電離層是地球高層大氣的重要組成部分,由于電離層中含有相當多的自由電子,使得它影響著地球無線電波的通訊。衛(wèi)星信號穿過電離層時的傳播時間誤差與電離層總電子含量（Total Electron Content,TEC）有著直接相關(guān)的關(guān)系,所以電離層的建模對于衛(wèi)星導(dǎo)航、通信等電波技術(shù)系統(tǒng)的有效應(yīng)用有著十分重要的價值。本文利用在大氣科學(xué)、海洋科學(xué)等學(xué)科中已經(jīng)廣泛運用的同化方法開展電離層建模研究�；陔婋x層的實際觀測值,對經(jīng)驗?zāi)Ｊ交蚶碚撃Ｊ竭M行數(shù)據(jù)同化,得到更接近于真實觀測值的、格點化的電離層物理參數(shù)。主要內(nèi)容和結(jié)果如下:（1）利用卡爾曼濾波法實現(xiàn)了中國區(qū)域和全球電離層二維同化建模,基于不同的背景模式與不同的觀測數(shù)據(jù),分析背景模式對同化結(jié)果的主要影響。分析表明數(shù)據(jù)同化模式在電離層建模中十分有效。時空格點分布不均勻的觀測值對均勻格點的模式背景值進行了修正,使得TEC和f_oF₂的同化結(jié)果更接近于觀測值,并且在沒有觀測值的點也能得到良好的修正。中國地區(qū)2015年的評估結(jié)果表明,同化后的TEC誤差標準差在白天平均小于6TECU,夜間平均小于3TECU,f_... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心)北京市

【文章頁數(shù)】：88 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

大氣層太陽輻射能吸收率隨高度的分布

第2章背景介紹7=(6)∞=(7)當=0時得到極大輻射吸收高度處∞=1，即：=1(8)=()=(1)(9)=(1)=∞(1)(10)極大吸收高度出的極大電離產(chǎn)生率為：=(11)==(1())(12)令=，則有：=(1())(13)可以知道極大電離率隨著太陽入射天頂角變大而減小，極大電離峰值高度隨太陽入射天頂角變大而變大。電離過程的主要原因是太陽及其活動，電離率主要又受獲得的太陽輻射所影響，因此電離層隨著日夜和季節(jié)而變化，除此之外地球表面緯度的不同也影響著電離層的產(chǎn)生。圖2電離層電子分布晝夜對比

第2章背景介紹9圖3數(shù)據(jù)同化示意圖數(shù)據(jù)同化的基本原理是利用最小二乘法，使得觀測值和模式背景值的綜合誤差達到最小，在本文中主要采用卡爾曼濾波的方法進行數(shù)據(jù)同化�？柭鼮V波法是一種最優(yōu)估計方法，對于系統(tǒng)模式來說，各個物理量的真實值是不知道的，由于建立的模式并非是完美的，而只是對真實情況的一種近似，我們需要利用觀測值進行修正，而觀測值中又伴隨著隨機誤差。最優(yōu)估計就是針對上述問題的一種解決方案，它能將模式和觀測兩者各自具有的不確定性進行權(quán)衡，得到總誤差最小的狀態(tài)估計�？柭鼮V波是一種遞推線性最小方差估計，假設(shè)整個系統(tǒng)是線性的，且誤差是高斯型噪聲。對于時刻，定義真實值為0，背景模式值為，模式誤差為，則有：=0+(14)定義觀測值為，觀測誤差為0，為觀測算子，代表著觀測量與模式參量之間的關(guān)系，則：=0+0(15)利用觀測值對背景值進行線性修正，得到時刻的分析值：=+()(16)其中為待定系數(shù)，也稱作增益矩陣。則分析變量的誤差為：=0=()+0(17)第時刻的背景誤差協(xié)方差、觀測誤差協(xié)方差、分析誤差協(xié)方差分別記作、、，假設(shè)背景誤差和觀測誤差不相關(guān)，則有：==()()+(18)

【參考文獻】：
期刊論文
[1]中國電離層TEC同化現(xiàn)報系統(tǒng)[J]. 阿爾察,劉四清,黃文耿,李建勇,師立勤,龔建村,陳艷紅,沈華,蔡燕霞,魯國瑞.  地球物理學(xué)報. 2018(06)
[2]TIEGCM集合卡爾曼濾波同化模型設(shè)計及初步試驗[J]. 張亞楠,吳小成,胡雄.  空間科學(xué)學(xué)報. 2017(02)
[3]利用COSMIC低軌衛(wèi)星對GPS信號的頂部TEC觀測資料研究等離子體層電子含量的變化特征[J]. 張滿蓮,劉立波,萬衛(wèi)星,寧百齊.  地球物理學(xué)報. 2016(01)
[4]北京地區(qū)電離層Chapman標高的統(tǒng)計分析[J]. 解海永,寧百齊,劉立波,余濤,胡連歡,吳寶元,鄭建昌,常首民.  地球物理學(xué)報. 2014(11)
[5]電離層多源數(shù)據(jù)同化方法研究[J]. 歐明,甄衛(wèi)民,徐繼生,於曉,張風(fēng)國,鄧忠新.  電波科學(xué)學(xué)報. 2015(01)
[6]基于Gauss-Markov卡爾曼濾波的電離層數(shù)值同化現(xiàn)報預(yù)報系統(tǒng)的構(gòu)建——以中國及周邊地區(qū)為例的觀測系統(tǒng)模擬試驗[J]. 樂新安,萬衛(wèi)星,劉立波,寧百齊,趙必強,李國主,熊波.  地球物理學(xué)報. 2010(04)
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博士論文
[1]電離層TEC暴及其預(yù)報方法研究[D]. 鄧忠新.武漢大學(xué) 2012
[2]中低緯電離層模擬與數(shù)據(jù)同化研究[D]. 樂新安.中國科學(xué)院研究生院（武漢物理與數(shù)學(xué)研究所） 2008

碩士論文
[1]基于機器學(xué)習(xí)的電離層總電子含量經(jīng)驗預(yù)報模型[D]. 袁天嬌.中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心) 2017



本文編號：3407386