基于GPS数据的电离层TEC梯度异常探测研究

发布时间：2020-03-28 21:03

【摘要】：电离层的总电子含量(Total Electron Content,TEC)梯度特性多年以来一直是电离层研究方面的重要课题。本文介绍了一种基于多分辨率层析技术的TEC梯度异常探测方法,验证了多分辨率层析技术在磁暴时期和磁平静时期的有效性,依据TEC梯度的范围、成因等因素,从不同的角度出发展开对电离层TEC梯度特性的研究。首先,为了有效的探测电离层结构,介绍了基于全球定位系统(Global Positioning System,GPS)数据的多分辨率电离层层析成像技术,并对比了单分辨率层析技术和测高仪的数据,分析磁暴时期和磁平静时期该方法的精度。结果表明:无论在磁平静时期还是磁暴时期,多分辨率层析技术的反演精度都要比单分辨率高,可以较准确的反映电离层电子密度分布情况。其次,利用多分辨率层析技术研究了电离层的TEC梯度。研究表明:磁平静时期,低纬地区的TEC梯度在所选的四个季节的日期中都表现出了最强的梯度变化,且大都为南北梯度,中纬地区的TEC梯度变化略小,但开始出现不规则的局部TEC梯度,高纬地区基本没有大范围的TEC梯度,但局部不规则TEC梯度最多;研究磁暴和磁平静时期的小范围的TEC梯度时,通过引入△TEC变量,分析出磁暴对小范围TEC梯度有较大的影响,并从不同方向上对TEC梯度进行讨论;研究中国东部的TEC站间梯度异常特性时,由GPS第28号卫星观测数据计算出香港地区电离层TEC梯度数值最高达到48.03mm/km,并就TEC梯度异常对陆基增强系统(Ground-Based Augmentation Systems,GBAS)的影响进行讨论。最后,由于电离层扰动是导致TEC梯度异常的主要原因之一,因此研究了电离层扰动中的一种——电离层行扰引发的TEC梯度异常。结果表明:磁暴时期出现了大尺度的电离层行扰(Large-Scale Travelling Ionospheric Disturbances,LSTID),分为两个阶段,第一阶段的LSTID波长为1200km左右,周期为50-60min,以350-400m/s的波速向西南方向传播,第二阶段出现了“超级”LSTID,覆盖范围巨大,波长较大,并分析了电离层垂向电子密度信息,对LSTID的成因做了评估;分析TEC重构图时发现,在LSTID期间对应区域的电离层大范围TEC异常梯度比较明显,且LSTID的幅度越大,对TEC梯度的影响越显著。
【图文】：

电离层,分层结构

图 1-1 电离层分层结构[2]-1 所示，电离层的分层结构使得国际上将它划分为 D 层、E 层、F F1 层和 F2 层[3]。由图可以看出，电离层电子密度最大时的高度在际上，电离层的峰值电子密度（记为 NmF2）对应的电离层高度（经常处在 F2 层区域，这也是因为 F2 层是电离层所有区域中最活在电离层底部，高度范围约为 60-90km，D 层是多原子离子“团”的104/cm3[4]；90km 到 150km 属于 E 区，又称为发电机层，它的电子层，属于中等浓度；F 层是原子氧离子密度较大的区域，由于 F 层，电子密度一般在此区域会达到峰值。由于白天和夜晚的日照区分强度跟季节也有很大关系，，故此区域的电子密度数值会在不同季节当无线电波经过电离层时，F 层是影响传播的最主要的干扰源。由

温度分布,测高仪,单站,电子密度

图 2-1 测高仪单站点数据图图 2-1 为 Millstone Hill 站点在 2015 年 3 月 17 日的测高仪数据图，标出了站点名、间、电子密度随时间变化、电子密度在 F1 和 F2 层的 hmF2 数值等，本文主要用到的电子密度随时间变化的数据、hmF2 和 NmF2，其中 NmF2 数据需要用 foF2 转化，转公式如下：222 1080.6foFNmF = （2.1）本文所用测高仪数据来自 LGDC（Lowell GIRO Data Center），该数据库联合了欧、非洲和亚洲多个站点源的数据，数据质量具有一定可靠性。雷达是探测电离层参数变化的主要手段之一，非相干散射雷达能够测量电子密度、子速度和电离层中电子温度分布等表征电离层重要特性的参数，电波最高可达到00km 左右，在研究电离层特性中占有重要地位。尽管这种测量具有有限的水平分辨，但是它们的高垂向和时间分辨率可以良好的监测 TID 的波特征。相比于测高仪，非
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P228.4

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