中国低纬(海南)地区电离层模型修正研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaosanhuah
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卫星导航定位系统在我国国民经济、国防安全等各领域中得到了广泛而深入的应用。当卫星导航定位系统使用单一频率模式工作或者进行高精度定位时,地球大气层中被电离的区域-电离层就会对定位精度甚至系统工作状态产生严重影响。本论文针对提高导航定位和航天测控定位精度对电离层模式修正研究的迫切需求,利用子午工程在中国低纬度地区的海南电离层站探测数据研究了海南区域的电离层参数变化特性,比较研究了不同太阳活动性条件下中国低纬区域电离层实测电子密度剖面与NeQuick2模式剖面之间的误差特性,致力于解决NeQuick模式在中国低纬区域的适应性问题。主要内容分为五个方面:  (1)分析比较了国际上广泛应用的NeQuick、IRI和Klobuchar模式,以及一些部分成熟的电离层经验模式,包括Bent、Chiu、3-D ESOC模式,以及中国参考电离层模式。这些模式主要优点是简单、快捷和高效,缺点是在中国区域(特别是低纬度地区)精度较低、适用范围有限。  (2)利用海南电离层垂测仪数据详细研究了太阳下降期(2002~2007年)观测数据对中国低纬地区的主要电离层参数(hmF2、foF2、hmE和foE)的日变化、季节变化,及其年际变化特征进行了研究。主要研究结论为:(a)在太阳高年的春秋季foF2会在午夜附近重新增大达到新的极大值,而且这个极大值很强,甚至超过白天正午附近的极大值,这是太阳活动高年的特有现象。(b)随太阳活动性的下降,foF2的值也逐渐减小,而且日间极大值的持续时间也在逐年下降。(c)日间电离层F2层的高度在春秋季最高,夏季其次,冬季最低;除太阳高年的春秋季外,在春秋季和冬季hmF2的日间极大值要高于夜间极大值,而在整个太阳下降期夏季hmF2的最大值都是出现在夜间。(d)E层主要是日间现象,大约在O600-0700 LT(早晨)时段内出现,在1800-1900 LT(下午)时段消失;E层高度有明显日变化,日出后随着电子密度的增大而逐渐下降,中午时下降到最低高度(均值约105km)。  (3)利用2007年和2008年的双频GPS/TEC观测数据研究了海南电离层TEC的日变化、季节变化,以及“半年度异常”和“冬季异常”现象;利用2007年的GPS/TEC、垂测仪数据对太阳活动低年的NeQuick模式TEC计算能力进行了评估。主要研究结果表明:(a)海南地区电离层TEC存在明显的“半年度异常”和“冬季异常”现象。(b)“冬季异常”现象不但是日间现象,夜间也可被观测到。(c)太阳活动低年夜间NeQuick模式主要是低估电离层TEC,而在日间则高估TEC。  (4)首次利用太阳活动下降期海南电离层剖面观测数据对海南电离层底部剖面和NeQuick模型结果进行了比较研究,研究了NeQuick模式在中国低纬地区的适应性,分析了NeQuick模式在中国低纬地区的误差特性。主要研究结果表明:(a)与实测结果相比,早晨NeQuick模式对海南地区电离层底部参数结果较差,而下午具有比较好的一致性;在早晨B2bot的模式值和实测值之间的差异一般超过20km。(b)在海南地区,NeQuick模式值B2bot与实测值之间存在明显差异,这种差异具有明显的日变化和季节变化。(c)在同等太阳活动性条件下,厚度参数比值R(B2best/B2mod)的变化不大。(d)对所有时间NeQuick模式用一个常数(0.385)计算F2层底部厚度参数B2bot是不准确的。  (5)针对NeQuick模式的底部剖面厚度参数B2bot计算模型在中国低纬地区的误差特性,进行了低纬电离层修正研究。根据同等太阳活动情况下,厚度参数的比值R(B2best/B2mod)具有较好的一致性这一特点,创新性地利用与地方时有关的正交傅立叶函数修正了NeQuick模式F2层底部厚度参数计算公式,所得结果与实测符合较好,为改进该模型的低纬适应性提供了一种有效方案。主要研究结果表明:(a)对于NeQuick模式的F2底部厚度参数来说,正交傅立叶函数能较好反映其不同太阳活动条件下实测值和模式值的比值R(实测值/模式值)随地方时的变化特性。(b)利用本文的B2bot修正公式,在所有季节所有时段得到的B2bot参数与实测值相比都有不同程度的改进,在原来偏差比较大的时段,改进越大。(c)不同太阳活动条件下,由F2层底部厚度参数实测值和修正后的模式值的偏差散点图可见,修正后的模式偏差分布更合理,消除了修正前的明显日变化,具有良好的修正效果。(d)本论文提供了一种可以有效改进NeQuick模式底部厚度参数计算的可行方案。
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