本文關(guān)鍵詞：基于GNSS的電離層總電子含量的預(yù)測(cè)與應(yīng)用研究

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【摘要】：隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,一方面給電離層自身研究帶來(lái)了飛躍式的發(fā)展,另一方面也使電離層研究成為交叉性很強(qiáng)的一個(gè)研究課題。利用GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)開展與電離層相關(guān)內(nèi)容的研究,特別是基于GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層總電子含量(Total Electron Content, TEC)問(wèn)題的研究,不但深化了對(duì)電離層結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律的認(rèn)識(shí),也為建立精確的電離層延遲改正模型和改善衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的觀測(cè)精度等實(shí)際應(yīng)用提供了重要的支持。本文主要圍繞電離層TEC數(shù)據(jù)分析、建模、預(yù)測(cè)和應(yīng)用等問(wèn)題進(jìn)行了深入地探討,分析了TEC的時(shí)空變化特性和太陽(yáng)活動(dòng)與TEC的相關(guān)性,并進(jìn)行了TEC長(zhǎng)期變化規(guī)律的建模與預(yù)測(cè)；為降低模型的復(fù)雜度,采用時(shí)間序列分析模型對(duì)TEC的短期變化規(guī)律進(jìn)行建模與預(yù)測(cè)；并利用該方法對(duì)汶川地震前TEC異常擾動(dòng)進(jìn)行了檢測(cè)。研究工作主要包括以下幾個(gè)方面：首先,為定量地描述電離層TEC的長(zhǎng)期變化特征,提出了基于正弦函數(shù)調(diào)制的電離層TEC月中值預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｍㄟ^(guò)分析、處理IGS提供的中國(guó)區(qū)域內(nèi)5個(gè)觀測(cè)站的TEC數(shù)據(jù),研究了不同太陽(yáng)活動(dòng)年份的電離層TEC日變化、月變化以及TEC差值相對(duì)變化率的時(shí)空變化特征。采用正弦函數(shù)表征長(zhǎng)期趨勢(shì)變化,諧函數(shù)展開反映循環(huán)變動(dòng)相結(jié)合的方法,對(duì)中國(guó)區(qū)域內(nèi)5個(gè)IGS觀測(cè)站及全球不同緯度地區(qū)的TEC月中值數(shù)據(jù)進(jìn)行了建模與預(yù)測(cè),通過(guò)利用IGS數(shù)據(jù)對(duì)建模結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,證實(shí)了模型的有效性,從而為后續(xù)研究太陽(yáng)活動(dòng)與電離層TEC之間的相關(guān)性提供了必要的支持。其次,為定量地描述太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)電離層TEC時(shí)空變化的影響,提出了線性函數(shù)調(diào)制攝動(dòng)因子的TEC月中值預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�。以長(zhǎng)期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析了太陽(yáng)黑子數(shù)與全球不同緯度地區(qū)TEC月數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性；利用二者之間的線性變化趨勢(shì)對(duì)攝動(dòng)因子進(jìn)行調(diào)制的方法,以太陽(yáng)黑子數(shù)為輸入?yún)?shù),對(duì)全球不同緯度地區(qū)TEC月中值數(shù)據(jù)進(jìn)行了建模與預(yù)測(cè),并利用IGS數(shù)據(jù)對(duì)建模結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期范圍內(nèi),定量地描述電離層TEC月變化對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的依賴關(guān)系,從而為有效地改進(jìn)電離層TEC預(yù)報(bào)模型提供依據(jù)。然后,為優(yōu)化電離層TEC建模過(guò)程,提高TEC小時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)的精度,提出了基于預(yù)測(cè)殘差修正的自回歸滑動(dòng)平均模型(Autoregressive Moving Average Model, ARMA)對(duì)TEC短時(shí)變化規(guī)律直接預(yù)測(cè)的方法。此方法的優(yōu)勢(shì)是回避了對(duì)電離層TEC復(fù)雜特性的過(guò)多討論,直接運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析的方法,基于歷史觀測(cè)數(shù)據(jù),揭示動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)本身的結(jié)構(gòu)與規(guī)律以及觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電離層TEC數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè),提高了TEC短時(shí)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)精度。通過(guò)以IGS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)測(cè),驗(yàn)證了本方法預(yù)報(bào)電離層TEC小時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)際效果,為電離層TEC模型的優(yōu)化提供了參考。最后,為提高地震前電離層TEC異常擾動(dòng)判別的準(zhǔn)確性,提出了TEC異常擾動(dòng)探測(cè)的新方法,該方法通過(guò)設(shè)定合理的限差判決門限,利用基于預(yù)測(cè)殘差修正的ARMA模型預(yù)報(bào)的TEC值來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法計(jì)算的TEC值,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)震前TEC異常擾動(dòng)的探測(cè)。通過(guò)對(duì)汶川地震前后電離層TEC的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明,利用本方法不僅能夠探測(cè)到其他研究方法所得到的TEC異常數(shù)據(jù),而且又新發(fā)現(xiàn)了震前其他時(shí)間點(diǎn)上的TEC異常擾動(dòng)現(xiàn)象,驗(yàn)證了本方法相對(duì)于其他方法的優(yōu)越性。在上述理論研究和方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,利用IGS組織提供的電離層TEC數(shù)據(jù)對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,取得了預(yù)期的效果,表明研究成果對(duì)深化電離層TEC的理論研究和對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中電離層延遲影響的改善具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。本論文得到了國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(利用多徑信號(hào)提高GNSS接收機(jī)性能的新技術(shù)研究,No.2009AA12Z312)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(基于Rake-CL環(huán)路提高GNSS接收機(jī)捕獲靈敏度理論和算法研究,No.60972091)的支持。
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN967.1

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本文編號(hào)：1158850