【正文】 l electron content, relatively frequency GPS TEC and dualfrequency GPS TEC difference between the more accurate TEC data, thereby increasing the accuracy of GPS positioning, expanding the depth and breadth of its application. Key words： The TEC； Ionosphere； GPS 目錄 第 1 章 緒論 研究背景 ........................................................................................................ 8 研究意義 ...................................................................................................... 11 研究現(xiàn)狀 ...................................................................................................... 11 電離層信號傳播問題 12 穿過電離層不規(guī)則體的隨機(jī)信號傳播問題 .................................... 12 第 2 章 電離層信號傳播理論基礎(chǔ) 電離層介質(zhì)特性簡介 .................................................................................. 14 電離層的分層結(jié)構(gòu) ............................................................................ 14 電離層不規(guī)則體及其表征方法 ........................................................ 16 電離層對衛(wèi)星信號傳播的影響 .................................................................. 18 對衛(wèi)星信號相位的影響 相位超前與色散 ...................................... 19 對衛(wèi)星信號極化的影響 Faraday 旋 轉(zhuǎn) ............................................ 20 對衛(wèi)星信號傳播時(shí)間的影響 群延遲與色散 .................................. 22 第 3 章 雙頻 GPS 數(shù)據(jù)測量 TEC 雙頻差分相位法測量 TEC ......................................................................... 24 雙頻差分時(shí)延法測量 TEC ......................................................................... 25 雙頻時(shí)延 — 相位聯(lián)合測量 TEC ................................................................. 26 雙頻 GPS 信號獲取 TEC 數(shù)值模擬 ........................................................... 27 第 4 章 三頻 GPS 數(shù)據(jù)測量 TEC的方法 三頻差分相位法測量 TEC ......................................................................... 29 三頻差分時(shí)延法測量 TEC ......................................................................... 30 三頻 GPS 信號獲取 TEC 數(shù)值模擬 ........................................................... 31 第 5 章 總結(jié)與展望 本文的工作總結(jié) .......................................................................................... 33 工作展望 ...................................................................................................... 33 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................... 34 致謝 ............................................................................................................................ 36 第 1 章 緒論 研究背景 GPS 全球定位系統(tǒng) （ Global Positioning System） 是由美國國防部于七十年代開始研究，并于九十年代投入使用的全球衛(wèi)星系統(tǒng)。 本人簽名： 日期： 摘 要 電子總含量 （ TEC） 是電離層探測的主要參量之一。S DEGREE THESIS OF WUHAN UNIVERSITY Triband GPS data to calculate the TEC College ： Electronics Information School Subject ： Communication Engineering Name ： Directed by ： April 2021 鄭 重 聲 明 本人呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。利用雙頻 GPS 衛(wèi)星信號進(jìn)行電離層總電子含量計(jì)算已經(jīng) 是現(xiàn)代電離層監(jiān)測的重要手段。 當(dāng)前 GPS 研究熱點(diǎn)無論是 WAAS, LAAS， 還是網(wǎng)絡(luò) RTK 技術(shù)，電離層延遲改正都是不可忽略的，此外整周未知數(shù)的解算速度也與電離層延遲能否正確的消除有關(guān)。 電離層探測技術(shù)經(jīng)歷了從地基到空基的發(fā)展。 在地基探測方面，除測高儀以外，大功率散射雷達(dá)是近年發(fā)展起的一種強(qiáng)有力的探測手段。但非相干散射雷達(dá)的建造和運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)高昂，限制了它的普遍 應(yīng)用?？栈綔y不僅覆蓋范圍要遠(yuǎn)大十地基探測，并目可以提高電離層的垂直分辨率?；旧峡梢苑譃閮深?，一類是使用專門設(shè)計(jì)的物理儀器進(jìn)行某些電離層參數(shù)的直接測量，例如用質(zhì)譜儀、等離子體朗繆爾探針、磁強(qiáng)計(jì)、電荷分析器等獲取有關(guān)成分，如電子溫度和密度，直流和低頻電場強(qiáng)度，地磁場強(qiáng)度，電子能 譜分布等。各種粒子譜儀，還可以得到電離層離子的速度分布、能譜等重要的信息。掩星觀測提供大量的電離層觀測數(shù)據(jù)，將極大促進(jìn)空間物理學(xué)研究的發(fā)展，提升空間環(huán)境預(yù)報(bào)的水平，具有極其重要的社會(huì)效益和軍事價(jià) 值 [5]。(3)目前國際大地測量協(xié)會(huì)建立的 GPS 服務(wù)網(wǎng)己在全球布設(shè)了幾百個(gè)長期觀測站，且觀測站的數(shù)目仍在不斷增加，該系統(tǒng)除提供原始觀測數(shù)據(jù)外，還提供電離層觀測的各種資料及產(chǎn)品，為研究電離層提供了豐富的資源 [6]。當(dāng)載波相位差分用戶也在其應(yīng)用中擁有一個(gè)合理的短 基線時(shí)，它也將成為主要的受益者。在雙頻 GPS數(shù)據(jù)中，只能對一階項(xiàng)折射誤差進(jìn)行改正。在實(shí)際情況中 , 用偽距進(jìn)行一階項(xiàng)改正的剩余誤差大約達(dá)到米級 , 使用載波相位進(jìn)行一階項(xiàng)改正的剩余誤差可以達(dá)到厘米級。而利用現(xiàn)有的能夠接收 L1和 L2信號的價(jià)格昂貴的 GPS機(jī)雖然能夠消去電離層折射的影響。在第二頻率上對調(diào)制碼進(jìn)行改進(jìn)后將顯著提高第二頻率信號的可獲得率。因此，為最有效實(shí)行短波無線通信，我們必須研究電離層的各種性質(zhì)和變化規(guī)律。地震是人類面臨最大的自然災(zāi)害之一，成功預(yù)報(bào)地震，可最大限度減少人們生命財(cái)產(chǎn)的損失。 研究現(xiàn)狀 電離層電波傳播非常復(fù)雜，涉及電波在等離子體、非均勻媒質(zhì)、隨機(jī)媒質(zhì)和非線性媒質(zhì)中的傳播問題。 電離層信號傳播問題 電離層作為沉浸在地磁場中的等離子體，表現(xiàn)為色散、雙折射和各向異性等 特性的復(fù)雜介質(zhì)，對于電波傳播理論與應(yīng)用研究來說，是最令人感興趣的介質(zhì)之 一。振幅可能會(huì)受到吸收、大尺度聚焦或小尺度衍射效應(yīng)的影響；到達(dá)角可能會(huì)由于折射或繞射效應(yīng)而發(fā)生變化：瞬時(shí)頻率可能會(huì)受到接收相位起伏的影響，而極化可能會(huì)出于磁等離子體裂變及其引起的吸收、折射和相位變化而影響。電離層電子密度不規(guī)則體會(huì)引起電波的幅度、相位、到達(dá)角和極化等參數(shù)起伏，其中以幅度和相位閃爍研究居多。早在 50 年代后期，Tatarskii 埔就采用 Rytov 近似法，并引入湍流的統(tǒng)計(jì)理論而獲得成功。還有由 量子力學(xué)引入的作圖法，它是微擾法的一種，最初是 Bourret 接著是 Tatarskii 將其引入隨機(jī)介質(zhì)波傳播研究中，比較作圖法和 Born 近似，已經(jīng)可以看到多次散射對波的影響。要對 TEC進(jìn)行獲取，首先越須清楚電離層介質(zhì)本身的各方面特性，這是深入研究電離層無線電波傳播的條件。本章為后續(xù)章節(jié)研究奠定了理論基礎(chǔ)。電離層的分層狀況以及各層電子密度峰值大小隨時(shí)間 (日、季節(jié)和太陽 周等 )、地理位置 (極區(qū)、極光帶、中緯度以及赤道 )和太陽活動(dòng) (太陽耀斑等 )的變化非常大。 D區(qū)電子和離子的頻繁碰撞導(dǎo)致電波能量轉(zhuǎn)移，在白天對無線電波的吸收起主要作用。特別在夜晚，經(jīng)常有由不穩(wěn)定性產(chǎn)生的電子密度不規(guī)則體結(jié)構(gòu)影響電波傳播。 表 電離層的分層狀況（引自文獻(xiàn) [3]） GPS 信號傳播有關(guān)的部分參數(shù) 如果碰撞不能忽略，電離層 GPS 信號傳播的折射指數(shù)可以表達(dá)為AppletonHartree 公式，也就是電磁波在等離子體中傳播的色散關(guān)系式： ? ?2122224222c o s)1(4 s i n12 s i n11?????? ????????????? YjZXYjZXYjZXn （ ） 上式涉及三個(gè)參數(shù) X， Y 和 Z，即所謂 Appleton 參數(shù)，它們是： 22??pX? BY H ?????? ?vZ? （ ） θ:電波法向和地磁場夾角。在方程 ()中，“ +”和“ ”符號分別表示尋常波和非尋常波。 3 雙折射的：由于地磁場和自由電子運(yùn)動(dòng)的存在，折射指數(shù)具有兩個(gè)分立的值。除了那些幾乎精確垂直于磁場的方向以外，其它方向的傳播都可視為準(zhǔn)縱傳播 [2], 那么： 2/)c os1(1 ?YXn ??? () 如果磁離子射線裂變可忽略，在 VHF 以上頻率， x1， ()進(jìn)一步簡化為： 2/1 Xn ?? () 為了描述電離層對星一地鏈路電波傳播影響，人們引入電離層總電子含量(TEC)，它是一個(gè)非常重要的參量： dssNTEC s e )(?? () 式中積分沿傳播路徑 s進(jìn)行， TEC單位： TECU=lxl016el/m2。電離層不規(guī)則體具有寬廣的尺度譜，其產(chǎn)生機(jī)理與電子密度梯度不穩(wěn)定性、大電場引起的雙流不穩(wěn)定性及中性大氣重力波等相聯(lián)系，并與太陽及地磁活動(dòng)等有一定關(guān)系 [7]。在赤道區(qū)域，大尺度結(jié)構(gòu)或赤道擴(kuò)展 F的主要產(chǎn)生機(jī)理是 RayleighTaylor不穩(wěn)定性；而在高緯，認(rèn)為電子密度不規(guī)則體主要由梯度漂移不穩(wěn)定性產(chǎn)生。在它們對于穿透電離層的傳播效應(yīng)中，赤道 F區(qū)不規(guī)則體效應(yīng)使得高緯區(qū)的效應(yīng)相形見絀。對于星載無線電系統(tǒng)的測距、成像等性能的提高在相當(dāng)大的程度上依賴于所使用頻段范圍內(nèi)電離層的平穩(wěn)性，電離層不規(guī)則體的時(shí)空特性與相應(yīng)的相位和振幅閃爍最終相關(guān)。振幅閃爍強(qiáng)度可以用信號強(qiáng)度的歸一化方差衡量，它反映衰落的深度，而相位閃爍用相位的方差描述。有時(shí)位于 90至 100km范圍內(nèi)的 E層不規(guī)則體也會(huì)產(chǎn)生閃爍，特別是 Es和極光 E層。實(shí)驗(yàn)表明，在很寬的頻域上存在著電離層不規(guī)則性， Booker用合成譜圖對此做 了很好的總結(jié)，這個(gè)合成譜圖跨越 8個(gè)數(shù)量級，相應(yīng)于空間尺度從電子回旋半徑到地球半徑。近年興起的天基掩星探測技術(shù)，將搭載于低軌小衛(wèi)星上的 GPS掩星探測數(shù)據(jù)與地基 GPS探測網(wǎng)數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以大大提高電離層 CT技術(shù)垂直分辨率。 無線電波可以由以下五個(gè)基本參數(shù)及它們的時(shí)空變化而確定：振幅、傳播方向、相位、頻率和極化 [9]。電離層浸在地磁場中，具有色散、吸收、雙折射和各向異性等特性。電離層