基于电离层地面监测的监视与预警系统设计与实现

摘要

随着无线通信、卫星导航定位等技术的迅猛发展，人类越来越重视对电离层的研究。全球导航卫星系统(GNSS）出现后，由于它在探测电离层时有着传统技术无法比拟的优点，便成为研究电离层的最重要的工具，在GNSS中，应用最广泛又最具代表性的为全球定位系统GPS。本论文重点研究了利用GPS实现电离层三维层析和利用ARMA模型预报TEC时间序列方法，最后设计了电离层的监视与预警系统。本论文主要工作有四部分：
　　1、研究了电离层的重要参数TEC。分析电离层折射指数，推导出GPS信号在电离层中的延迟，然后给出GPS的基本观测方程，并详细推导出利用GPS双频信号求解VTEC的方程。接着详细分析了求解TEC过程中的重要的步骤，如：周跳的探测、载波相位平滑伪距、计算卫星位置。然后对电离层研究中常用的延迟模型做介绍并进行对比。由于硬件延迟是GPS测量TEC最大的误差源，所以本文又研究了硬件延迟的求解方法。最后选取几个测站对TEC进行反演，并将结果与IGS电离层产品作对比，证明了TEC的求解是正确的且精度很高。
　　2、研究了基于GPS的电离层三维层析技术。首先介绍电离层层析技术原理。分析了层析矩阵A秩亏问题，介绍了层析技术中常用的三种迭代算法并进行对比，并从IRI模型中获取电子密度作为迭代算法的初始值。最后，本文选取欧洲地区的数据，进行区域电离层层析模拟。
　　3、对利用ARMA模型方法预报电离层TEC进行了研究。首先详细介绍了时间序列建模步骤，对于VTEC时间序列，需要对其进行预处理。然后通过实测数据，建立ARMA模型并进行预报，验证利用ARMA模型对VTEC时间序列进行预报的可行性。
　　4、提出利用MATLAB GUI，设计并开发了基于电离层的地面监测与预警系统。对系统进行概述，然后介绍了系统的总体结构设计和各个模块的设计方法。接着介绍了系统是如何实现的，并运用实例对系统进行测试。

目录

声明

缩略词表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究历史及现状

1.3 主要研究内容和结构安排

第二章 双频GPS观测解算电离层TEC基本原理

2.1电离层的基本特性

2.2 电离层总电子含量

2.3 GPS信号在电离层中的延迟

2.4 观测数据的处理

2.5 电离层模型

2.6 硬件延迟解算

2.7 本章小结

第三章 基于GPS的电离层层析技术

3.1 电离层层析成像原理

3.2 迭代算法

3.3 IRI模型

3.4 投影矩阵A

3.5 层析反演实例验证

3.6 本章小结

第四章 电离层短期预报研究

4.1 时间平稳序列

4.2 平稳性检验

4.3 非平稳时间序列平稳化

4.4 平稳时间序列建模

4.5 实例验证

4.6 电离层TEC异常识别方法

4.7 本章小结

第五章 预警系统的设计与实现

5.1 系统概述

5.2 系统设计

5.3 系统实现

5.4 系统测试

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果