电离层二维和三维同化建模研究与分析
发布时间：2021-09-24 07:51
电离层是地球高层大气的重要组成部分,由于电离层中含有相当多的自由电子,使得它影响着地球无线电波的通讯。卫星信号穿过电离层时的传播时间误差与电离层总电子含量（Total Electron Content,TEC）有着直接相关的关系,所以电离层的建模对于卫星导航、通信等电波技术系统的有效应用有着十分重要的价值。本文利用在大气科学、海洋科学等学科中已经广泛运用的同化方法开展电离层建模研究。基于电离层的实际观测值,对经验模式或理论模式进行数据同化,得到更接近于真实观测值的、格点化的电离层物理参数。主要内容和结果如下:（1）利用卡尔曼滤波法实现了中国区域和全球电离层二维同化建模,基于不同的背景模式与不同的观测数据,分析背景模式对同化结果的主要影响。分析表明数据同化模式在电离层建模中十分有效。时空格点分布不均匀的观测值对均匀格点的模式背景值进行了修正,使得TEC和foF2的同化结果更接近于观测值,并且在没有观测值的点也能得到良好的修正。中国地区2015年的评估结果表明,同化后的TEC误差标准差在白天平均小于6TECU,夜间平均小于3TECU,f...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)北京市
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
大气层太阳辐射能吸收率随高度的分布
第2章背景介绍7=(6)∞=(7)当=0时得到极大辐射吸收高度处∞=1，即：=1(8)=()=(1)(9)=(1)=∞(1)(10)极大吸收高度出的极大电离产生率为：=(11)==(1())(12)令=，则有：=(1())(13)可以知道极大电离率随着太阳入射天顶角变大而减小，极大电离峰值高度随太阳入射天顶角变大而变大。电离过程的主要原因是太阳及其活动，电离率主要又受获得的太阳辐射所影响，因此电离层随着日夜和季节而变化，除此之外地球表面纬度的不同也影响着电离层的产生。图2电离层电子分布昼夜对比
第2章背景介绍9图3数据同化示意图数据同化的基本原理是利用最小二乘法，使得观测值和模式背景值的综合误差达到最小，在本文中主要采用卡尔曼滤波的方法进行数据同化。卡尔曼滤波法是一种最优估计方法，对于系统模式来说，各个物理量的真实值是不知道的，由于建立的模式并非是完美的，而只是对真实情况的一种近似，我们需要利用观测值进行修正，而观测值中又伴随着随机误差。最优估计就是针对上述问题的一种解决方案，它能将模式和观测两者各自具有的不确定性进行权衡，得到总误差最小的状态估计。卡尔曼滤波是一种递推线性最小方差估计，假设整个系统是线性的，且误差是高斯型噪声。对于时刻，定义真实值为0，背景模式值为，模式误差为，则有：=0+(14)定义观测值为，观测误差为0，为观测算子，代表着观测量与模式参量之间的关系，则：=0+0(15)利用观测值对背景值进行线性修正，得到时刻的分析值：=+()(16)其中为待定系数，也称作增益矩阵。则分析变量的误差为：=0=()+0(17)第时刻的背景误差协方差、观测误差协方差、分析误差协方差分别记作、、，假设背景误差和观测误差不相关，则有：==()()+(18)
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国电离层TEC同化现报系统[J]. 阿尔察,刘四清,黄文耿,李建勇,师立勤,龚建村,陈艳红,沈华,蔡燕霞,鲁国瑞. 地球物理学报. 2018(06)
[2]TIEGCM集合卡尔曼滤波同化模型设计及初步试验[J]. 张亚楠,吴小成,胡雄. 空间科学学报. 2017(02)
[3]利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量的变化特征[J]. 张满莲,刘立波,万卫星,宁百齐. 地球物理学报. 2016(01)
[4]北京地区电离层Chapman标高的统计分析[J]. 解海永,宁百齐,刘立波,余涛,胡连欢,吴宝元,郑建昌,常首民. 地球物理学报. 2014(11)
[5]电离层多源数据同化方法研究[J]. 欧明,甄卫民,徐继生,於晓,张风国,邓忠新. 电波科学学报. 2015(01)
[6]基于Gauss-Markov卡尔曼滤波的电离层数值同化现报预报系统的构建——以中国及周边地区为例的观测系统模拟试验[J]. 乐新安,万卫星,刘立波,宁百齐,赵必强,李国主,熊波. 地球物理学报. 2010(04)
[7]2OO1年3月19日至22日期间电离层暴分析[J]. 孙凌峰,毛田,万卫星,赵必强. 地球物理学进展. 2009(05)
博士论文
[1]电离层TEC暴及其预报方法研究[D]. 邓忠新.武汉大学 2012
[2]中低纬电离层模拟与数据同化研究[D]. 乐新安.中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所） 2008
硕士论文
[1]基于机器学习的电离层总电子含量经验预报模型[D]. 袁天娇.中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心) 2017
本文编号：3407386
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)北京市
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
大气层太阳辐射能吸收率随高度的分布
第2章背景介绍7=(6)∞=(7)当=0时得到极大辐射吸收高度处∞=1，即：=1(8)=()=(1)(9)=(1)=∞(1)(10)极大吸收高度出的极大电离产生率为：=(11)==(1())(12)令=，则有：=(1())(13)可以知道极大电离率随着太阳入射天顶角变大而减小，极大电离峰值高度随太阳入射天顶角变大而变大。电离过程的主要原因是太阳及其活动，电离率主要又受获得的太阳辐射所影响，因此电离层随着日夜和季节而变化，除此之外地球表面纬度的不同也影响着电离层的产生。图2电离层电子分布昼夜对比
第2章背景介绍9图3数据同化示意图数据同化的基本原理是利用最小二乘法，使得观测值和模式背景值的综合误差达到最小，在本文中主要采用卡尔曼滤波的方法进行数据同化。卡尔曼滤波法是一种最优估计方法，对于系统模式来说，各个物理量的真实值是不知道的，由于建立的模式并非是完美的，而只是对真实情况的一种近似，我们需要利用观测值进行修正，而观测值中又伴随着随机误差。最优估计就是针对上述问题的一种解决方案，它能将模式和观测两者各自具有的不确定性进行权衡，得到总误差最小的状态估计。卡尔曼滤波是一种递推线性最小方差估计，假设整个系统是线性的，且误差是高斯型噪声。对于时刻，定义真实值为0，背景模式值为，模式误差为，则有：=0+(14)定义观测值为，观测误差为0，为观测算子，代表着观测量与模式参量之间的关系，则：=0+0(15)利用观测值对背景值进行线性修正，得到时刻的分析值：=+()(16)其中为待定系数，也称作增益矩阵。则分析变量的误差为：=0=()+0(17)第时刻的背景误差协方差、观测误差协方差、分析误差协方差分别记作、、，假设背景误差和观测误差不相关，则有：==()()+(18)
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国电离层TEC同化现报系统[J]. 阿尔察,刘四清,黄文耿,李建勇,师立勤,龚建村,陈艳红,沈华,蔡燕霞,鲁国瑞. 地球物理学报. 2018(06)
[2]TIEGCM集合卡尔曼滤波同化模型设计及初步试验[J]. 张亚楠,吴小成,胡雄. 空间科学学报. 2017(02)
[3]利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量的变化特征[J]. 张满莲,刘立波,万卫星,宁百齐. 地球物理学报. 2016(01)
[4]北京地区电离层Chapman标高的统计分析[J]. 解海永,宁百齐,刘立波,余涛,胡连欢,吴宝元,郑建昌,常首民. 地球物理学报. 2014(11)
[5]电离层多源数据同化方法研究[J]. 欧明,甄卫民,徐继生,於晓,张风国,邓忠新. 电波科学学报. 2015(01)
[6]基于Gauss-Markov卡尔曼滤波的电离层数值同化现报预报系统的构建——以中国及周边地区为例的观测系统模拟试验[J]. 乐新安,万卫星,刘立波,宁百齐,赵必强,李国主,熊波. 地球物理学报. 2010(04)
[7]2OO1年3月19日至22日期间电离层暴分析[J]. 孙凌峰,毛田,万卫星,赵必强. 地球物理学进展. 2009(05)
博士论文
[1]电离层TEC暴及其预报方法研究[D]. 邓忠新.武汉大学 2012
[2]中低纬电离层模拟与数据同化研究[D]. 乐新安.中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所） 2008
硕士论文
[1]基于机器学习的电离层总电子含量经验预报模型[D]. 袁天娇.中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心) 2017
本文编号：3407386
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