基于Swarm卫星GPS/TEC观测的顶部电离层三维电子密度分布的层析法研究
发布时间：2021-12-31 23:18
利用两颗伴飞的Swarm A/C卫星搭载的双频GPS接收机获取的TEC数据,在两个卫星轨道平面同时对顶部电离层电子密度进行层析成像,实现对顶部电离层电子密度的三维观测.为了能够重现扰动期间电离层电子密度的空间变化特征,在正则化求解过程中,我们引入了水平矩阵H和垂直矩阵V刻画电子密度的空间变化特征,引入整体约束矩阵C以调节不同空间对电子密度相对变化的权重.数值验证结果表明我们的算法对常见的观测误差具有较强的包容性,反演计算出的电子密度平均偏差优于10%.在不同地磁活动条件下,与第三方观测数据的对比,验证了本文反演算法的可靠性.实测数据反演结果表明我们的算法不仅能够较好地重现顶部电离层子午向百公里级别的不规则结构,还能有效分辨纬向相隔～150 km的两个卫星轨道平面的电子密度差异.
【文章来源】：地球物理学报. 2020,63(09)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
(a) 2014年8月20日05∶00 UT IRI模式在10°N,40°N,60°N,142°E电子密度剖面; (b) 与之对应的总约束系数
图1 (a) 2014年8月20日05∶00 UT IRI模式在10°N,40°N,60°N,142°E电子密度剖面; (b) 与之对应的总约束系数使用不含偏差的TEC(y0),可求解出电子密度x2.图2b给出了电子密度模式值(x0)与反演结果(x2)偏差的绝对值,即|x0-x2|.可以看出两者相当接近,日侧最大偏差约为6.8×109 el./m3,RMSE约为1.5×109 el./m3,最大相对偏差约为6.8%,平均相对偏差约为0.9%,夜侧最大偏差约为1.5×109 el./m3,RMSE约为5.2×108 el./m3,最大相对偏差约为4.5%,平均相对偏差约为1.2%.由此看出,在不引入误差的情况下,反演结果与模式值x0极为接近.
表1 不同误差项下,电子密度最大偏差、RMSE、最大相对偏差和平均相对偏差Table 1 The maximum deviation, RMSE, maximum relative deviation and mean relative deviation at different error term 误差项e(TECU) 最大偏差/(el./m3) RMSE/(el./m3) 最大相对偏差/% 平均相对偏差/(%) 均值 方差 日侧 夜侧 日侧 夜侧 日侧 夜侧 日侧 夜侧 0 0 6.8×109 1.5×109 1.5×109 5.2×108 6.8 4.5 0.9 1.2 2 1 1.0×1010 1.1×1010 2.0×109 2.7×109 5.8 7.5 1.2 2.8 2 2 1.4×1010 1.2×1010 3.0×109 2.9×109 7.1 7.8 1.5 3.1 2 3 3.1×1010 2.3×1010 5.9×109 5.6×109 8.8 13.4 2.8 7.5IRI模型主要描述电离层的大尺度空间结构,为了验证本文方法对电离层不规则结构的重现能力,我们在IRI模式预测值的基础上,在10°N处人为引入一个密度耗空.图3b显示了引入耗空后的模式值(x0)和CIT值(x2)电子密度分布.可以看到,我们的重建方法较好地捕捉到了百公里级的电离层场向不规则结构,佐证了我们引入约束的有效性.
【参考文献】：
期刊论文
[1]顶部电离层和等离子体层电子密度分布——基于GRACE星载GPS信标测量的CT反演[J]. 刘裔文,徐继生,徐良,尹凡,马淑英,H.Lühr. 地球物理学报. 2013(09)
[2]GPS地面台网和掩星观测结合的时变三维电离层层析[J]. 徐继生,邹玉华,马淑英. 地球物理学报. 2005(04)
本文编号：3561168
【文章来源】：地球物理学报. 2020,63(09)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
(a) 2014年8月20日05∶00 UT IRI模式在10°N,40°N,60°N,142°E电子密度剖面; (b) 与之对应的总约束系数
图1 (a) 2014年8月20日05∶00 UT IRI模式在10°N,40°N,60°N,142°E电子密度剖面; (b) 与之对应的总约束系数使用不含偏差的TEC(y0),可求解出电子密度x2.图2b给出了电子密度模式值(x0)与反演结果(x2)偏差的绝对值,即|x0-x2|.可以看出两者相当接近,日侧最大偏差约为6.8×109 el./m3,RMSE约为1.5×109 el./m3,最大相对偏差约为6.8%,平均相对偏差约为0.9%,夜侧最大偏差约为1.5×109 el./m3,RMSE约为5.2×108 el./m3,最大相对偏差约为4.5%,平均相对偏差约为1.2%.由此看出,在不引入误差的情况下,反演结果与模式值x0极为接近.
表1 不同误差项下,电子密度最大偏差、RMSE、最大相对偏差和平均相对偏差Table 1 The maximum deviation, RMSE, maximum relative deviation and mean relative deviation at different error term 误差项e(TECU) 最大偏差/(el./m3) RMSE/(el./m3) 最大相对偏差/% 平均相对偏差/(%) 均值 方差 日侧 夜侧 日侧 夜侧 日侧 夜侧 日侧 夜侧 0 0 6.8×109 1.5×109 1.5×109 5.2×108 6.8 4.5 0.9 1.2 2 1 1.0×1010 1.1×1010 2.0×109 2.7×109 5.8 7.5 1.2 2.8 2 2 1.4×1010 1.2×1010 3.0×109 2.9×109 7.1 7.8 1.5 3.1 2 3 3.1×1010 2.3×1010 5.9×109 5.6×109 8.8 13.4 2.8 7.5IRI模型主要描述电离层的大尺度空间结构,为了验证本文方法对电离层不规则结构的重现能力,我们在IRI模式预测值的基础上,在10°N处人为引入一个密度耗空.图3b显示了引入耗空后的模式值(x0)和CIT值(x2)电子密度分布.可以看到,我们的重建方法较好地捕捉到了百公里级的电离层场向不规则结构,佐证了我们引入约束的有效性.
【参考文献】：
期刊论文
[1]顶部电离层和等离子体层电子密度分布——基于GRACE星载GPS信标测量的CT反演[J]. 刘裔文,徐继生,徐良,尹凡,马淑英,H.Lühr. 地球物理学报. 2013(09)
[2]GPS地面台网和掩星观测结合的时变三维电离层层析[J]. 徐继生,邹玉华,马淑英. 地球物理学报. 2005(04)
本文编号：3561168
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