电离层受中小型磁暴影响特征的GNSS数据分析

• 作 者: 杨越
• 机 构: 东北大学
• 出 处: 东北大学
• 发表日期: 2014年01期
• 关键词: 中小型磁暴 电子总含量 GNSS 电离层扰动 小波分析 SADM-GPS算法

电离层是日地空间环境的重要组成部分,与人类生产生活密切相关。由于太阳活动等因素引起的磁暴会导致电离层异常扰动,进而影响到GNSS导航定位和授时的精度,并对通讯系统、空间飞行器等造成严重影响。以往的研究主要集中在电离层对大型磁暴的响应特征分析,缺少中小型磁暴对电离层影响的研究,因此,本文针对中小型磁暴对电离层影响的特征进行系统分析研究,这对于进一步提高GNSS导航定位精度以及深入研究不同等级磁暴对电离层影响特征和规律具有理论和应用价值。近年来,随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)探测电离层技术的不断发展,基于GNSS的观测数据进行电离层的动态监测被认为是一种有效可靠的电离层探测手段。本文利用北美地区密集GNSS台站网观测数据,重点针对2012年1月1日至2013年12月31日发生的全部中小磁暴期间的电离层扰动进行特征提取、分析,并统计其变化规律,主要内容如下：(1)基于双频GNSS跟踪站网观测数据,在对原始观测数据进行细致预处理的基础上,实现联合载波相位和伪距观测值的高精度、高时空分辨率的电离层电子总含量TEC(Total Electron Content,TEC)的反演;(2)针对以往电离层扰动计算方法在提取微小扰动方面的不足,引入多分辨率小波变换方法,提取中小型磁暴引起的TEC扰动值,进而利用SADM-GPS (statistical angle of arrival and doppler method for GPS)方法消除卫星运动对电离层行扰参数计算的影响；(3)利用北美地区352个GNSS跟踪站观测数据,基于上述方法对2012年至2013年的全部中小型磁暴期间电离层行扰的参量(水平相速度、方位角、周期)进行计算；(4)对上述计算结果进行统计分析,结果表明：中小型磁暴引起的TEC扰动幅值在0.2-2.5TECU之间,平均水平相速度为100～600 m/s,方位角约在120。-240。之间,即TID传播方向为西南方向或东南方向,周期在20min-128min之间。中等磁暴期间冬季的TEC扰动幅值与水平相速度值相对于其他季节偏小。而小型磁暴引起的TEC扰动值相对于大中型磁暴引起的TEC扰动值偏小,其幅值约在0.2-1.2TECU之间,但同样具有明显的扰动现象。平均水平相速度为100～280 m/s,方位角约在140。-240。之间,周期同样在20min-128min之间。在此结果基础上,初步讨论了中小型磁暴驱动的电离层行扰的物理机制。