基于GNSS的电离层异常监测平台搭建和应用研究

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电离层闪烁是一种比较常见的空间天气,是指电离层的电子密度随机快速、不均匀的变化,导致穿过其中的无线电信号发生信号振幅、相位和到达角的快速变化现象。电离层闪烁有着较为复杂的产生机制,主要与电离层E层和F层的不规则结构体的生成有关。电离层闪烁的发生具有较为明显的周日、季节、年、太阳活动11年周期的变化规律。电离层闪烁不仅反映电离层不规则结构体及其变化的物理特性,而且会对卫星通信和导航系统产生影响:振幅闪烁会导致信号衰落和误码率增加,相位闪烁会造成接收机失锁。随着全球范围内通信系统和导航定位系统的不断发展,对电离层等空间环境的研究也变得更加重要。  本文基于海南三亚和广东深圳的电离层闪烁观测数据,以及海南三亚、秘鲁阿雷基帕的GNSS观测数据,主要研究了电离层变化率指数ROTI的计算策略和不同区域电离层闪烁的发生特征。具体来说,主要包括以下内容:  1、重点分析了ROTI的计算策略。不同种类的ROTI在通常情况下都可以较好地响应S4指数的变化,都可以作为电离层闪烁的监测参数,并且各类ROTI与S4指数都是强相关的;不同采样率的ROTI在响应S4指数变化时判别是否发生闪烁的阈值不同,数据分析结果表明,对于5min计算间隔的ROTI,以30s采样率的ROTI>0.5,15s采样率的ROTI>0.6,1s采样率的ROTI>1.5作为判断是否发生电离层闪烁事件的阈值相对而言比较合适;由于ROTI和S4指数观测不规则结构体的机制不同,各类ROTI和S4指数在某些情况下也表现出不同的特征;利用ROTI监测电离层不规则结构体时,可以根据不同的需求和目的选择数据采样率,通常情况下需要采用高于1s采样率的GNSS观测数据来监测更小尺度的不规则结构体。  2、基于电离层闪烁监测业务的需要,验证了ROTI和DPR监测电离层闪烁的可行性,搭建了电离层闪烁监测平台。该平台基于ROTI、DPR等参数的计算,可以同时处理CMONOC、iGMAS和IGS等数据中心提供的1s采样率和30s采样率的GNSS观测数据。根据实验结果,能准确的得到不同时段不同地区发生的电离层闪烁事件,可以作为大范围、长周期电离层闪烁监测与分析的手段。  3、分析了不同区域电离层闪烁的时变特征。利用海南三亚的电离层闪烁观测数据分析了该地区电离层闪烁的周日变化规律;在一般情况下S4指数和σφ在反映电离层闪烁具有相似的变化趋势,且两者是强相关的。通过统计广东深圳2015年1月到2016年12月的电离层闪烁监测数据,获取了该地区电离层闪烁发生的年变化规律,并对闪烁造成的电离层VTEC衰落现象进行了分析。根据IGS提供的秘鲁阿雷基帕2000年到2016年的GNSS观测数据,统计了不同年份ROTI闪烁事件发生的频率,表明ROTI闪烁事件与太阳活动的强度具有非常紧密的关联性;通过比较2015年全年该站30s-5min ROTI、1s-5min ROTI和1s-1min DPR可以得知,它们在监测电离层闪烁时在总体上保持一致,即监测闪烁具有较为相似的效果。
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