基于北斗卫星观测的中国低纬地区电离层特征研究

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导航定位系统涉及人类生产生活的方方面面,电离层的变化是影响导航定位精度的一大障碍。中国低纬地区的电离层变化特征与其它低纬地区(例如:南美洲、非洲)存在较大差异。目前,对于中国低纬地区电离层特征的了解还不够充分。因此,研究中国低纬地区电离层特征具有重要的意义。本文利用北斗卫星观测数据,开展中国低纬地区电离层特征的研究。本文的主要工作和研究结果如下。一、利用北斗GEO(Geostationary Earth Orbit,即地球静止轨道)卫星观测数据研究了日食这一特殊空间天气事件对中国低纬地区电离层的影响。2020年6月21日发生了一次最大食分为0.994的日环食,该日环食路径的中心轨迹途经中国大部分低纬地区。本文对2020年6月19日至23日的武汉九峰站(JFNG)、桂林站(GUILIN)、香港黄石站(HKWS)和台湾台南站(CKSV)共四个低纬GNSS(Global Navigation Satellite System,即全球导航卫星系统)观测站的北斗GEO卫星观测数据进行了分析。本文首先开发了处理与分析北斗GEO卫星观测数据的程序,得出了各天各台站的电离层TEC(Total Electron Content,即总电子含量)随时间变化的曲线图。然后把日环食发生前、后各两日(即2020年6月19、20、22和23日)作为参考日,分析了此次日环食对上述四个台站观测到的电离层TEC的影响。本文的研究表明,在日食期间,与参考日相比,四个台站观测到的电离层TEC均经历了先下降至最小值(此最小值比参考日低3.0~21.4 TECU)后逐渐恢复的过程。日食当天,在各颗GEO卫星的穿刺点,电离层TEC最早于初亏前101分钟开始下降,最早于食甚前8分钟下降至最小值,最迟于复圆后51分钟恢复至下降前的数值,电离层TEC的下降速度比恢复速度小。个别穿刺点处的电离层TEC最小值时刻超前食甚时刻的原因可能是,GEO卫星至地面接收机路径上地理经度较小的位置处的食甚时刻早于穿刺点处的食甚时刻,使得沿GEO卫星至地面接收机路径上的电离层TEC提前恢复。此外,CKSV、HKWS、GUILIN和JFNG站在日食期间观测到的电离层TEC最大下降量分别约为5.48、4.7、4.05和2.13 TECU。本文的研究表明,日食期间的电离层TEC最大下降量具有明显的纬度效应,这可能与个别台站对应的北斗GEO卫星穿刺点更接近赤道异常结构的北峰位置有关。二、利用北斗和GPS(Global Positioning System,即全球定位系统)观测结合的电离层层析研究了中国低纬地区(以香港为例)的电离层特征。本文首先开发了联合北斗与GPS观测数据的电离层层析成像程序,并利用该程序对2020年6月19日20:30UT(Universal Time,即世界时)香港上空的电离层电子密度分布进行了模拟重建。模拟重建结果验证了本文采用的电离层层析成像算法的合理性和本文编写的程序的正确性。然后,对香港地基GNSS台网观测数据的处理方法进行了介绍,并验证了本文计算电离层TEC方法的正确性。最后利用香港地基GNSS台网实测数据的重建结果分析了2018年8月26日磁暴期间香港地区的电离层特征。本文的分析结果显示,与磁静日(即24日)相比,26日02:30 UT 113.5°E和21.75°N剖面上的电子密度峰值均增大了11.3%,26日08:30 UT 113.5°E和21.75°N剖面上的电子密度峰值分别增大了16.9%和16.0%,这说明香港地区的电离层受到磁暴的影响在26日出现了正暴现象。本文的工作加深了对日食、磁暴等特殊空间天气事件期间低纬地区电离层变化特征的认识,有助于推动中国低纬地区电离层建模的研究,这对提升中国低纬地区特殊空间天气事件的预警能力具有重要意义。
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