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利用全球电离层观测仪系统网验证与校正福卫三号电离层参数观测资料
福衛三號於全球電離層氣象觀測與研究
文/蔡龍治、蕭棟元、陳政儀、蔡偉雄、朱延祥、劉兆漢
摘要
本論文目的在應用福衛三號掩星觀測資料於全球電離層氣象觀測與研究,目標為:(1)利用全球電離層觀測儀系統網驗證福衛三號電離層垂直電子密度觀測資料;(2)利用於福衛三號電離層參數量測資料進行相關全球數值分析,用以供應全球電離層實驗模式(The IRI Model)應用;(3)利用福衛三號電離層全電子含量資料進行全球三維電離層斷層掃描圖反演。雖然福衛三號COSMIC計畫可以得到電子密度隨高度的分布,但是驗證福衛三號COSMIC電離層資料的正確性,並提出適當的修正,則為一極為重要的工作。除此之外,電離層映射技術(Ionospheric Mapping Technique)可根據適當的球諧函數(Spherical Harmonic Function)將COSMIC電離層參數做全球分布的展開,監測並研究電離層全球的動態變化。此研究結果,對於發展全球高頻電波最大通訊頻率的即時預報,有極大的助益。本論文更將運用觀測期電離層參數映射資料進行相關全球數值分析改良國際電離層參考模式 (the International Reference Ionosphere (IRI) Model) 中F2 層臨界頻率(foF2),F2 層臨界頻率高度 (hmF2) ,E層臨界頻率(foE),與E層臨界頻率高度 (hmE)全球數值分佈表。最後本論文將利用電離層全電子含量資料進行全球三維電離層斷層掃描圖反演,運用MART反演技術求得電離層三維電離層斷層掃描圖,並加以驗證與分析比較。
福爾摩沙衛星三號系統包含六顆近地衛星,每顆衛星裝設三項酬載包括全球定位系統接收機,三頻標識訊號發射系統與小型電離層光測器,主要酬載設計即用於接收全球定位系統信號。在六十年代,美國海軍及空軍為了軍事上定時、定位與導航各方面的需求,而各自研擬發展定位計畫,到了1973年5月,美國國防部即整合出全球定位系統(NAVSTAR/GPS,NAVigation Satellite Timing And Ranging/Global Position System,簡稱GPS系統)。GPS系統的架構,大致上可分成三個部份:1. 太空部份:即包含所有衛星及衛星訊息方面;2. 控制部份:包含地面上的主控制站、監視站及地面天線等項目;3. 使用者部份:即能夠接收GPS衛星訊號以及資料處理的接收儀。其中在太空及控制部份是為雙向的訊息溝通方式,此目的在於監控衛星訊息內容的正確性以及更新;而在使用者與太空部份之間則為單向的訊息溝通方式,其目的可以提供多位使用者同時接收使用,在軍事上,尚有避免使用者曝露其位置的作用。GPS衛星系統,目前至少是由24顆衛星組成,其中24顆為操作衛星,其餘為備用衛星。備用衛星的功能主要在於作為當主衛星失效時之備用以及加強衛星之幾何分佈,在正常狀態下,這些備用衛星也可用於定位,故為主動預備(Active Spare)方式。24顆主衛星分佈於6個軌道面上,每個軌道面上至少分佈有4顆衛星,就赤道面的觀點而言,相鄰軌道面之間相隔60度,而每個軌道面與赤道面之間的傾角為55度,衛星軌道高度為20200公里,衛星每繞行地球一週約11時58分。每顆GPS衛星均攜帶著頻率穩定的原子鐘,其原子鐘的基本頻率為10.23 MHz;然後以其基本頻率分別乘以154及120倍製造出L1(10.23 ×154=1575.42 MHz)與L2(10.23 ×120=1227.60MHz)兩種頻率的載波,其中L1載波上調制C/A電碼(Coarse/Acquisition Code)和P電碼(Precise Code),而L2載波上則僅調制P電碼,此外於L1及 L2載波上分別再調制上50 BPS(Bit Per Second)的衛星訊息,使得任一接收器即可定位在最大16米誤差內的位置,若接收器同時接收數顆GPS信號衛星即可縮小定位誤差至1米內,假若能透過GPS接收網路及信號相位測量,GPS定位系統更能提供誤差在1公分以下的定位能力。然而由於GPS系統擁有非常高的定位能力,以及該系統使用的電波傳播特性,使得GPS系統在科學及通訊上也有相當多的應用,GPS系統用於電離層及大氣參數研究,肇因於其電波傳播特性,當接收器測量出電波從發射衛星至該點所需的傳播時間,即可換算出相關距離。 然而其中的傳播媒介(包含電離層及大氣層),因電離層效應或空氣中水氣或溫度效應“影響”電波傳播方向與速度,而對定位系統產生誤差,然而這“影響”反而是今科學家用來研究電離層及大氣層中水氣、溫度、壓力等參數的最好憑籍。
GPS系統用於電離層及大氣參數研究可分為兩個方向,其一為地面接數站甚至接收網:西元1993年國際測地協會(the International As
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