电离层TEC预测模型的研究及应用

摘要

电离层是日地大气层的重要组成部分，电离层总电子含量（Total Electron Content, TEC）是表征电离层时空变化的重要参量，研究电离层 TEC 可以为导航无线电信号的延迟改正以及短临地震预报提供理论和数据基础。本文主要做了以下工作：　　首先，详细阐述了IGS(International GNSS Service)提供的TEC数据内容和格式，并利用IGS提供的2000年和2009年的TEC数据分析了太阳活动、地磁活动、日变化以及季节变化对电离层TEC的影响。实验结果表明，TEC变化与太阳活动成正相关、磁暴会使电离层分散、电离层TEC日变化先自西向东，然后渐渐由东往西移动。而TEC的季节性表现为先由北向南，再由南向北变化。　　然后，介绍了经验模态分解（Empirical Mode Decomposition, EMD）、集总平均经验模态分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD）以及补充集总经验模态分解（Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition, CEEMD），通过分析它们的不足，引入改进的 MEEMD （Modified Ensemble Empirical Mode Decomposition, MEEMD）。利用EMD、EEMD、CEEMD、MEEMD以及改进MEEMD对仿真信号进行分解，并将MEEMD和改进MEEMD分解的时频谱进行对比。接着利用MEEMD和改进MEEMD对电离层TEC数据进行分解，并分析分量频谱。　　同时，提出了改进 MEEMD-ARMA 残差修正模型，并详细地阐述了其原理。提取2000年和2009年相同位置不同时段、相同经度和时段不同纬度以及相同纬度和时段不同经度的电离层TEC数据，利用前20天的TEC数据建模，分别用ARMA模型和改进MEEMD-ARMA模型对后8天的数据进行预测，并对预测结果进行了详细分析。　　最后，提出利用改进MEEMD-ARMA残差修正模型进行地震电离层TEC探测，并比较了本文方法与传统探测方法对电离层 TEC 参考背景值的预测精度，发现本文模型预测背景值的绝对残差小于 3TECU 的概率为 91.67%，至少高出传统模型 6.25个百分点；阐述本文模型在地震电离层 TEC 探测中背景值计算的具体实施方法，确定以两倍预测参考背景值的绝对残差标准差作为探测界限，并对2013年4月20日的芦山地震进行探测。结果表明，在排除太阳和地磁活动的影响后，发现震前 9 天和13天明显的正异常以及震前4天明显的负异常可能是孕育地震引起的。

目录

声明

1绪 论

1.1研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容和章节安排

2电离层概况及影响因素分析

2.1电离层结构介绍

2.2 电离层TEC

2.3电离层TEC影响因素分析

2.4本章小结

3 电离层TEC数据预处理

3.1 分解方法基本原理

3.2 改进MEEMD基本原理

3.3 仿真信号分解对比分析

3.4 电离层TEC数据分解对比分析

3.5 本章小结

4改进MEEMD-ARMA残差修正电离层TEC预测模型

4.1 ARMA模型概述

4.2 改进MEEMD-ARMA残差修正预测模型原理

4.3 改进MEEMD-ARMA残差修正电离层TEC预测分析

4.4 本章小结

5 改进MEEMD-ARMA残差修正模型震前电离层TEC异常探测

5.1 传统地震电离层TEC异常探测方法

5.2 各方法对电离层TEC参考背景值计算对比

5.3 改进方法对雅安地震前电离层TEC异常探测分析

5.4 本章小结

6 结论和展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附 录 A

攻读硕士学位期间发表的学术论文