电离层无线电掩星技术研究

论文摘要

无线电掩星技术作为一种既经济又强大的探测手段,从20世纪60年代就开始应用于行星电离层和大气探测,至今仍是行星探测的一种重要手段。无线电掩星技术作为全球卫星导航定位系统应用新的增长点,也将成为21世纪最先进的空间探测技术之一。该技术可测量电离层电子密度剖面和中性大气气象场,具有覆盖面广、全天候观测、长期稳定、高精度和高垂直分辨率等优点;该技术提供的观测资料,将对空间环境监测与研究、数值天气预报和气候研究具有极大的推动作用,在空间、天文、气象以及国防领域具有广泛的应用前景。本文介绍了无线电掩星技术的发展现状和基本原理,围绕电离层掩星理论和反演算法、验证及其应用等开展了诸多研究和探讨,主要内容如下:1、介绍无线电掩星观测模拟方法,包括轨道模拟和观测数据模拟。2、系统地研究了基于电子密度分布局部球对称近似的电离层掩星反演方法,着重研究如何处理LEO轨道高度以上电离层对无线电波的影响,发展了改正TEC反演方法、利用Chapman模式和IRI模式辅助反演共三种方法来处理此问题。统计比较结果表明,改正TEC反演方法是最佳的反演方法。当非掩星侧数据无法获得时,利用Chapman模式和IRI模式辅助反演的精度优于传统的弯曲角指数外推方法和忽略顶部电离层影响的方法。3、分析电离层掩星误差源,指出电子密度分布的局部非球对称性是电离层掩星的主要误差源。通过大量模拟掩星数据反演误差的统计分析,总结出以下特点:（1）反演误差随太阳活动水平的增强而增大;（2）反演误差在冬季最大,春秋季次之,夏季最小;（3）总的来说,中纬的反演误差比低纬和高纬小;（4）不考虑季节和纬度影响,白天的反演误差比夜间和晨昏小。4、利用非相干散射雷达和垂测仪数据,对COSMIC电离层掩星数据进行比较验证。结果表明,电离层掩星电子密度剖面与非相干散射雷达探测结果符合得较好;由掩星数据得到F层峰值电子密度NmF2与垂测仪探测结果具有很好的相关性,相关系数为0.937,相对偏差的标准差为20.7%。通过分类比较发现,COSMIC掩星探测得到的NmF2与垂测仪的相对偏差随季节、地磁纬度、地方时变化的特点,与模拟掩星数据反演误差统计结果符合得很一致。5、深入分析电子密度分布非球对称性影响电离层掩星反演的机制,为电离层掩星定义了非球对称因子,研究表明非球对称因子与NmF2的相对误差具有很好的线性关系,非球对称因子被用于反演结果的修正,大大降低反演误差。6、研究三维约束的电离层掩星反演方法。采用三维经验电离层模式作为约束,应用于模拟掩星数据反演,大大降低了反演误差,对实测数据反演结果与垂测仪的比较表明,反演结果合理可靠。首次尝试用球谐函数拟合,对全球分布的掩星电子密度进行建模,再将建模结果作为约束条件用于掩星反演,结果表明,这种方法可以大幅降低反演误差,可以应用于将来的掩星星座观测数据的反演。7、利用COSMIC掩星数据分析太阳活动低年的电离层气候特征。8、对火星电离层掩星探测进行仿真研究。研究表明,中俄联合火星探测中,星-星掩星双频探测得到的火星电离层电子密度,将会达到前所未有的测量精度;星-地掩星单频探测,可以有效获得白天火星电离层电子密度剖面。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 地球电离层及其探测
• 1.2 火星电离层及其探测
• 1.3 电离层无线电掩星探测
• 1.4 本文的工作动机和研究内容
• 第二章 GPS无线电掩星技术的原理和系统组成
• 2.1 无线电掩星技术原理
• 2.1.1 无线电掩星科学反演理论
• 2.1.2 无线电掩星探测空间分辨率
• 2.2 无线电掩星技术的系统组成
• 2.2.1 导航星座
• 2.2.2 低轨卫星
• 2.2.3 卫星地面站
• 2.2.4 数据处理中心
• 2.3 掩星观测数据处理流程
• 2.4 无线电掩星技术的特点及发展前景
• 2.4.1 无线电掩星观测的特点
• 2.4.2 无线电掩星观测技术的发展前景
• 2.4.3 无线电掩星观测的应用意义
• 第三章 无线电掩星观测模拟
• 3.1 无线电掩星轨道模拟
• 3.1.1 无线电掩星轨道模拟基本流程
• 3.1.2 由轨道模拟得到的无线电掩星特点
• 3.2 无线电掩星观测数据模拟
• 3.2.1 无线电波传播理论
• 3.2.2 掩星观测数据模拟算法
• 3.2.3 掩星观测数据模拟结果
• 第四章 电离层掩星反演技术
• 4.1 引言
• 4.2 基于多普勒的Abel反演方法
• 4.2.1 基于多普勒的Abel反演方法基本流程
• 4.2.2 卫星速度误差和接收机钟差的影响
• 4.3 基于TEC的Abel反演方法
• 4.3.1 斜路径TEC与弯曲角的关系
• 4.3.2 斜路径TEC的计算
• 4.3.3 基于TEC的Abel反演方法基本流程
• 4.3.4 双频反演方法和单频反演方法个例比较
• 4.4 改正TEC反演方法
• 4.4.1 改正TEC反演方法原理
• 4.4.2 反演方法的验证
• 4.4.3 GPS/MET实测数据反演个例
• 4.4.4 小结
• 4.5 利用模式辅助反演的方法
• 4.5.1 反演方法
• 4.5.2 模拟数据反演个例
• 4.5.3 实测数据反演个例
• 4.5.4 小结
• 4.6 上边界处理方法的精度比较
• 4.6.1 对轨道高度较高（800km）的卫星数据反演
• 4.6.2 对轨道高度较低（400km）的卫星数据反演
• 4.6.3 小结
• 4.7 低电离层电子密度反演
• 4.7.1 反演方法
• 4.7.2 反演个例
• 4.7.3 讨论
• 4.8 本章小结
• 第五章 电离层掩星误差分析
• 5.1 电离层掩星误差源及其影响分析
• 5.2 电离层掩星模拟数据反演误差统计分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 COSMIC电离层掩星观测结果与其他资料的比较
• 6.1 与非相干散射雷达探测结果的比较
• 6.2 与垂测仪探测结果的比较
• 6.2.1 数据介绍
• 6.2.2 比较结果
• 6.2.3 小结
• 6.3 与国际参考电离层模式（IRI2001）的比较
• 第七章 高精度反演方法研究
• 7.1 电离层非球对称对反演的影响及其修正方法
• 7.1.1 Shell反演方法（离散的改正TEC方法）
• 7.1.2 电子密度分布非球对称性影响电离层掩星反演的机制
• 7.1.3 非球对称因子及其与NmF2 的相对误差的关系
• 7.1.4 非球对称引起的电离层掩星误差特点
• 7.1.5 非球对称因子对反演结果的修正
• 7.1.6 小结
• 7.2 三维约束的电离层掩星反演方法
• 7.2.1 三维约束的电离层掩星反演原理
• 7.2.2 基于电离层模式的三维约束反演方法研究
• 7.2.3 基于全球掩星资料的三维约束反演方法研究
• 7.2.4 小结
• 7.3 本章小结
• 第八章 电离层掩星数据的初步应用研究
• 8.1 COSMIC电离层掩星数据介绍
• 8.2 太阳活动低年的电离层气候形态
• 8.2.1 电离层峰值电子密度NmF2
• 8.2.2 电离层峰值高度HmF2
• 8.2.3 电离层峰值高度处电子密度标高Hs
• 8.2.4 电离层电子总含量TEC
• 8.2.5 小结
• 8.3 太阳活动低年电离层的年变化和半年变化
• 8.3.1 分析方法
• 8.3.2 分析结果
• 8.3.3 小结
• 8.4 太阳活动低年电离层的年异常
• 8.4.1 分析方法
• 8.4.2 分析结果
• 8.4.3 小结
• 第九章 火星电离层掩星探测仿真研究
• 9.1 研究背景
• 9.2 星-星掩星仿真研究
• 9.2.1 星-星掩星观测反演方案
• 9.2.2 星-星掩星观测模拟
• 9.2.3 误差分析
• 9.3 星-地掩星仿真研究
• 9.3.1 星-地掩星观测反演方案
• 9.3.2 星-地掩星观测模拟
• 9.3.3 误差分析
• 9.4 本章小结
• 第十章 总结与展望
• 10.1 本文研究内容总结
• 10.2 未来研究展望
• 参考文献
• 致谢