离层格网模型中的两种插值算法进行了阐述，通过实验分析了两种插值算法的优缺点。同时，提出利用Kalman滤波将IRI-2016与GPS双频地基反演的数据进行融合，在高纬度区域、中纬度区域、低纬度区域对比该融合算法与GPS双频地基反演的优劣，结果表明数据融合能够有效提高电离层反演的精度。 4、分别利用GPS地基反演算法和数据融合算法，对2012年某运载火箭发射前后时间段电离层VTEC进行观测。利用地面观测站监测到空间目标活动对电离层造成的扰动，从而验证了基于电离层扰动监测空间目标活动的可行性。

目录

声明

缩略词

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究发展现状

1.2.1空间目标活动与电离层相互影响的研究现状

1.2.2电离层探测技术的现状

1.3主要研究内容及结构安排

第二章 电离层的特征及与空间目标间的影响

2.1电离层的基本结构及异常现象

2.1.1空间大气的分层

2.1.2电离层的基本结构

2.1.3电离层的不规则活动及异常现象

2.2影响电离层变化的因素

2.2.1太阳活动

2.2.2地磁活动

2.3空间目标活动对电离层的影响

2.3.1空间目标的分类

2.3.2空间目标对电离层的影响

2.4电磁波在等离子体中的传播特性

2.5本章小结

第三章 电离层观测技术与反演方法

3.1传统的电离层观测技术

3.1.1电离层测高仪

3.1.2大功率散射雷达

3.2 GPS电离层掩星观测技术

3.2.1基于多普勒的Abel反演方法

3.2.2基于TEC的Abel反演方法

3.2.3改正TEC反演方法

3.3电离层层析重建技术

3.3.1电离层层析重建原理

3.3.2迭代重构算法

3.4 GPS双频地基反演技术

3.4.1电离层双频地基反演原理及流程

3.4.2电离层折射指数

3.4.3电离层延迟表达式

3.4.4载波相位平滑伪距观测值

3.4.5周跳的探测及修复

3.4.6仪器偏差估计

3.4.7 GPS双频地基反演结果分析

3.5本章小结

第四章 电离层模型及数据融合算法

4.1常用的电离层模型介绍

4.1.1电离层经验模型

4.1.2电离层理论模型

4.2电离层格网观测模型

4.2.1电离层格网模型介绍

4.2.2格网模型中的插值算法

4.2.3实验与结果分析

4.3.1卡尔曼滤波的介绍

4.3.2基于卡尔曼滤波的融合算法流程

4.3.3实验与结果分析

4.4本章小结

第五章 基于电离层扰动探测空间目标的验证分析

5.1电离层扰动监测方法

5.1.1滑动时窗法

5.1.2滑动四分位距法

5.2观测资料及预处理

5.3 GPS双频地基反演观测电离层VTEC变化

5.4利用数据融合算法观测电离层VTEC变化

5.5本章小结

第六章 全文工作总结与展望

6.1全文总结

6.2后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的研究成果