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第4章 基于GPS观测值的电离层电子含量反演及建模 任雪松 硕研19班2012021930 第四章所讲述的内容 4.1 有关电离层的概述和利用GPS有关电离层的规律和模型的概述。 4.2 GPS观测反演电子含量的基本原理 4.3 几种典型的电离层单层模型的介绍 4.4 电离层层析成像技术的介绍和基本原理以 及建模的方法 4.5 掩星GPS电离层探测 4.1有关电离层的概述和利用GPS有关电离层的规律和模型的概述 电离层的定义：有大量离子和自由电子，足以反射电磁波的部分大气层。高度约为60~1000KM范围内的离子化大气层 电离层结构的表征：电子密度、离子密度、电子温度、离子温度等的空间分布。主要研究内容是电子密度随高度的分布。 4.1有关电离层的概述和利用GPS有关电离层的规律和模型的概述 电离层垂直分布图如右图 图4-1 （D层最低，F层的电子 密度最大） 电离层状态的影响因素： 纬度、经度，随昼夜、 季节 、年、太阳黑子而 呈周期性变化。 4.1有关电离层的概述和利用GPS有关电离层的规律和模型的概述 电离层对人类活动的影响：电离层作为一种介质会是电波在其中发生折射、反射、散射和吸收而损失部分能量，使中短波在其中传播时影响最大，从而对远距离通信和广播造成严重的影响，甚至信号中断。而电离层的电子密度、稳定程度和厚度等的变化主要受太阳活动的影响，所以可以通过对电离层的活动进行监测和预报，可以了解太阳的活动。 4.1有关电离层的概述和利用GPS有关电离层的规律和模型的概述 利用GPS对电离层监测的优点：（1）GPS卫星轨道高度为20000km，观测的总电子含量包括了电离层的电子密度和等离子体层中电子密度的影响。 （2）GPS卫星的分布有利于对电离层活动的长期连续监测 （3）用GPS测量TEC是目前经度最高的TEC测量手段。（4）IGS（国际GPS服务组织）为研究电离层提供了丰富资源。 什么叫TEC：电离层电子浓度总含量又称电离层电子浓度柱含量、积分含量等，是一个非常重要的电离层参量，对电离层物理的理论研究及电离层电波传播的应用研究均具有十分重要的意义。 4.1有关电离层的概述和利用GPS有关电离层的规律和模型的概述 4.1有关电离层的概述和利用GPS有关电离层的规律和模型的概述 如图4-2TEC现报图 4.1有关电离层的概述和利用GPS有关电离层的规律和模型的概述 利用GPS确定电离层中的总电子含量的意义：（1）通过GPS信号的延迟来确定在单位体积内的总电子含量，以建立全球的电离层数值模型，研究和揭示电离层电子密度的空间分布和电离层活动规律。（2）利用计算得到的高时空分辨率的全球电离层的电子含量来精化区域的或全球的电离层延迟改正模型，进而改善GPS用户的实时导航定位技术。 4.1有关电离层的概述和利用GPS有关电离层的规律和模型的概述 国内外针对利用GPS研究电离层的发展情况。（1）用GPS观测资料反演电子含量的分布和变化规律。两个频率的GPS信号穿过电离层的延迟差可以计算出着整个传播路径上的总电子含量，主要分地基GPS和空基GPS电离层探测，20世纪80年代全球或区域GPS观测网络建立并使用，全球范围的IGS网已成为提取全球的电离层信息最为有效的手段之一。 4.1有关电离层的概述和利用GPS有关电离层的规律和模型的概述 20世纪90年代，人们开始研究利用GPS掩星进行大气探测，相继发射了orsted、CHAMP、SAC-C和GRACE等低轨卫星，美国与台湾合作的COSMIC计划也发射组网并投入使用，GPS掩星探测电离层逐渐发展呈一个重要的研究方向之一。 （2）用GPS观测资料建立高精度的电离层模型。电离层延迟误差是影响GPS测量、导航、定位与定轨精度的主要误差源之一，也是导致一般差分GPS定位精度随用户和基准站间距离的增加而迅速降低的主要原因之一。解决电离层延迟误差的方法一般有双频改正法、差分GPS定位法、半和改正法和电离层模型法。 4.1有关电离层的概述和利用GPS有关电离层的规律和模型的概述 电离层模型大致可以分为理论模型和经验模型两类。理论模型复杂而且精度不够，可描述定性的特征和变化规律。而经验模型含有大量的观测数据通过拟合得到的平均数据模型。其中经验模型又可以分为利用以前长期收集到的资料建立起来的经验公式和基于GPS短时间观测值建立起来的电离层模型，其中后者的精度要高出许多。 * * 理论上，TEC的空间分布及时间变化，反映了电离层的主要特性，因此通过探测与分析电离层TEC参量，可以研究电离层不同时空尺度的分布与变化特性，如电离层扰动，电离层的周日、逐日变化，