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电离层与人类活动关系密切,同时也对无线电通信、航天活动、卫星定位等有着重要影响。总电子含量(Total Electron Content,TEC)是描述电离层的一个重要物理量,利用GPS技术获取TEC是近年来电离层观测的一种主要手段。这种电离层观测技术常需要引入电离层薄层模型,而基于该模型计算得到的TEC,只能反映电离层的水平结构,不能反映电离层的垂直结构。为了提高电离层的空间分辨率,近30年来,电离层层析技术获得了广泛的关注与发展,该技术可以精确地获取电子密度的三维空间分布。但是,传统电离层层析技术一次层析仅能获取某个时刻的电离层分布,当对电离层进行连续层析或者层析预设收敛条件不理想时,则会产生计算量大、计算时间长、计算效率低等问题,且因融合的观测信息量少,导致层析精度相对较低。为解决上述问题,本文研究采用KALMAN滤波算法进行时变三维电离层层析,基于该滤波的层析算法可以快速、高效获取区域电离层电子密度,且层析重建结果可靠。本文的主要研究成果如下:1.详述了利用GPS数据进行电离层层析的原理和传统反演算法,针对传统电离层层析算法计算量大,无法快速获取电子密度的问题,本文研发了基于KALMAN滤波算法的时变三维电离层层析重建技术。利用陆态网络所提供的GPS数据,层析计算2015年7月2日磁静日下电离层电子密度的三维分布,得到了一天时间内电子密度的时空变化过程;并将层析结果和垂测仪实测数据进行比较,验证了基于KALMAN滤波算法的时变三维电离层层析技术的可行性和可靠性。2.利用陆态网络所提供的GPS数据计算了2015年12月20日大磁暴前后30天的VTEC时间序列,选用滑动时窗法检测磁暴期间VTEC变化,并利用KALMAN滤波算法对磁暴日当天的电离层异常进行时变层析反演。层析结果显示,大磁暴发生时,电子密度异常主要集中在电离层F层,与磁暴发生前一天同时刻相比,电子密度有所增大,最大增幅约为66%,电离层呈现正相暴效应。与电离层经验参考模型IRI-2012相比,GPS层析结果能更好地揭示电离层电子密度的时空变化。通过与垂测仪观测数据进行比较,验证了此次层析结果的可靠性。3.以2014年2月12日发生的新疆于田地震为例,利用地基GPS观测资料反演了中国区域电离层VTEC分布,通过滑动时窗法检测分析了此次于田地震期间电离层VTEC变化。结果显示,排除空间环境因素的干扰后,2月2日的电离层VTEC异常可能与该地震相关。利用KALMAN滤波算法对该电离层异常进行了层析反演,不仅证实了震前电离层VTEC异常的存在,而且层析获取的三维电子密度更细致、更直观地揭示了电离层异常的空间分布。