论文部分内容阅读
电离层电子总含量(Total Electron Content,TEC)是监测电离层时空变化的重要物理量,基于GNSS双频观测值获取TEC 一直是研究电离层的重要手段。近几十年来,包括我国北斗导航卫星在内的GNSS技术的快速发展为测定TEC提供了新的手段,该技术可以提供高精度、高时空分辨率的电离层观测资料。电离层监测与建模能够利用相关探测数据反演电离层的精细结构,在磁暴、电离层扰动等空间环境监测以及电离层延迟修正等方面有着重要的科学意义和应用价值,相关技术方法的研究与发展在大地测量和空间物理等领域一直受到广泛关注。电离层扰动一直是国际上电离层研究中的重点内容,也是当前空间天气研究中的重要组成部分。现今,受益于多源电离层探测手段的发展,为人们更好的认知电离层空间环境开辟了新的路径。本文在介绍了电离层基本理论的基础上,重点介绍了多源电离层观测数据获取的处理流程,卫星和接收机硬件延迟偏差估计、二维/三维电离层模型构建以及磁暴期间电离层扰动监测等方面的内容。具体而言,本文主要研究内容如下:(1)多源电离层数据融合地基GNSS站点在全球分布不均匀,在南半球以及广大的海洋区域几乎无基准站分布,导致了全球电离层模型在这些区域的精度较低,在某些区域甚至出现了大量的与实际情况不符的VTEC为负值的现象,在CODE和ESA的IONEX产品中也存在类似的问题。现阶段,地基GNSS仍是电离层探测最重要的技术手段之一,多频多模GNSS的发展为空间电离层探测提供了日益丰富的观测资料。COSMIC的应用极大地改善和提高了天基TEC观测的覆盖能力;Jason-1和Jason-2两颗海洋测高卫星的扫描范围可覆盖全球90%的海洋面,这种独特的优势恰好可以弥补地基GNSS观测数据在海洋上的空白。本文将空基海洋测高卫星、COSMIC系统的电离层数据与地基GNSS观测数据进行融合,极大地改善了电离层穿刺点在全球的分布。(2)BDS卫星和接收机硬件延迟偏差(DCB)估计DCB是获取TEC过程重要的误差项,现阶段BDS卫星和地面跟踪站数量较少,用BDS单系统获取的DCB精度有限。另外,考虑到BDS空间段采用GEO/IGSO/MEO混合的星座架构,建设初期很难保证各类BDS卫星DCB的稳定性相同,且各种类型卫星的空间分布、不同轨道高度处的外部环境、观测值质量等可能不同,由此引起的误差会通过“零均值”基准污染所有卫星DCB参数的估值。针对此问题,本文基于CODE GIM,采用两种不同的“零均值”基准约束策略,求解BDS的DCB并对其进行精度评估。结果表明,相对于约束1,施加约束2后IGSO和MEO卫星DCB估值更加稳定,IGSO和MEO卫星的稳定性(分别在0.1 ns,0.2 ns左右)优于GEO卫星(0.15～0.32 ns)。约束2的DCB估值效果不仅与CAS/DLR产品有较好的一致性(Bias:-0.4～0.2ns),而且顾及了 BDS卫星DCB间的稳定性差异。两种约束方案下,BDS接收机DCB的STD无明显变化,说明约束的选择对BDS接收机DCB的稳定性无明显影响。(3)二维单层/三维层析模型构建在获取各类观测数据后,构建融合多源数据的电离层二维模型。本文将天基观测数据(测高卫星和掩星数据)与地基GNSS观测数据进行融合,从而有效提高GIM在海洋地区的精度和可靠性。结果表明加入空基数据之后,GIM在海洋上的精度得到了提高。但是,二维模型是基于单层假设建立的,只能从整体上了解电离层电子含量变化,而借助于电离层层析技术可以重构三维电离层结构,为我们全方位的认识电离层提供了一种新的途径。本文以函数基层析模型为研究对象,提出了考虑投影函数的函数基层析算法,并将其应用到磁暴期间电离层扰动监测中。(4)磁暴期间电离层扰动监测2015年3月17日发生了近10年最为强烈的磁暴(minimum SYM-H=-233nT),本文利用全球3000多个GNSS台站数据和中国区域电离层测高仪数据,以总电子含量TEC、二阶差分算子TECT、TEC的变化率ROT及其标准差ROTI作为表征电离层扰动的特征参量,对此次电离层暴进行分析。结果表明,高纬度区域最早(～06:00UT)发现电子浓度增加现象,并有赤道向拓展趋势,这与高能粒子在极区沉降、极区活动显著增强有关;从GIM的RMS、全球ROTI以及不同经度链的二阶差分可发现,主相阶段有3次赤道向TID,扰动在北美洲向低纬拓展最低达～40°N,扰动时段与AE峰值阶段大致相符,可认为三次扰动与AE有关,并在AE作用下激发AGW向低纬传播所致;最强正暴位于南美洲和南大西洋海域上空(幅度超过300%,00:00-04:00UT 18 March),呈现明显的半球不对称现象,该现象可能与热层成分变化、IMF By的方向以及地磁场的强度等有关;3月18日除低纬区域外,全球以负暴为主,存在赤道向拓展、逐渐衰减的趋势,并以中国区域测高仪的foF2的变化进一步说明电离层负暴的演变过程;负暴可用暴环流理论解释,并用TIMED/GUVI提供的O/N2分布给予验证。