本文關(guān)鍵詞：基于GNSS的電離層總電子含量的預(yù)測與應(yīng)用研究

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【摘要】：隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,一方面給電離層自身研究帶來了飛躍式的發(fā)展,另一方面也使電離層研究成為交叉性很強(qiáng)的一個研究課題。利用GNSS觀測數(shù)據(jù)開展與電離層相關(guān)內(nèi)容的研究,特別是基于GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層總電子含量(Total Electron Content, TEC)問題的研究,不但深化了對電離層結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律的認(rèn)識,也為建立精確的電離層延遲改正模型和改善衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的觀測精度等實(shí)際應(yīng)用提供了重要的支持。本文主要圍繞電離層TEC數(shù)據(jù)分析、建模、預(yù)測和應(yīng)用等問題進(jìn)行了深入地探討,分析了TEC的時空變化特性和太陽活動與TEC的相關(guān)性,并進(jìn)行了TEC長期變化規(guī)律的建模與預(yù)測；為降低模型的復(fù)雜度,采用時間序列分析模型對TEC的短期變化規(guī)律進(jìn)行建模與預(yù)測；并利用該方法對汶川地震前TEC異常擾動進(jìn)行了檢測。研究工作主要包括以下幾個方面：首先,為定量地描述電離層TEC的長期變化特征,提出了基于正弦函數(shù)調(diào)制的電離層TEC月中值預(yù)測經(jīng)驗?zāi)Ｐ�。通過分析、處理IGS提供的中國區(qū)域內(nèi)5個觀測站的TEC數(shù)據(jù),研究了不同太陽活動年份的電離層TEC日變化、月變化以及TEC差值相對變化率的時空變化特征。采用正弦函數(shù)表征長期趨勢變化,諧函數(shù)展開反映循環(huán)變動相結(jié)合的方法,對中國區(qū)域內(nèi)5個IGS觀測站及全球不同緯度地區(qū)的TEC月中值數(shù)據(jù)進(jìn)行了建模與預(yù)測,通過利用IGS數(shù)據(jù)對建模結(jié)果進(jìn)行驗證,證實(shí)了模型的有效性,從而為后續(xù)研究太陽活動與電離層TEC之間的相關(guān)性提供了必要的支持。其次,為定量地描述太陽活動對電離層TEC時空變化的影響,提出了線性函數(shù)調(diào)制攝動因子的TEC月中值預(yù)測經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀Ｒ蚤L期實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析了太陽黑子數(shù)與全球不同緯度地區(qū)TEC月數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性；利用二者之間的線性變化趨勢對攝動因子進(jìn)行調(diào)制的方法,以太陽黑子數(shù)為輸入?yún)?shù),對全球不同緯度地區(qū)TEC月中值數(shù)據(jù)進(jìn)行了建模與預(yù)測,并利用IGS數(shù)據(jù)對建模結(jié)果進(jìn)行了驗證,實(shí)現(xiàn)了長期范圍內(nèi),定量地描述電離層TEC月變化對太陽活動的依賴關(guān)系,從而為有效地改進(jìn)電離層TEC預(yù)報模型提供依據(jù)。然后,為優(yōu)化電離層TEC建模過程,提高TEC小時數(shù)據(jù)預(yù)報的精度,提出了基于預(yù)測殘差修正的自回歸滑動平均模型(Autoregressive Moving Average Model, ARMA)對TEC短時變化規(guī)律直接預(yù)測的方法。此方法的優(yōu)勢是回避了對電離層TEC復(fù)雜特性的過多討論,直接運(yùn)用統(tǒng)計分析的方法,基于歷史觀測數(shù)據(jù),揭示動態(tài)數(shù)據(jù)本身的結(jié)構(gòu)與規(guī)律以及觀測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性,實(shí)現(xiàn)了對電離層TEC數(shù)據(jù)的預(yù)測,提高了TEC短時數(shù)據(jù)的預(yù)測精度。通過以IGS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)測,驗證了本方法預(yù)報電離層TEC小時數(shù)據(jù)的實(shí)際效果,為電離層TEC模型的優(yōu)化提供了參考。最后,為提高地震前電離層TEC異常擾動判別的準(zhǔn)確性,提出了TEC異常擾動探測的新方法,該方法通過設(shè)定合理的限差判決門限,利用基于預(yù)測殘差修正的ARMA模型預(yù)報的TEC值來代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法計算的TEC值,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)震前TEC異常擾動的探測。通過對汶川地震前后電離層TEC的實(shí)測數(shù)據(jù)分析表明,利用本方法不僅能夠探測到其他研究方法所得到的TEC異常數(shù)據(jù),而且又新發(fā)現(xiàn)了震前其他時間點(diǎn)上的TEC異常擾動現(xiàn)象,驗證了本方法相對于其他方法的優(yōu)越性。在上述理論研究和方案設(shè)計的基礎(chǔ)上,利用IGS組織提供的電離層TEC數(shù)據(jù)對研究內(nèi)容進(jìn)行了實(shí)驗驗證,取得了預(yù)期的效果,表明研究成果對深化電離層TEC的理論研究和對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中電離層延遲影響的改善具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。本論文得到了國家863高技術(shù)研究發(fā)展計劃(利用多徑信號提高GNSS接收機(jī)性能的新技術(shù)研究,No.2009AA12Z312)和國家自然科學(xué)基金項目(基于Rake-CL環(huán)路提高GNSS接收機(jī)捕獲靈敏度理論和算法研究,No.60972091)的支持。
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN967.1

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本文編號：1158850