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)層使各類生物免受來自太陽和宇宙的高能射線的直接輻射,同時又會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),對無線電波通訊、導(dǎo)航、衛(wèi)星定位等與人類空間活動相關(guān)的活動產(chǎn)生巨大影響。電離層對無線電通信、導(dǎo)航、測量以及人類的空間活動都有著重要影響,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。隨著無線電通訊技術(shù)的發(fā)展和人類空間探測活動的日益深入,人們對認(rèn)知和研究復(fù)雜的空間環(huán)境的愿望和需求越來越強(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,隨著我國國家基站站網(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)成為探測和研究電離層的新的重要技術(shù)手段,受到空間大氣測量、空間物理等領(lǐng)域的廣泛重視和研究。針對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,電離層特征會表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律和特性,具有顯著的時空變化特征,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)測數(shù)據(jù)和電離層函數(shù)模型提取電離層特征參量,對電離層變化和時空分布進(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觀測數(shù)據(jù)反演電離層TEC的原理和方法,著重探討了反演過程中載波相位平滑偽距和獲取硬件延遲兩個重要步驟。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)行了對比分析。(2)武漢地區(qū)近一個太陽周期的電離層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)近一個太陽周期的電離層TEC,對武漢地區(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)例檢測分析利用地基GPS觀測數(shù)據(jù)和單層電離層模型獲取了蘆山地震、尼泊爾地震、美國加州地震前震中位置上空的電離層TEC,采用滑動窗口和四分位數(shù)相結(jié)合的統(tǒng)計(jì)方法,排除太陽和地磁活動對電離層擾動的影響,對三次地震前的電離層變化檢測發(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,對分析發(fā)現(xiàn)的威德爾海異�，F(xiàn)象進(jìn)行了探討,對其發(fā)生的物理機(jī)制做了簡要的解釋。(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掩星觀測數(shù)據(jù),通過與垂測儀、IRI模型進(jìn)行比較對其中常用的利用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),研究了太陽活動低年和高年期間南極地區(qū)的頂部電離層變化,討論了F2層在太陽活動周期內(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 威德爾海異常
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：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 電離層探測技術(shù)及其發(fā)展15-17
• 1.3 GPS電離層探測研究進(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 本文主要研究內(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 太陽和地磁活動對電離層的影響27-30
• 2.2.1 太陽活動對電離層的影響27-28
• 2.2.2 地磁活動對電離層的影響28-29
• 2.2.3 太陽和地磁指數(shù)及強(qiáng)度分級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 第一類經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>33-36
• 2.4.2 第二類經(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的時間標(biāo)示和坐標(biāo)系統(tǒng)40-41
• 3.1.3 GPS觀測值及其組合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TEC和相對TEC46-47
• 3.2.4 載波相位平滑偽距觀測值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)例檢測與分析60-75
• 4.1 引言60
• 4.2 異常檢測方法60-62
• 4.3 蘆山地震電離層異常檢測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66-72
• 4.4.1 太陽和地磁指數(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 美國加州地震電離層異常檢測72-73
• 4.6 三次地震實(shí)例檢測分析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 周日變化及威德爾海異常分析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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