基于低軌衛(wèi)星TEC數(shù)據(jù)的頂部電離層變化特性研究.pdf

1、地球電離層是連接外層空間和近地大氣的重要部分，對(duì)無(wú)線電通信、導(dǎo)航和人類空間活動(dòng)等影響顯著，因此對(duì)電離層的研究具有重要意義。由于頂部電離層的觀測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，使得頂部電離層的變化特性及其主導(dǎo)物理機(jī)制一直沒有被研究清楚。近年來(lái)低軌衛(wèi)星迅速發(fā)展，搭載雙頻全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)的低軌衛(wèi)星已成為頂部電離層的重要探測(cè)手段之一，為探究頂部電離層的變化特性提供了極好的機(jī)會(huì)。本文圍繞低軌衛(wèi)星GNSS接收機(jī)觀測(cè)得到的頂部電離層電子濃度總含量(T

2、EC)展開研究，對(duì)數(shù)據(jù)處理過程中斜向與垂直TEC轉(zhuǎn)換、GPS衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星接收機(jī)硬件偏差的估算方法和變化趨勢(shì)、頂部電離層的經(jīng)度變化特性以及暴時(shí)響應(yīng)特征等問題進(jìn)行了分析研究。本論文的主要工作如下:
　　一、發(fā)展低軌衛(wèi)星TEC數(shù)據(jù)處理的新方法
　　(1)實(shí)現(xiàn)斜向與垂直TEC間的高精度轉(zhuǎn)換
　　GNSS衛(wèi)星與接收機(jī)之間信號(hào)路徑上的TEC是斜向的，需利用映射函數(shù)轉(zhuǎn)換為垂直TEC。其中，電離層等效高度是映射函數(shù)中的重要參數(shù)。由于

3、低軌衛(wèi)星軌道高度一般高于電離層峰值高度，常用的地基觀測(cè)TEC映射函數(shù)是否適用于低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理尚不清楚。本文分析了常用的薄層映射函數(shù)模型和具有一定厚度的F&K映射函數(shù)模型，以及兩種等效高度計(jì)算方法（質(zhì)心法和積分中值法）。研究結(jié)果表明，等效高度隨著低軌衛(wèi)星軌道高度線性增加，質(zhì)心法的等效高度要比積分中值法的要高，且等效高度與太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。從CHAMP衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)提取的等效高度與模式計(jì)算的等效高度的變化趨勢(shì)一致。在垂直TEC轉(zhuǎn)換方法

4、組合的誤差分析中，發(fā)現(xiàn)F&K模型和質(zhì)心法等效高度更適合用于低軌衛(wèi)星，而薄層模型和積分中值法則適合用于地基接收機(jī)。
　　(2)提高硬件偏差估算的精度和可靠性
　　GNSS衛(wèi)星和接收機(jī)的硬件偏差(DCB)是TEC獲取過程中的重要誤差源之一。由于低軌衛(wèi)星TEC比地基觀測(cè)TEC要少，且低軌衛(wèi)星處于快速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)中，需要更準(zhǔn)確地估算低軌衛(wèi)星DCB才能獲取高精確度的TEC。利用低軌衛(wèi)星在夜間或經(jīng)過高緯度時(shí)TEC很小甚至接近于零的假設(shè)，以

5、及充分考慮低軌衛(wèi)星的軌道周期特性，本文提出一種改進(jìn)的零值估算法。該方法首先獲取一天內(nèi)所有軌道周期的最小觀測(cè)TEC中的下四分值，再進(jìn)一步修正補(bǔ)償該值作為DCB結(jié)果。結(jié)果表明改進(jìn)零值法比一般零值法更加穩(wěn)定和可靠。本文同時(shí)詳細(xì)討論了在最小二乘法中，設(shè)定不同垂直TEC和仰角限制對(duì)DCB估算的影響。理論上，較高的截止仰角和較小的最大垂直TEC限制應(yīng)該可以更加符合區(qū)域電離層球?qū)ΨQ假設(shè)。但分析表明，由于低軌衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的總數(shù)量有限，選取最大垂直TEC

6、為3 TECU以及截止仰角為10度時(shí)，可以得到較為穩(wěn)定的低軌衛(wèi)星DCB結(jié)果。當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量不高時(shí)，可選用最小二乘法來(lái)估算低軌衛(wèi)星DCB，而改進(jìn)零值法一般也能給出較為穩(wěn)定的DCB結(jié)果。
　　(3)闡明硬件偏差長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的新結(jié)果
　　GPS衛(wèi)星DCB在2002至2013年期間顯示出與太陽(yáng)F10.7指數(shù)相似的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。過去研究認(rèn)為GPS衛(wèi)星DCB的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)與電離層的變化有關(guān)。本文利用低軌衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)直接獲取GPS衛(wèi)

7、星DCB，并與國(guó)際GNSS服務(wù)組織(IGS)提供的利用地基觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的GPS衛(wèi)星DCB進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)是一致的。由于較高的軌道高度使得低軌衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)受到電離層變化的影響應(yīng)較少，所以GPS衛(wèi)星DCB的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)不是由電離層受到太陽(yáng)活動(dòng)周期的變化引起的。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在所有GPS衛(wèi)星DCB均值為零的約束條件下，GPS衛(wèi)星不斷更新，新一代型號(hào)的GPS衛(wèi)星的DCB值與舊一代的不同，不同型號(hào)GPS衛(wèi)星的更替的長(zhǎng)期累積造成了

8、GPS衛(wèi)星DCB的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。另外，以CHAMP衛(wèi)星為例探討了低軌衛(wèi)星DCB的變化，初步結(jié)果表明CHAMP衛(wèi)星DCB的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)與GPS衛(wèi)星的更替有關(guān)，而周期性的變化與接收機(jī)硬件熱狀態(tài)有關(guān)。
　　二、頂部電離層變化特性的新發(fā)現(xiàn)
　　(1)揭示頂部電離層的經(jīng)度變化特性
　　通過利用兩顆低軌衛(wèi)星從2008至2015年的TEC數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析了頂部電離層在不同高度、緯度、地方時(shí)、季節(jié)和太陽(yáng)活動(dòng)程度下的經(jīng)度變化特性。研究結(jié)果發(fā)

9、現(xiàn)頂部電離層和等離子體層在低緯度有著顯著的經(jīng)度變化。在6月至點(diǎn)期間，在中西太平洋出現(xiàn)TEC極大值，在南美洲和大西洋出現(xiàn)TEC極小值。在12月至點(diǎn)期間，TEC極值出現(xiàn)與6月至點(diǎn)相反的經(jīng)度分布，此時(shí)TEC極大值出現(xiàn)在南美洲，而太平洋區(qū)域的TEC值相對(duì)較小。在至點(diǎn)期間，磁赤道區(qū)域的TEC相對(duì)于緯向平均的經(jīng)度變化并沒有明顯的地方時(shí)和太陽(yáng)活動(dòng)依賴性。冬季半球的TEC隨著太陽(yáng)活動(dòng)程度的增強(qiáng)卻出現(xiàn)減小，特別是在較高高度以及在夜間，且具有經(jīng)度依賴性。低

10、軌衛(wèi)星TEC的經(jīng)度結(jié)構(gòu)與所在軌道高度附近以及電離層F2區(qū)電子濃度的經(jīng)度結(jié)構(gòu)基本上是不同的。結(jié)果表明頂部電離層的經(jīng)度結(jié)構(gòu)應(yīng)是受到在頂部的重要物理過程的影響，而不只是反映在較低高度或在電離層F2區(qū)附近電子濃度的結(jié)構(gòu)。
　　(2)首次發(fā)現(xiàn)磁暴恢復(fù)相期間頂部電離層的長(zhǎng)時(shí)間負(fù)相響應(yīng)
　　通過利用多個(gè)低軌衛(wèi)星的TEC數(shù)據(jù)研究了2015年3月17日強(qiáng)磁暴主相和恢復(fù)相期間頂部電離層的響應(yīng)變化特性。結(jié)果首次發(fā)現(xiàn)在磁暴恢復(fù)期間，中低緯度的頂部電

11、離層TEC在除太平洋區(qū)域外大部分經(jīng)度上都出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間超過3天的負(fù)相響應(yīng)。由于在頂部電離層高度以上，磁力線是向下連接于較高緯度的電離層F2區(qū)的，等離子體沿著磁力線的擴(kuò)散作用與較高緯度上長(zhǎng)時(shí)間低O/N2水平或是造成頂部電離層長(zhǎng)時(shí)間負(fù)相響應(yīng)的主要原因。結(jié)果同時(shí)表明頂部電離層暴時(shí)響應(yīng)具有地方時(shí)、高度和經(jīng)度依賴性。在高度依賴性方面，MetOp-A衛(wèi)星（832公里）得到的頂部電離層TEC與其它較低高度低軌衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果存在一定的差異，特別是在磁暴主

12、相期間以及在磁暴恢復(fù)相初期。MetOp-A與其它低軌衛(wèi)星的TEC差異應(yīng)主要是由于在較高高度上，沿著磁力線的等離子體擴(kuò)散作用比電離層的抬升以及熱層中性成分的變化更重要。
　　本文的研究工作有利于提高低軌衛(wèi)星頂部電離層TEC數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和可靠性，加深對(duì)頂部電離層變化特性及暴時(shí)響應(yīng)特征等方面的認(rèn)識(shí)?？傊褂玫蛙壭l(wèi)星TEC研究頂部電離層的變化特性及其主導(dǎo)物理機(jī)制，對(duì)加深認(rèn)識(shí)電離層/熱層與頂部電離層之間的耦合過程、揭示不同高度區(qū)域之間的能