利用双频GNSS观测和IRI模型对比分析桂林地区电离层TEC变化特征

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电离层总电子含量（Total Electron Content，简称TEC）是电离层电子密度沿卫星至接收机传播路径上的积分。采用电离层薄层模型，可由 TEC得到卫星信号穿刺点（即卫星至地基接收机传播路径与电离层薄层的交点）上的VTEC（Vertical Total Electron Content，即垂直TEC）。VTEC是描述电离层特征的重要参量。监测VTEC的时空变化规律对于电离层物理研究、太阳活动监测、空间环境天气预报、地震预报研究等具有重要意义。桂林（地理坐标：25.29°N,110.33°E；地磁坐标：15.04°N,181.98°E）处于电离层赤道异常区的北峰附近。本文利用布设在桂林的电离层闪烁与 TEC监测仪（简称ISATM）2014年的双频GNSS（指GPS和GLONASS卫星）观测数据，计算得到了桂林上空的 VTEC序列（简称 GNSS-VTEC），并与国际参考电离层（International Reference Ionosphere，简称IRI）模型2012版估算的桂林VTEC（简称IRI2012-VTEC）进行了比较。本文的主要工作和研究结果如下。（1）开发了ISATM观测数据后处理软件，实现了由ISATM输出的1Hz采样率的GNSS卫星的L1伪距、L2伪距、L1载波相位、L2载波相位和仰角等观测数据计算桂林上空的VTEC序列。本文首先根据L1/L2双频伪距观测数据得到绝对TEC，根据 L1/L2双频载波相位观测数据得到相对 TEC。然后根据最小二乘法原理，采用将相对TEC数据和绝对TEC数据“对齐”的方法，获得沿GNSS卫星至ISATM斜路径上的高精度绝对TEC。最后根据每天仰角大于45°的所有GNSS卫星的高精度绝对TEC数据，采用基于行作用技术的代数重建法，计算得到时间采样间隔为2分钟的桂林上空VTEC序列。（2）根据距桂林211 km的邵阳电离层垂测仪（地理坐标：26.89°N，111.46°E）提供的时间采样间隔为1 h的F2层临界频率f0F2，得到F2层峰电子密度NmF2。然后将GNSS-VTEC随时间变化的曲线与NmF2随时间变化的曲线进行了对比，发现两者随时间变化的趋势基本一致，说明本文计算得到的GNSS-VTEC是合理的。（3）分析处理了2014年1月、3月、4月、7月、9月（即冬、春、夏、秋四个季节的典型月份）期间所有磁平静日内的 ISATM观测数据，计算得到了每天的GNSS-VTEC序列。在此基础上，分析了桂林上空VTEC的周日变化特征、逐日变化特征和季节变化特征，并将 GNSS-VTEC与 IRI2012模型估算的桂林 VTEC（即IRI2012-VTEC）进行了对比分析。对比分析结果表明，GNSS-VTEC与IRI2012-VTEC相差较大，IRI2012模型无法描述位于电离层赤道异常区的桂林的VTEC变化特征。 1）分析VTEC周日变化特征后发现，GNSS-VTEC的周日变化比较剧烈，而IRI2012-VTEC的周日变化较平缓。GNSS-VTEC的日峰值通常比IRI2012-VTEC的日峰值高。在某些天的地方时夜间，GNSS-VTEC的数值首先小幅上升，随后逐渐下降。然而，地方时夜间IRI2012-VTEC的数值始终呈下降趋势。 2）分析VTEC逐日变化特征后发现，在连续的数个磁平静日内，GNSS-VTEC的逐日变化明显（体现在连续数日内的 GNSS-VTEC周日变化曲线有明显变化，且GNSS-VTEC的日峰值逐日变化较大），然而IRI2012-VTEC的周日变化曲线几乎无变化。 3）分析VTEC季节变化特征后发现，秋、冬季的GNSS-VTEC日峰值出现时间比春、夏季的 GNSS-VTEC日峰值出现时间提前约1至3小时，春、冬季的IRI2012-VTEC日峰值出现时间比夏、秋季的IRI2012-VTEC日峰值出现时间提前约1小时，秋、冬季的GNSS-VTEC日峰值出现时间比IRI2012-VTEC日峰值出现时间提前约40分钟，春、夏季的GNSS-VTEC日峰值出现时间比IRI2012-VTEC日峰值出现时间滞后约1至3小时。春、夏、秋、冬四个季节的 GNSS-VTEC日峰值均比IRI2012-VTEC日峰值大，且这一现象在春、秋季更为显著。

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作者
张晓雪;
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作者单位

桂林电子科技大学;

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授予单位桂林电子科技大学;
学科控制科学与工程
授予学位硕士
导师姓名邹玉华;
年度 2016
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类船舶工程;
关键词
双频; GNSS; 观测; IRI; 模型; 对比分析; 桂林地区; 电离层; TEC;

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