IGS組織的全球電離層數(shù)據(jù)分析與比較

電離層上接外層空間，下連中層大氣，在地球和太陽系之間具有承上啟下的作用。它是不斷變化的復(fù)雜性開放系統(tǒng)，對現(xiàn)代無線電工程系統(tǒng)和人類活動具有重要影響，電離層的研究既復(fù)雜又極具有意義，研究電離層不僅有利于認(rèn)識其本身，而且有助于推動相關(guān)電離層理論的科學(xué)研究。當(dāng)GPS信號穿過電離層時，受電離層影響會產(chǎn)生電離延遲，該延遲是制約GPS導(dǎo)航定位精度的最大因素，其內(nèi)部原因主要是其電離層TEC的不斷變化，這種干擾對定位造成幾十到幾百米的影響，高精度的定位必須對電離層進(jìn)行誤差修正，電離層TEC的變化可以通過地基GPS、電離層探測儀等方法進(jìn)行檢測。本文根據(jù)觀測站電離層TEC數(shù)據(jù)分析，對電離層電子含量變化的研究不僅能夠很好的預(yù)測電離層TEC的變化趨勢、提高構(gòu)建電離層TEC模型的效率，而且能夠使GPS導(dǎo)航定位更加精確，削弱了電離層延遲誤差對定位的影響。通過對地區(qū)電離層電子數(shù)目變化的探討研究，總結(jié)電離層TEC一天隨時間的變化，并將線性模型進(jìn)行擴(kuò)展到其他區(qū)域。最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律，從而為精確導(dǎo)航提供電離層TEC的數(shù)據(jù)參考。

20世紀(jì)90年代起隨著GPS技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為電離層研究帶來了飛躍式的發(fā)展。GPS是一種以無線電信號傳播至衛(wèi)星進(jìn)行定位的導(dǎo)航系統(tǒng)，利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位時精度非常重要，無線電以波的形式傳播，當(dāng)其穿過電離層時會產(chǎn)生延遲，該延遲嚴(yán)重制約了GPS的應(yīng)用。電離層的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，電離層TEC是重要的電離層特征參數(shù)，通過TEC可獲得電離層延遲誤差。我軍目前對定位系統(tǒng)要求很高，在戰(zhàn)場上更是至關(guān)重要。到目前為止，我國還沒有形成符合特定區(qū)域電離層TEC預(yù)報平臺，并且我國上空有很多TEC盲點(diǎn)，有必要對電離層TEC變化規(guī)律以及模型建立等進(jìn)行深入研究。隨著各個領(lǐng)域?qū)PS的需求增多，定位的精度要求更高，許多科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ陔婋x層無線電傳播的研究與日俱增。同時電離層研究在軍事、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域也有著重要的實(shí)際意義，已被我國列入戰(zhàn)略主體研究項(xiàng)目。

本文的研究是在當(dāng)前我國沒有較合適的電離層TEC預(yù)報的情況下，電離層形勢復(fù)雜條件下，為更好對區(qū)域進(jìn)行電離層TEC進(jìn)行精度檢驗(yàn)、建立電離層TEC數(shù)據(jù)庫。本文將通過建立區(qū)域電離層線性模型尋找TEC在一日之內(nèi)的變化規(guī)律，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢驗(yàn)、進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)模型意義。

1.對電離層TEC進(jìn)行檢測和數(shù)據(jù)分析，并研究得到其發(fā)展規(guī)律，對電離層活動進(jìn)行分析，提高GPS導(dǎo)航定位的精度，為區(qū)域電離層的研究提供給模型支持，從而為我軍定位精度提供有力保障。

2.電離層影響著人類航空航天事業(yè)、無線電波傳播以及地球空間環(huán)境學(xué)，它涉及多門科學(xué)領(lǐng)域的交叉科學(xué)，研究其變化規(guī)律就相當(dāng)于打好了基礎(chǔ)，為其他領(lǐng)域的學(xué)科提供了有力的數(shù)據(jù)支持，加快其他科學(xué)研究的進(jìn)程。

3.能夠根據(jù)電離層TEC數(shù)據(jù)預(yù)測地震、太陽黑子數(shù)目變化，運(yùn)用至導(dǎo)航定位系統(tǒng)中能減少誤差提高精度。

4.能夠通過模型和數(shù)據(jù)分析對區(qū)域未知點(diǎn)上空的電離層TEC進(jìn)行計算，建立數(shù)據(jù)庫。

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)電離層電子數(shù)量是時間的函數(shù)。太陽活動具有周期性，2000年是太陽黑子運(yùn)動最強(qiáng)烈的一年，太陽黑子周期約為11年，2011年是太陽活動的高峰期，我選擇武漢在2006年至2010年這五年太陽活動相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和2011年這一年進(jìn)行比較，TEC是地方時的函數(shù)，并且分析得出每個時間段的電離層TEC具有很強(qiáng)的相關(guān)性，并且不同年份的電離層TEC平均每日走勢大相徑庭。查詢大量數(shù)據(jù)分析得出0：00-6：00區(qū)間電離層TEC明顯增多，之后呈現(xiàn)下降趨勢，在15：00開始趨于穩(wěn)定，直到夜間22：00-次日0：00電離層TEC數(shù)目開始增多，循環(huán)往復(fù)呈現(xiàn)出規(guī)律性，并且初步知曉在正午14：00-20：00電離層TEC處于穩(wěn)定狀態(tài)，這個時間段GPS定位導(dǎo)航的精度受電離層的影響減弱。相比前五年，2011電離層TEC的含量由于太陽黑子的運(yùn)動加大，數(shù)量明顯上升，對GPS定位的精確度影響也越大?；趯ξ錆h地區(qū)6年來電離層TEC的變化分析，得到了電離層TEC隨時間變化的規(guī)律，從而探究其他地區(qū)電離層是否也有相關(guān)規(guī)律，查閱資料發(fā)現(xiàn)電離層TEC每日的變化具有規(guī)律性，與武漢地區(qū)總結(jié)出的隨時間變化情況不謀而合，并且都是在中午電離層TEC的波動最小，處于穩(wěn)定狀態(tài)，在凌晨電離層TEC數(shù)量變化明顯，波動劇烈，而且上午電離層TEC的數(shù)目普遍多于下午。查詢可知2011年太陽活動劇烈，在電離層TEC波動劇烈的情況下，會干擾測量精度，在一天內(nèi)某些測量工程需要在電離層TEC較穩(wěn)定的時間段進(jìn)行觀測，有了區(qū)域電離層TEC隨時間的變化規(guī)律，就可以大致估計電離層TEC的穩(wěn)定情況，這就為今后測量工作打下良好基礎(chǔ)。

當(dāng)然國內(nèi)學(xué)者也做了大量的研究。函數(shù)模型主要包括：三角級數(shù)模型、線性模型、多項(xiàng)式模型、球冠諧函數(shù)模型等，1999年劉經(jīng)南等基于中國的廣域差分系統(tǒng)論述了利用多項(xiàng)式建立區(qū)域電離層模型的方法；同年許才軍通過梯度模型擬合區(qū)域電離層TEC同時求解延遲偏差；袁運(yùn)斌等提出站際區(qū)分法來估計格網(wǎng)電離層延遲，利用球諧模型建立全球電離層模型；章紅平等基于中國區(qū)域電離層模型分析了TEC的變化特征；從國內(nèi)專家學(xué)者的研究可以看出近幾年來我國對電離層的研究重視程度和發(fā)展速度。

通過IRI2007國際參考電離層平臺上搜索數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型，通過對模型的數(shù)據(jù)分析與整理總結(jié)出電離層TEC日變化規(guī)律，并對區(qū)域內(nèi)未知點(diǎn)上空電離層TEC進(jìn)行計算，并分析電離層TEC在同地區(qū)不同范圍、不同地區(qū)的精度，本文主要工作是分析模型和大量數(shù)據(jù)的搜索與處理，更是將理論與建模計算相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對未知點(diǎn)上空電離層TEC的求解，為相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行了數(shù)據(jù)支持。

經(jīng)過對相關(guān)模型分析與自建區(qū)域線性模型數(shù)據(jù)分析從而推出相關(guān)結(jié)論：

1.根據(jù)電離層TEC相關(guān)數(shù)據(jù)分析：實(shí)際TEC與采用線性模型計算得到的TEC吻合程度較好，說明利用一定區(qū)域內(nèi)上空的已知的電離層TEC，采用電離層TEC線性模型求解區(qū)域內(nèi)未知點(diǎn)的TEC方法可行，能夠應(yīng)用于實(shí)際電離層求解。

2.從數(shù)據(jù)分析出武漢、北京和新疆三個地區(qū)電離層TEC變化得出，在0：00-6：00時間段內(nèi)電離層TEC明顯增多，之后呈現(xiàn)下降趨勢，在15：00開始趨于穩(wěn)定，直到夜間22：00到次日0：00 電離層TEC數(shù)目開始增多，循環(huán)往復(fù)呈現(xiàn)出規(guī)律性，并且可以看出在14：00-20：00時間段內(nèi)電離層TEC較為穩(wěn)定，這個時間段電離層TEC變化情況微小，對衛(wèi)星導(dǎo)航及測量等的影響較小。

3.電離層TEC線性模型，很大程度上促進(jìn)了對未知點(diǎn)上空電離層TEC數(shù)據(jù)的探索，并針對那些盲區(qū)進(jìn)行計算求解，根據(jù)變化規(guī)律預(yù)報區(qū)域電離層TEC。對電離層相關(guān)學(xué)科提供數(shù)據(jù)支持。

4.根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同的區(qū)域計算電離層TEC的精度良好，但因?yàn)閰^(qū)域經(jīng)緯度不同、地處區(qū)域季節(jié)等因素的影響，不能判斷不同區(qū)域大小對精度的影響。進(jìn)一步處理同地區(qū)同條件下不同范圍P點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，小區(qū)域比大范圍計算出的相同經(jīng)緯度下P點(diǎn)的精度要高。

文章雖然進(jìn)行了大量數(shù)據(jù)分析總結(jié)規(guī)律但在建模時規(guī)定模型為矩形，并且未知點(diǎn)必須在區(qū)域內(nèi)。這就大大局限了電離層TEC線性模型的運(yùn)用，本文需要在模型運(yùn)用的范圍進(jìn)行拓展。

其次文章運(yùn)用武漢、北京、新疆三個區(qū)域進(jìn)行模型分析，數(shù)據(jù)循序漸進(jìn)，但對數(shù)據(jù)的分析還應(yīng)該更加全面細(xì)致，如判斷不同地區(qū)影響電離層TEC精度可能是經(jīng)緯度、季節(jié)氣候、地形等因素，完成工作還需要控制變量和更多數(shù)據(jù)支持。最后探究小區(qū)域內(nèi)電離層TEC的求解，并未擴(kuò)大區(qū)域范圍，下一步將擴(kuò)大區(qū)域范圍，運(yùn)用于全國乃更大范圍，進(jìn)一步驗(yàn)證電離層TEC線性模型的精度和使用范圍。這些不足不僅是下一步發(fā)展方向更是改革創(chuàng)新的新起點(diǎn)。

作者簡介

文嘉琪，新疆烏魯木齊市，本科，研究方向：科學(xué)研究。