附加平滑約束條件的電離層層析反演算法及其應(yīng)用研究.pdf

1、高精度的電離層空間三維電子密度對(duì)求取可靠的電離層延遲參數(shù)、研究電離層時(shí)空變化和擾動(dòng)特征、為空間天氣預(yù)報(bào)預(yù)警和災(zāi)害性地學(xué)事件提供有效數(shù)據(jù)參考都具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值?；贕NSS電離層層析重構(gòu)技術(shù)以其探測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣、使用費(fèi)用低廉等優(yōu)勢(shì)，而成為電離層三維電子密度重構(gòu)的重要觀測(cè)手段;但是在電離層電子密度反演過(guò)程，由于基于GNSS的電離層探測(cè)觀測(cè)視角有限、站點(diǎn)分布不均勻等局限性，會(huì)使得觀測(cè)方程組法方程不適定（秩虧或病態(tài)），造成解不唯一或

2、不穩(wěn)定;雖然通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┫闰?yàn)初值能夠克服秩虧問(wèn)題，但無(wú)信號(hào)穿越區(qū)域過(guò)度依賴于初值，其電子密度重構(gòu)精度得不到有效改善;針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究工作主要集中在如下幾個(gè)方面:
　　(1)將選權(quán)擬合法思想應(yīng)用到電離層電子密度反演中，通過(guò)選擇合適的約束條件構(gòu)造參數(shù)權(quán)矩陣，利用選權(quán)擬合準(zhǔn)則函數(shù)增加法方程信息，發(fā)展了一種附有平滑約束條件的電離層層析算法，結(jié)果表明，該算法使法方程系數(shù)陣條件數(shù)顯著降低，有效地解決電離層電子密度反演過(guò)程中由于觀測(cè)數(shù)

3、據(jù)的不足等因素引起的不適定問(wèn)題，并通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的反演結(jié)果證實(shí)了該算法有效性;
　　(2)由于上述算法是直接算法，當(dāng)提高電離層反演空間分辨率時(shí)，需要進(jìn)行更大規(guī)模的矩陣運(yùn)算，降低了運(yùn)算效率的同時(shí)增加了法方程條件數(shù);鑒于此，本文在自適應(yīng)聯(lián)合迭代重構(gòu)算法的基礎(chǔ)上，引入高斯加權(quán)函數(shù)對(duì)相鄰像素間的電離層電子密度變化施加距離相關(guān)約束，提出了附約束條件的自適應(yīng)聯(lián)合迭代算法，該算法不但改善了無(wú)GNSS射線穿過(guò)的格網(wǎng)對(duì)先驗(yàn)初值精度的依賴

4、，而且有效地提高了電子密度反演效率，并通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了算法的有效性和優(yōu)越性;
　　(3)由于以上算法施加的均是局部平滑約束，反映的為地磁平靜條件下的電離層物理狀態(tài)，為進(jìn)一步發(fā)展適用于磁暴條件下的電離層層析算法，本文利用基于GNSS的電離層探測(cè)數(shù)據(jù)，分析了2003年8月及10月磁暴下中國(guó)區(qū)域電離層TEC的響應(yīng)過(guò)程、響應(yīng)特征，展示了中國(guó)南部和北部地磁臺(tái)區(qū)電離層變化與局部地磁擾動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)以上結(jié)果對(duì)其物理機(jī)制作了