IGS组织的全球电离层数据分析与比较

 

 

电离层上接外层空间，下连中层大气，在地球和太阳系之间具有承上启下的作用。它是不断变化的复杂性开放系统，对现代无线电

系统和人类活动具有重要影响，电离层的研究既复杂又极具有意义，研究电离层不仅有利于认识其本身，而且有助于推动相关电离层理论的科学研究。当GPS信号穿过电离层时，受电离层影响会产生电离延迟，该延迟是制约GPS导航定位精度的最大因素，其内部原因主要是其电离层TEC的不断变化，这种干扰对定位造成几十到几百米的影响，高精度的定位必须对电离层进行误差修正，电离层TEC的变化可以通过地基GPS、电离层探测仪等方法进行检测。本文根据观测站电离层TEC数据分析，对电离层电子含量变化的研究不仅能够很好的预测电离层TEC的变化趋势、提高构建电离层TEC模型的效率，而且能够使GPS导航定位更加精确，削弱了电离层延迟误差对定位的影响。通过对地区电离层电子数目变化的探讨研究，电离层TEC一天随时间的变化，并将线性模型进行扩展到其他区域。最后对数据进行分析，发现其变化规律，从而为精确导航提供电离层TEC的数据参考。

20世纪90年代起随着GPS技术的广泛应用，为电离层研究带来了飞跃式的发展。GPS是一种以无线电信号传播至卫星进行定位的导航系统，利用GPS进行导航定位时精度非常重要，无线电以波的形式传播，当其穿过电离层时会产生延迟，该延迟严重制约了GPS的应用。电离层的结构非常复杂，电离层TEC是重要的电离层特征参数，通过TEC可获得电离层延迟误差。我军目前对定位系统要求很高，在战场上更是至关重要。到目前为止，我国还没有形成符合特定区域电离层TEC预报平台，并且我国上空有很多TEC盲点，有必要对电离层TEC变化规律以及模型建立等进行深入研究。随着各个领域对GPS的需求增多，定位的精度要求更高，许多科学技术与应用领域对于电离层无线电传播的研究与日俱增。同时电离层研究在军事、经济等领域也有着重要的实际意义，已被我国列入战略主体研究项目。

本文的研究是在当前我国没有较合适的电离层TEC预报的情况下，电离层形势复杂条件下，为更好对区域进行电离层TEC进行精度检验、建立电离层TEC数据库。本文将通过建立区域电离层线性模型寻找TEC在一日之内的变化规律，并对数据进行精度检验、进一步发现模型意义。

1.对电离层TEC进行检测和数据分析，并研究得到其发展规律，对电离层活动进行分析，提高GPS导航定位的精度，为区域电离层的研究提供给模型支持，从而为我军定位精度提供有力保障。

2.电离层影响着人类航空航天事业、无线电波传播以及地球空间环境学，它涉及多门科学领域的交叉科学，研究其变化规律就相当于打好了基础，为其他领域的学科提供了有力的数据支持，加快其他科学研究的进程。

3.能够根据电离层TEC数据预测地震、太阳黑子数目变化，运用至导航定位系统中能减少误差提高精度。

4.能够通过模型和数据分析对区域未知点上空的电离层TEC进行计算，建立数据库。

根据研究发现电离层电子数量是时间的函数。太阳活动具有周期性，2000年是太阳黑子运动最强烈的一年，太阳黑子周期约为11年，2011年是太阳活动的高峰期，我选择武汉在2006年至2010年这五年太阳活动相对稳定的数据进行分析和2011年这一年进行比较，TEC是地方时的函数，并且分析得出每个时间段的电离层TEC具有很强的相关性，并且不同年份的电离层TEC平均每日走势大相径庭。查询大量数据分析得出0：00-6：00区间电离层TEC明显增多，之后呈现下降趋势，在15：00开始趋于稳定，直到夜间22：00-次日0：00电离层TEC数目开始增多，循环往复呈现出规律性，并且初步知晓在正午14：00-20：00電离层TEC处于稳定状态，这个时间段GPS定位导航的精度受电离层的影响减弱。相比前五年，2011电离层TEC的含量由于太阳黑子的运动加大，数量明显上升，对GPS定位的精确度影响也越大。基于对武汉地区6年来电离层TEC的变化分析，得到了电离层TEC随时间变化的规律，从而探究其他地区电离层是否也有相关规律，查阅资料发现电离层TEC每日的变化具有规律性，与武汉地区总结出的随时间变化情况不谋而合，并且都是在中午电离层TEC的波动最小，处于稳定状态，在凌晨电离层TEC数量变化明显，波动剧烈，而且上午电离层TEC的数目普遍多于下午。查询可知2011年太阳活动剧烈，在电离层TEC波动剧烈的情况下，会干扰测量精度，在一天内某些测量工程需要在电离层TEC较稳定的时间段进行观测，有了区域电离层TEC随时间的变化规律，就可以大致估计电离层TEC的稳定情况，这就为今后测量工作打下良好基础。

当然国内学者也做了大量的研究。函数模型主要包括：三角级数模型、线性模型、多项式模型、球冠谐函数模型等，1999年刘经南等基于中国的广域差分系统论述了利用多项式建立区域电离层模型的方法；同年许才军通过梯度模型拟合区域电离层TEC同时求解延迟偏差；袁运斌等提出站际区分法来估计格网电离层延迟，利用球谐模型建立全球电离层模型；章红平等基于中国区域电离层模型分析了TEC的变化特征；从国内专家学者的研究可以看出近几年来我国对电离层的研究重视程度和发展速度。

通过IRI2007国际参考电离层平台上搜索数据验证模型，通过对模型的数据分析与整理总结出电离层TEC日变化规律，并对区域内未知点上空电离层TEC进行计算，并分析电离层TEC在同地区不同范围、不同地区的精度，本文主要工作是分析模型和大量数据的搜索与处理，更是将理论与建模计算相结合，实现了对未知点上空电离层TEC的求解，为相关科学领域进行了数据支持。

经过对相关模型分析与自建区域线性模型数据分析从而推出相关结论：

1.根据电离层TEC相关数据分析：实际TEC与采用线性模型计算得到的TEC吻合程度较好，说明利用一定区域内上空的已知的电离层TEC，采用电离层TEC线性模型求解区域内未知点的TEC方法可行，能够应用于实际电离层求解。

2.从数据分析出武汉、北京和新疆三个地区电离层TEC变化得出，在0：00-6：00时间段内电离层TEC明显增多，之后呈现下降趋势，在15：00开始趋于稳定，直到夜间22：00到次日0：00 电离层TEC数目开始增多，循环往复呈现出规律性，并且可以看出在14：00-20：00时间段内电离层TEC较为稳定，这个时间段电离层TEC变化情况微小，对卫星导航及测量等的影响较小。

3.电离层TEC线性模型，很大程度上促进了对未知点上空电离层TEC数据的探索，并针对那些盲区进行计算求解，根据变化规律预报区域电离层TEC。对电离层相关学科提供数据支持。

4.根据数据进行分析，不同的区域计算电离层TEC的精度良好，但因为区域经纬度不同、地处区域季节等因素的影响，不能判断不同区域大小对精度的影响。进一步处理同地区同条件下不同范围P点的数据发现，小区域比大范围计算出的相同经纬度下P点的精度要高。

文章虽然进行了大量数据分析总结规律但在建模时规定模型为矩形，并且未知点必须在区域内。这就大大局限了电离层TEC线性模型的运用，本文需要在模型运用的范围进行拓展。

其次文章运用武汉、北京、新疆三个区域进行模型分析，数据循序渐进，但对数据的分析还应该更加全面细致，如判断不同地区影响电离层TEC精度可能是经纬度、季节气候、地形等因素，完成工作还需要控制变量和更多数据支持。最后探究小区域内电离层TEC的求解，并未扩大区域范围，下一步将扩大区域范围，运用于全国乃更大范围，进一步验证电离层TEC线性模型的精度和使用范围。这些不足不仅是下一步发展方向更是改革创新的新起点。

作者简介

文嘉琪，新疆乌鲁木齐市，本科，研究方向：科学研究。

 

-全文完-