基于低軌衛(wèi)星TEC數據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，對無線電通信、導航和人類空間活動等影響顯著，因此對電離層的研究具有重要意義。由于頂部電離層的觀測數據相對較少，使得頂部電離層的變化特性及其主導物理機制一直沒有被研究清楚。近年來低軌衛(wèi)星迅速發(fā)展，搭載雙頻全球衛(wèi)星導航系統(GNSS)接收機的低軌衛(wèi)星已成為頂部電離層的重要探測手段之一，為探究頂部電離層的變化特性提供了極好的機會。本文圍繞低軌衛(wèi)星GNSS接收機觀測得到的頂部電離層電子濃度總含量(T

2、EC)展開研究，對數據處理過程中斜向與垂直TEC轉換、GPS衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星接收機硬件偏差的估算方法和變化趨勢、頂部電離層的經度變化特性以及暴時響應特征等問題進行了分析研究。本論文的主要工作如下:
　　一、發(fā)展低軌衛(wèi)星TEC數據處理的新方法
　　(1)實現斜向與垂直TEC間的高精度轉換
　　GNSS衛(wèi)星與接收機之間信號路徑上的TEC是斜向的，需利用映射函數轉換為垂直TEC。其中，電離層等效高度是映射函數中的重要參數。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TEC映射函數是否適用于低軌衛(wèi)星的數據處理尚不清楚。本文分析了常用的薄層映射函數模型和具有一定厚度的F&K映射函數模型，以及兩種等效高度計算方法（質心法和積分中值法）。研究結果表明，等效高度隨著低軌衛(wèi)星軌道高度線性增加，質心法的等效高度要比積分中值法的要高，且等效高度與太陽活動強度呈負相關。從CHAMP衛(wèi)星觀測數據提取的等效高度與模式計算的等效高度的變化趨勢一致。在垂直TEC轉換方法

4、組合的誤差分析中，發(fā)現F&K模型和質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。
　　(2)提高硬件偏差估算的精度和可靠性
　　GNSS衛(wèi)星和接收機的硬件偏差(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TEC要少，且低軌衛(wèi)星處于快速運動的狀態(tài)中，需要更準確地估算低軌衛(wèi)星DCB才能獲取高精確度的TEC。利用低軌衛(wèi)星在夜間或經過高緯度時TEC很小甚至接近于零的假設，以

5、及充分考慮低軌衛(wèi)星的軌道周期特性，本文提出一種改進的零值估算法。該方法首先獲取一天內所有軌道周期的最小觀測TEC中的下四分值，再進一步修正補償該值作為DCB結果。結果表明改進零值法比一般零值法更加穩(wěn)定和可靠。本文同時詳細討論了在最小二乘法中，設定不同垂直TEC和仰角限制對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限制應該可以更加符合區(qū)域電離層球對稱假設。但分析表明，由于低軌衛(wèi)星觀測數據的總數量有限，選取最大垂直TEC

6、為3 TECU以及截止仰角為10度時，可以得到較為穩(wěn)定的低軌衛(wèi)星DCB結果。當低軌衛(wèi)星數據質量不高時，可選用最小二乘法來估算低軌衛(wèi)星DCB，而改進零值法一般也能給出較為穩(wěn)定的DCB結果。
　　(3)闡明硬件偏差長期變化趨勢的新結果
　　GPS衛(wèi)星DCB在2002至2013年期間顯示出與太陽F10.7指數相似的長期變化趨勢。過去研究認為GPS衛(wèi)星DCB的長期變化趨勢與電離層的變化有關。本文利用低軌衛(wèi)星的觀測數據直接獲取GPS衛(wèi)

7、星DCB，并與國際GNSS服務組織(IGS)提供的利用地基觀測數據得到的GPS衛(wèi)星DCB進行比較，發(fā)現兩者的長期變化趨勢是一致的。由于較高的軌道高度使得低軌衛(wèi)星觀測數據受到電離層變化的影響應較少，所以GPS衛(wèi)星DCB的長期變化趨勢不是由電離層受到太陽活動周期的變化引起的。進一步分析發(fā)現，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，新一代型號的GPS衛(wèi)星的DCB值與舊一代的不同，不同型號GPS衛(wèi)星的更替的長期累積造成了

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

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

10、軌衛(wèi)星TEC的經度結構與所在軌道高度附近以及電離層F2區(qū)電子濃度的經度結構基本上是不同的。結果表明頂部電離層的經度結構應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)附近電子濃度的結構。
　　(2)首次發(fā)現磁暴恢復相期間頂部電離層的長時間負相響應
　　通過利用多個低軌衛(wèi)星的TEC數據研究了2015年3月17日強磁暴主相和恢復相期間頂部電離層的響應變化特性。結果首次發(fā)現在磁暴恢復期間，中低緯度的頂部電

11、離層TEC在除太平洋區(qū)域外大部分經度上都出現持續(xù)時間超過3天的負相響應。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散作用與較高緯度上長時間低O/N2水平或是造成頂部電離層長時間負相響應的主要原因。結果同時表明頂部電離層暴時響應具有地方時、高度和經度依賴性。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)星的觀測結果存在一定的差異，特別是在磁暴主

12、相期間以及在磁暴恢復相初期。MetOp-A與其它低軌衛(wèi)星的TEC差異應主要是由于在較高高度上，沿著磁力線的等離子體擴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數據的準確度和可靠性，加深對頂部電離層變化特性及暴時響應特征等方面的認識?？傊?，使用低軌衛(wèi)星TEC研究頂部電離層的變化特性及其主導物理機制，對加深認識電離層/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