基于气辉与北斗GNSS观测的电离层中尺度结构特性研究

发布时间：2020-04-02 17:14

【摘要】：电离层是距地面约60-1000公里既包含带电粒子又充满中性气体的区域。该区域承载了人类主要的空间活动和绝大多数空间飞行器的运行,并能强烈影响无线电波的传播。电离层存在多重尺度结构,且这些结构与其所在的电离层背景存在极大的差异,能显著影响并改变其所在区域的电离层特性,进而会影响路径该区域的无线电传播,特别是对通信导航、卫星定轨定位等的影响尤为突出。如引起相关电离层闪烁,严重时造成卫星信号失锁等。因此,对电离层不同尺度结构的研究具有重大的科学意义和应用前景。近年来,中国北斗卫星导航系统快速发展,其中的地球同步卫星(GEO)因其对地静止,利用其可对相同电离层区域进行持续观测,为研究电离层中尺度结构提供了新的手段。本文基于北斗GEO电离层观测优势,结合气辉和GPS等观测,克服了以往观测方式时间与空间变化效应混杂的局限,聚焦中低纬度典型的电离层中尺度结构,揭示了电离层中尺度波动结构在中纬的日变化特征,以及其在低纬白天随地方时、季节、纬度变化特征和半球耦合特征;首次系统分析了百公里尺度的电离层白天经度变化的特征,并探究了地磁活动对其影响。具体的研究成果如下:1.联合电离层多种观测手段,研究中纬度中尺度电离层行扰(MSTIDs)的特征。首次利用北斗GEO总电子含量(TEC)研究了中纬度夜间MSTIDs,与GPS TEC和气辉观测的夜间MSTIDs特征相比,揭示了夜间MSTIDs发生率的季节变化在一年中具有三峰结构。同时,发现与GPS TEC观测相比,北斗GEO TEC观测到的夜间MSTIDs参数特征更接近气辉观测的结果,其可以有效地避免在获取MSTIDs参数时因卫星运动而产生的多普勒效应及背景电离层剔除的影响。此外,利用北斗GEO TEC观测研究了中纬白天MSTIDs变化特性,并对比了同地的夜间MSTIDs特征,发现二者存在明显的差异,这表明它们激发机制不同。白天MSTIDs可能主要是由低层大气重力波通过动力学过程诱发,而夜间MSTIDs可能是通过Perkins不稳定性、E层和F层耦合及半球间耦合等多种电动力学过程产生。2.获取低纬白天周期波动结构的新认识。基于2016年至2017年北斗GEO电离层观测链反演的TEC数据,首次统计分析和探究了亚洲-澳洲扇区低纬白天电离层中周期为18到28分钟左右的中尺度波动结构。发现在北半球观测到的白天电离层周期波动结构主要发生在冬季地方时11点到17点、北纬17°到25°(磁纬10°-18°N)之间,其最大发生率达80%,出现在北纬21°(磁纬14°N)附近。在南半球白天电离层周期波动结构主要发生在冬季地方时11点到15点、南纬6.0°到11.1°(磁纬15.4°-21.6°S),但它的最大发生率只有40%左右。与低层大气重力波活动相比,两者季节和纬度变化基本一致。这表明白天电离层周期波动结构可能来源于低层大气重力波并在低纬度产生,而不是从其它纬度传播而来。此外,我们发现观测到的低纬度白天电离层周期性波动结构不存在半球耦合特征,这说明白天电离层周期波动结构并非由半球间电动力学耦合过程引起。3.首次揭示白天电离层百公里尺度经度变化特征。利用2015年至2016年中国中部区域北斗GEO TEC观测数据,首次系统研究了电离层区域性即百公里尺度的经度变化。发现中低纬白天电离层在几百公里区域内存在非常显著的纬向梯度,其纬向差异最大超过40 TECU。电离层纬向梯度事件发生时,白天西侧TEC大情形的比东侧TEC大的情形出现稍多,且均主要发生在正午及午后时间。在季节变化上,白天区域性电离层纬向梯度发生率呈现明显的半年周期变化,其主峰和次峰分别出现在春季和秋季,最小值出现在夏冬两季。4.发现白天电离层百公里尺度经度变化地磁活动依赖性关系。利用亚洲-澳洲扇区中低纬北斗GEO电离层观测链数据,研究了 2017年9月磁暴期间电离层区域性即百公里尺度的经度变化,发现在磁暴期间白天电离层存在明显区别于地磁平静时期的区域性纬向梯度。同时,利用2015年12月至2016年12月中国中部区域性的北斗GEO电离层观测网数据,统计分析了白天电离层区域纬向梯度与地磁活动的关系。发现白天电离层区域纬向梯度在不同地磁活动状态下发生率较一致,但梯度较大的纬向梯度结构主要发生非地磁平静期间。此外,大部分白天区域性电离层纬向梯度结构伴随背景TEC增强。这表明地磁扰动引起的电场变化可能对产生白天区域性电离层经度变化具有重要作用。本文的研究结果有助于加深对中低纬电离层中尺度结构的认识,加强北斗导航系统的数据发展及应用,对提高通信导航、定轨定位精度及改进空间天气预报模式有着重要意义和应用价值。
【图文】：

示意图,电离层,高度变化,成分

的高度称为过渡高度，一般在６００到１５００ｋｍ之间。Ｆ２层峰值高度到过渡高度之逡逑间，这个以０＋离子为主的区域，称之为顶部电离层（ＳｃｈｕｎｋａｎｄＮａｇｙ，２００９）。此逡逑夕卜，如图１．１所示，在电离层中，，中性大气密度随着高度增加呈量级减小，并直‘逡逑至消失。逡逑Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ邋Ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ逡逑Ｓ00逦Ｔ逦Ｉ逦Ｈ￣￣｜逦Ｉ逦ｒ￣Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逡逑７００邋？逦Ｉ邋0＼邋＼逦ＭＳＩＳ－Ｅ－９０１ＲＩ－９５邋Ｍｏｄｅｌｓ邋＿逡逑＼邋ｈ邋Ｗ邋／逦＼逦＼逦Ｓｏｌａｒ邋Ｍａｘｉｍｕｍ逡逑刚邋＿逦、７邋／ｈ＿逦＼逦＼逦４３。Ｎ，Ｎｏｏｎ，邋Ｅｑｕｉｎｏｘ逦＿逡逑Ｉ邋５００逦Ｈ邋＼ｒｉ邋＼逦－逡逑＾邋４００邋－邋＼邋＼邋－逡逑0＞逦Ｉ逦＼邋Ｎｅｕｔｒａｌｓ逡逑工邋３００逦Ｊ逦＼逦－逡逑ｔ邋＼逡逑２卩0邋＿逦、、－Ｆ邋ｒｅｇｉｏｎ逡逑１００邋—＾＾１邋Ｅ邋ｒｅｇｉｏｎ逦－逡逑逦邋逦逦邋丁＂邋Ｄ邋ｒｅｇｉｏｎ逦—－逡逑Ｑ邋逦ｔ逦｜逦｜逦｜逦｜逦｜逦｜逦｜逦｜逦｜逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦逡逑１０１逦１０１逦１０３逦１０４逦１０５逦１０６逦１０’逦１０ｓ逦１０９逦１０１Ｓ逦１０ｕ逦１０１２逦１０１３逦１０１４逦１０１５逦１０１６逡逑Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋Ｄｅｎｓｉｔｙ邋（ｃｍ＂３）逡逑图１．１电离层分层及成分随高度变化示意图。源自ＮＣＡＲＨＡＯ逡逑受地球磁场位形的影响，电离层在不同地磁纬度呈现出不同的物理特征。在逡逑高纬电离层区域

北斗,黄山,同步卫星

国扇区东西部（Ｚｈａｏｅｔａｌ．，２０１３）及巴西扇区（Ｆａｇｕｎｄｅｓｅｔａｌ．，２０１６）发现的电离逡逑层经度差异。那么在更小的尺度，如在几百公里范围，同经度县城与县城之间电逡逑离层是否存在明显区别？如图１．３所示，ＧＮＳＳ黄山站观测到的２０１６年３月１１逡逑曰非同步卫星ＴＥＣ和北斗同步卫星ＴＥＣ变化。左图展示的是非同步卫星ＴＥＣ，逡逑虽然该图给出了电离层的周日变化特征，但同时刻ＴＥＣ值较分散，差异可达５０逡逑ＴＥＣＵ。然而，由于卫星相对于地球运动，非同步卫星ＴＥＣ存在空间变化和时间逡逑变化混杂的缺点。右图给出了北斗地球同步卫星ＴＥＣ，同步卫星ＴＥＣ不仅反映逡逑了电离层周日变化，而且同时刻不同方向观测ＴＥＣ差异也清楚地被呈现。与非逡逑同步卫星ＴＥＣ相比，北斗同步卫星ＴＥＣ规避了时间与空间变化效应混杂的问题，逡逑而且同站点不同同步卫星ＴＥＣ观测反映纬向距离在几百公里的电离层变化信息逡逑（Ｈｕａｎｇｅｔａｌ．
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P352

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