基于地基GPS和掩星技術(shù)的區(qū)域電離層特征研究
本文關(guān)鍵詞:基于地基GPS和掩星技術(shù)的區(qū)域電離層特征研究,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
【摘要】:電離層屬于地球上層大氣中的一部分,作為日地空間環(huán)境的重要組成部分,與人們的生活息息相關(guān)。電離層可以作為地球的保護(hù)層使各類(lèi)生物免受來(lái)自太陽(yáng)和宇宙的高能射線的直接輻射,同時(shí)又會(huì)顯著地影響電磁波在大氣中的傳播,使得電磁波的傳播產(chǎn)生散射、反射、折射、吸收等效應(yīng),對(duì)無(wú)線電波通訊、導(dǎo)航、衛(wèi)星定位等與人類(lèi)空間活動(dòng)相關(guān)的活動(dòng)產(chǎn)生巨大影響。電離層對(duì)無(wú)線電通信、導(dǎo)航、測(cè)量以及人類(lèi)的空間活動(dòng)都有著重要影響,因此,分析和研究電離層特征的變化規(guī)律和時(shí)空分布具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。極區(qū)是地球地理極點(diǎn)和地磁極點(diǎn)共同所在地,特殊的地理位置和日地空間環(huán)境決定了該地區(qū)電離層具有一定的特殊性,已成為地球空間物理學(xué)研究的重點(diǎn)區(qū)域。隨著無(wú)線電通訊技術(shù)的發(fā)展和人類(lèi)空間探測(cè)活動(dòng)的日益深入,人們對(duì)認(rèn)知和研究復(fù)雜的空間環(huán)境的愿望和需求越來(lái)越強(qiáng)烈。隨著GPS技術(shù)的不斷向前發(fā)展,其應(yīng)用手段和方法不斷擴(kuò)展,隨著我國(guó)國(guó)家基站站網(wǎng)的實(shí)施,結(jié)合掩星GPS技術(shù)的不斷完善,使得GPS技術(shù)成為探測(cè)和研究電離層的新的重要技術(shù)手段,受到空間大氣測(cè)量、空間物理等領(lǐng)域的廣泛重視和研究。針對(duì)在不同的日地空間物理環(huán)境以及不同區(qū)域地理位置上,電離層特征會(huì)表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律和特性,具有顯著的時(shí)空變化特征,基于以上背景,本文將綜合利用地基GPS和掩星技術(shù),選取典型的中低緯地區(qū)(武漢)和高緯地區(qū)(南極),采用多源GPS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和電離層函數(shù)模型提取電離層特征參量,對(duì)電離層變化和時(shí)空分布進(jìn)行分析研究。本文的研究工作主要包含了以下內(nèi)容:(1)基于地基GPS的高精度電離層TEC建模與獲取較為系統(tǒng)地介紹了利用地基GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)反演電離層TEC的原理和方法,著重探討了反演過(guò)程中載波相位平滑偽距和獲取硬件延遲兩個(gè)重要步驟。采用該反演方法,分析利用多項(xiàng)式函數(shù)、廣義三角級(jí)函數(shù)和低階球諧函數(shù)建立了武漢地區(qū)高精度的電離層TEC模型,并將擬合結(jié)果與CODE GIM結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。(2)武漢地區(qū)近一個(gè)太陽(yáng)周期的電離層TEC變化分析利用多項(xiàng)式函數(shù)建立了武漢地區(qū)的單層電離層TEC模型,獲取了武漢地區(qū)近一個(gè)太陽(yáng)周期的電離層TEC,對(duì)武漢地區(qū)電離層TEC的季節(jié)變化、周日變化以及半年異常變化進(jìn)行了分析。(3)高精度電離層TEC應(yīng)用—地震-電離層異常實(shí)例檢測(cè)分析利用地基GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)和單層電離層模型獲取了蘆山地震、尼泊爾地震、美國(guó)加州地震前震中位置上空的電離層TEC,采用滑動(dòng)窗口和四分位數(shù)相結(jié)合的統(tǒng)計(jì)方法,排除太陽(yáng)和地磁活動(dòng)對(duì)電離層擾動(dòng)的影響,對(duì)三次地震前的電離層變化檢測(cè)發(fā)現(xiàn),蘆山、尼泊爾地震震前均發(fā)生了顯著的電離層異常變化,結(jié)合CODE GIM數(shù)據(jù)分析了兩次地震前的電離層異常的變化和時(shí)空分布特征。(4)將球冠諧分析理論和方法引入南極地區(qū)電離層TEC建模研究將球冠諧分析理論和方法引入南極地區(qū)電離層TEC建模研究。利用南極地區(qū)的地基GPS數(shù)據(jù),建立了南極地區(qū)的電離層TEC模型,將利用球冠諧函數(shù)獲取的南極地區(qū)電離層TEC與其它函數(shù)模型擬合結(jié)果進(jìn)行了比較,并結(jié)合球冠諧模型零階項(xiàng)系數(shù)的物理意義,分析了其頻譜特性。探討了南極地區(qū)整體和局部地理位置電離層TEC季節(jié)變化、周日變化,對(duì)分析發(fā)現(xiàn)的威德?tīng)柡.惓,F(xiàn)象進(jìn)行了探討,對(duì)其發(fā)生的物理機(jī)制做了簡(jiǎn)要的解釋。(5)基于掩星GPS技術(shù)的南極地區(qū)頂部電離層特征變化在詳細(xì)介紹兩種掩星GPS反演電離層電子密度的Abel積分方法基礎(chǔ)上,利用南極地區(qū)的COSMIC掩星觀測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)與垂測(cè)儀、IRI模型進(jìn)行比較對(duì)其中常用的利用TEC積分變換方法進(jìn)行了驗(yàn)證。利用該方法反演了南極地區(qū)電離層電子密度剖面,提取了hmF2、NmF2、VSH等電離層參數(shù),研究了太陽(yáng)活動(dòng)低年和高年期間南極地區(qū)的頂部電離層變化,討論了F2層在太陽(yáng)活動(dòng)周期內(nèi)的年際變化、季節(jié)變化、周日變化等,并且分析了南極地區(qū)頂部電離層的垂直結(jié)構(gòu)特征。
【關(guān)鍵詞】:全球定位系統(tǒng) 掩星 總電子含量 電子密度 多項(xiàng)式函數(shù)模型 廣義三角級(jí)數(shù)模型 低階球諧函數(shù)模型 電離層異常 球冠諧分析 頂部電離層 威德?tīng)柡.惓?/strong>
【學(xué)位授予單位】:武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2015
【分類(lèi)號(hào)】:P228.4;P352
【目錄】:
- 論文創(chuàng)新點(diǎn)5-9
- 摘要9-11
- Abstract11-14
- 第一章 緒論14-25
- 1.1 電離層研究意義14-15
- 1.2 電離層探測(cè)技術(shù)及其發(fā)展15-17
- 1.3 GPS電離層探測(cè)研究進(jìn)展17-23
- 1.3.1 地基GPS電離層研究進(jìn)展17-19
- 1.3.2 基于掩星GPS的電離層研究進(jìn)展19-22
- 1.3.3 GPS極地電離層研究進(jìn)展22-23
- 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容23-25
- 第二章 電離層基本特性及其模型25-40
- 2.1 電離層的形成及分層結(jié)構(gòu)25-27
- 2.2 太陽(yáng)和地磁活動(dòng)對(duì)電離層的影響27-30
- 2.2.1 太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)電離層的影響27-28
- 2.2.2 地磁活動(dòng)對(duì)電離層的影響28-29
- 2.2.3 太陽(yáng)和地磁指數(shù)及強(qiáng)度分級(jí)29-30
- 2.3 電離層的變化30-32
- 2.3.1 電離層的規(guī)則變化30
- 2.3.2 電離層的不規(guī)則變化30-32
- 2.4 電離層模型32-40
- 2.4.1 第一類(lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?/span>33-36
- 2.4.2 第二類(lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?/span>36-38
- 2.4.3 IGS全球電離層圖38-40
- 第三章 基于地基GPS的電離層TEC反演40-60
- 3.1 GPS系統(tǒng)概述40-44
- 3.1.1 GPS的組成40
- 3.1.2 GPS的時(shí)間標(biāo)示和坐標(biāo)系統(tǒng)40-41
- 3.1.3 GPS觀測(cè)值及其組合41-44
- 3.2 電離層TEC反演原理和方法44-52
- 3.2.1 電離層折射指數(shù)44-45
- 3.2.2 電離層延遲表達(dá)式45-46
- 3.2.3 電離層絕對(duì)TEC和相對(duì)TEC46-47
- 3.2.4 載波相位平滑偽距觀測(cè)值47-50
- 3.2.5 GPS硬件延遲解算50-52
- 3.3 武漢地區(qū)電離層TEC獲取和分析52-59
- 3.3.1 WHCORS系統(tǒng)簡(jiǎn)介52-53
- 3.3.2 數(shù)據(jù)處理流程53-54
- 3.3.3 幾種常用模型的比較54-55
- 3.3.4 武漢地區(qū)TEC變化分析55-59
- 3.4 小結(jié)59-60
- 第四章 地震-電離層異常實(shí)例檢測(cè)與分析60-75
- 4.1 引言60
- 4.2 異常檢測(cè)方法60-62
- 4.3 蘆山地震電離層異常檢測(cè)62-66
- 4.3.1 地基GPS TEC變化分析62-64
- 4.3.2 利用CODE GIM分析全球TEC變化64-65
- 4.3.3 電離層電子密度解算分析65-66
- 4.4 尼泊爾地震電離層異常檢測(cè)66-72
- 4.4.1 太陽(yáng)和地磁指數(shù)66-67
- 4.4.2 地基GPS TEC變化分析67-70
- 4.4.3 利用CODE GIM分析全球TEC變化70-72
- 4.5 美國(guó)加州地震電離層異常檢測(cè)72-73
- 4.6 三次地震實(shí)例檢測(cè)分析73-74
- 4.7 小結(jié)74-75
- 第五章 利用球冠諧模型分析南極地區(qū)電離層TEC變化75-93
- 5.1 引言75
- 5.2 基于球冠諧的電離層TEC建模75-79
- 5.3 南極地區(qū)電離層TEC建模和分析79-84
- 5.3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源79-80
- 5.3.2 南極地區(qū)電離層TEC建模及模型比較80-82
- 5.3.3 南極地區(qū)電離層TEC球冠諧模型分析82-84
- 5.4 南極地區(qū)電離層TEC變化分析84-92
- 5.4.1 時(shí)空分布特征84-86
- 5.4.2 季節(jié)變化分析86-90
- 5.4.3 周日變化及威德?tīng)柡.惓7治?/span>90-92
- 5.5 小結(jié)92-93
- 第六章 基于掩星技術(shù)的南極地區(qū)頂部電離層特性研究93-107
- 6.1 引言93-94
- 6.2 掩星GPS反演方法94-98
- 6.2.1 利用彎曲角進(jìn)行反演94-97
- 6.2.2 利用TEC直接反演電子密度97-98
- 6.3 反演方法驗(yàn)證98-100
- 6.4 南極地區(qū)頂部電離層的變化100-105
- 6.4.1 南極地區(qū)的F2層特性100-102
- 6.4.2 頂部電離層的垂直結(jié)構(gòu)特征102-105
- 6.5 小結(jié)105-107
- 第七章 總結(jié)與展望107-110
- 7.1 本文研究總結(jié)107-109
- 7.2 下一步研究展望109-110
- 參考文獻(xiàn)110-118
- 博士研究生階段發(fā)表的論文和參與的項(xiàng)目118-120
- 致謝120
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本文編號(hào):273217
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