第4章__基于GPS觀測(cè)值電離層電子含量反演及建模

1、任雪松碩研19班2012021930第四章所講述的內(nèi)容 4.1 有關(guān)電離層的概述和利用GPS有關(guān)電離層的規(guī)律和模型的概述。4.2 GPS觀測(cè)反演電子含量的基本原理4.3 幾種典型的電離層單層模型的介紹4.4 電離層層析成像技術(shù)的介紹和基本原理以 及建模的方法4.5 掩星GPS電離層探測(cè)4.1有關(guān)電離層的概述和利用GPS有關(guān)電離層的規(guī)律和模型的概述 電離層的定義：有大量離子和自由電子，足以反射電磁波的部分大氣層。高度約為601000KM范圍內(nèi)的離子化大氣層 電離層結(jié)構(gòu)的表征：電子密度、離子密度、電子溫度、離子溫度等的空間分布。主要研究?jī)?nèi)容是電子密度隨高度的分布。4.1有關(guān)電離層的概述和利用GPS

2、有關(guān)電離層的規(guī)律和模型的概述 電離層垂直分布圖如右圖 圖4-1 （D層最低，F(xiàn)層的電子 密度最大） 電離層狀態(tài)的影響因素： 緯度、經(jīng)度，隨晝夜、 季節(jié) 、年、太陽(yáng)黑子而 呈周期性變化。 4.1有關(guān)電離層的概述和利用GPS有關(guān)電離層的規(guī)律和模型的概述 電離層對(duì)人類活動(dòng)的影響：電離層作為一種介質(zhì)會(huì)是電波在其中發(fā)生折射、反射、散射和吸收而損失部分能量，使中短波在其中傳播時(shí)影響最大，從而對(duì)遠(yuǎn)距離通信和廣播造成嚴(yán)重的影響，甚至信號(hào)中斷。而電離層的電子密度、穩(wěn)定程度和厚度等的變化主要受太陽(yáng)活動(dòng)的影響，所以可以通過對(duì)電離層的活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，可以了解太陽(yáng)的活動(dòng)。4.1有關(guān)電離層的概述和利用GPS有關(guān)電離層

3、的規(guī)律和模型的概述 利用GPS對(duì)電離層監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)：（1）GPS衛(wèi)星軌道高度為20000km，觀測(cè)的總電子含量包括了電離層的電子密度和等離子體層中電子密度的影響。 （2）GPS衛(wèi)星的分布有利于對(duì)電離層活動(dòng)的長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè) （3）用GPS測(cè)量TEC是目前經(jīng)度最高的TEC測(cè)量手段。（4）IGS（國(guó)際GPS服務(wù)組織）為研究電離層提供了豐富資源。 什么叫TEC：電離層電子濃度總含量又稱電離層電子濃度柱含量、積分含量等，是一個(gè)非常重要的電離層參量，對(duì)電離層物理的理論研究及電離層電波傳播的應(yīng)用研究均具有十分重要的意義。4.1有關(guān)電離層的概述和利用GPS有關(guān)電離層的規(guī)律和模型的概述 理論上，TEC的空間分布及時(shí)

4、間變化，反映了電離層的主要特性，因此通過探測(cè)與分析電離層TEC參量，可以研究電離層不同時(shí)空尺度的分布與變化特性，如電離層擾動(dòng)，電離層的周日、逐日變化，電離層年度變化，以及電離層的長(zhǎng)期變化等。應(yīng)用中，電離層的TEC與穿透電離層傳播的無線電波時(shí)間延遲與相位延遲密切相關(guān)，因此可用于在衛(wèi)星定位、導(dǎo)航等空間應(yīng)用工程中的電波傳播修正。 4.1有關(guān)電離層的概述和利用GPS有關(guān)電離層的規(guī)律和模型的概述 如圖4-2TEC現(xiàn)報(bào)圖4.1有關(guān)電離層的概述和利用GPS有關(guān)電離層的規(guī)律和模型的概述 利用GPS確定電離層中的總電子含量的意義：（1）通過GPS信號(hào)的延遲來確定在單位體積內(nèi)的總電子含量，以建立全球的電離層數(shù)值模

5、型，研究和揭示電離層電子密度的空間分布和電離層活動(dòng)規(guī)律。（2）利用計(jì)算得到的高時(shí)空分辨率的全球電離層的電子含量來精化區(qū)域的或全球的電離層延遲改正模型，進(jìn)而改善GPS用戶的實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位技術(shù)。4.1有關(guān)電離層的概述和利用GPS有關(guān)電離層的規(guī)律和模型的概述 國(guó)內(nèi)外針對(duì)利用GPS研究電離層的發(fā)展情況。（1）用GPS觀測(cè)資料反演電子含量的分布和變化規(guī)律。兩個(gè)頻率的GPS信號(hào)穿過電離層的延遲差可以計(jì)算出著整個(gè)傳播路徑上的總電子含量，主要分地基GPS和空基GPS電離層探測(cè)，20世紀(jì)80年代全球或區(qū)域GPS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建立并使用，全球范圍的IGS網(wǎng)已成為提取全球的電離層信息最為有效的手段之一。4.1有關(guān)電離層的概

6、述和利用GPS有關(guān)電離層的規(guī)律和模型的概述 20世紀(jì)90年代，人們開始研究利用GPS掩星進(jìn)行大氣探測(cè)，相繼發(fā)射了orsted、CHAMP、SAC-C和GRACE等低軌衛(wèi)星，美國(guó)與臺(tái)灣合作的COSMIC計(jì)劃也發(fā)射組網(wǎng)并投入使用，GPS掩星探測(cè)電離層逐漸發(fā)展呈一個(gè)重要的研究方向之一。（2）用GPS觀測(cè)資料建立高精度的電離層模型。電離層延遲誤差是影響GPS測(cè)量、導(dǎo)航、定位與定軌精度的主要誤差源之一，也是導(dǎo)致一般差分GPS定位精度隨用戶和基準(zhǔn)站間距離的增加而迅速降低的主要原因之一。解決電離層延遲誤差的方法一般有雙頻改正法、差分GPS定位法、半和改正法和電離層模型法。4.1有關(guān)電離層的概述和利用GPS有關(guān)電離層的規(guī)律和模型的概述 電離層模型大致可以分為理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢深?。理論模型?fù)雜而且精度不夠，可描述定性的特征和變化規(guī)