基于卫星信标的TEC分布和电子密度反演技术研究

发布时间：2020-04-06 07:16

【摘要】：电离层层析成像由于其本身耗费低、易于实现的优点,在电离层的探测研究中占据着重要的地位。低轨卫星信标所测得的全电子含量(Total Electron Content,TEC)资料是电离层层析成像的重要数据来源之一。气象、电离层及气候卫星观测系统(COSMIC)的成功发射,提升了卫星信号的来源,丰富了中国及其周边地区在中低纬区域的电离层TEC资料,其上携带的三频信标也为高精度的电离层层析成像奠定了基础。与传统的双频信标技术相比,最新的三频信标技术通过将三个频率两两差分大大提高了TEC模糊系数,降低了相位积分常数在TEC求解中的计算误差,提升了电子密度重构的精度。本文利用三频信标所测得的TEC资料,进行了中低纬地区的高精度电子密度二维分布重构,并分析了磁暴事件对TEC变化趋势的影响。主要研究内容如下:1、计算了平均电离层高度对绝对TEC计算精度的影响由于最新的COSMIC-Ⅱ卫星轨道较低,运行高度在520公里到550公里范围内,继续使用380Km作为平均电离层高度会导致较大的计算误差。本文利用NeQuick模型计算不同高度下的绝对TEC计算误差,比较得出了误差最小的平均电离层高度,此时相位积分常数的计算误差最大不超过1TECu。实测数据计算得到的垂直TEC也验证了其精度。2、基于TEC实测数据进行了高精度的电子密度重构本文以IRI模型为初始值,基于低纬电离层层析网所测TEC数据重构了中低纬地区的电离层电子密度,比较了乘法代数迭代法与代数迭代法在电子密度重构中的计算效率与计算精度,其重构得到的夜间TEC值误差在0.2TECu左右。利用重构的高精度电子密度二维分布分析了电子密度在不同时间段随纬度、高度的变化情况,以及赤道异常区在日夜期间的不同表现形式和变化情况。3、分析了磁暴事件对高精度TEC二维分布的影响利用地基GPS接收站台网,可以获得大量的垂直TEC数据。本文提出了一种高精度TEC地图重构方法,利用亚大地区60个GPS台站的实测数据,基于Kriging内插方法对各台站的垂直TEC数据进行插值处理,实现了亚大区域高分辨率TEC二维分布的重构,并与实测数据对比验证了本方法的精度和有效性。基于高分辨率的二维分布图,分析比较了区域TEC值在不同日期随时间、纬度的变化情况,重点对比分析了磁静日与磁暴日期间南北半球不同纬度的电离层TEC值在磁暴期间的不同表现特征,并给出了磁暴期间不同纬度TEC的变化趋势所存在的差异及其解释,相关研究成果为区域高分辨率电离层监测系统的建立提供了方法支撑。
【图文】：

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无线电射频信标仪主要用来量测电离层闪烁，利用多个地面站接收三频信标并做数据分析，即可得到电离层结构。透过分析 TGRS 接收 GNSS卫星所发出、经过电离层与大气层时所折射的无线电波，便可得到大气层与电离层中的温度、压力、水气与电子密度等讯息。离子速度仪有两种实功能，第一种可推导的温度与直线速度，可推导出离子的入射离子速度仪实地量测可以帮助 TGRS 的掩反演的准确度美国空军 U.S.AIR FORCE统由美国空军（U.S.Air Force）单位负责，，委托给 Space X 公司侧肯尼迪太空中心进行发射。发射搭乘猎鹰重型发射火箭：火箭为 3 组，载具重量为 125 公吨，总推进力达 10.8M 牛顿。负责把预定轨道：距地面距离为 520~550 公里的低倾角(24 度)圆形轨道

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图 2. 3 卫星轨道与掩星数量对比图（来自 http://www.cosmic.ucar.edu）COSMIC-Ⅱ是由台湾太空中心与美国国家海洋和大气管理局发起的联合任务[52]其中美国方面负责：1、提供无线电掩星载荷；2、提供运载火箭系统；3、建设管理地面接收站；4、在美国成立数据处理中心。台湾方面负责：1、卫星系统的提供与配置；2、卫星任务的开展与执行；3、卫星控制中心与台湾站的遥测，跟踪与指挥；4、在台湾建设数据处理中心。台美双方合作负责提供科学载荷。至今为止，COSMIC-Ⅱ计划执行状况如下：
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P352.7

【参考文献】