【文章內(nèi)容簡介】 了 電離層垂直總電子含量 (Vertical Total Electron Content， 縮 寫為VTEC)數(shù)據(jù)，研究了 3 次 亞洲地震震前 TEC 的變化，結(jié)果 發(fā)現(xiàn) 在臨震前 10 天 之內(nèi)，孕震區(qū)上空的 VTEC 值 均出現(xiàn)了明顯的異常擾動 ， 而且 在異常減少之前 會出現(xiàn) 異常的增加 現(xiàn)象 ， 異常增加現(xiàn)象 距離發(fā)震時刻較遠(yuǎn)，認(rèn)為該異常可能與太陽或地磁活動增強(qiáng)有關(guān) ， 異常的減少一般臨近 地震發(fā)生 時刻 ， 基本可以歸結(jié)為中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 是由于 地震引起的電離層效應(yīng) [8]。 楊劍等 通過 GPS 無線電掩星技術(shù)對日本千島地震 和 青海海西地震進(jìn)行分析 ， 發(fā)現(xiàn)臨近地震發(fā)生 前 在 孕震區(qū)上空的電離層峰值電子密度 NmF2 均出現(xiàn)了異常 擾動 [9]。祝芙英等人利用 IGS 提供的電離層 TEC資料，采用滑動平均方法對 2021 年來全球 以上的地震進(jìn)行震前電離層異常研究，結(jié)果表明 94%的地震孕震區(qū)上空出現(xiàn)了明顯的異常擾動，擾動有正有負(fù)，且負(fù)擾動多發(fā)生在震前一周，正擾動與時間沒有明顯的關(guān)系 [10]。已有的研究 資料 表明，由地震引起的電離層變化不僅存在，而且在震級大于 5級的地震發(fā)生前的幾天至幾個小時 時間內(nèi) 會發(fā)生電離層擾動。 四川省汶川縣發(fā)生 地震 后，地震的預(yù)警問題又引起了國內(nèi)學(xué)術(shù)界的關(guān)注，陸續(xù)出現(xiàn)了基于 IGS網(wǎng)絡(luò)或者中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測汶川大地震前后電離層的異常情況的報道。趙必強(qiáng)等人根據(jù)地基 GPS 測量得到的 VTEC 值和地面測高儀測量的 2F 層臨界頻率和 Es 臨界頻率等參量， 排 出了地磁活動的影響 ， 發(fā)現(xiàn)了震前 5天電子濃度的異常 [4]。 祝芙英等人于 2021 年采用中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)的 GPS觀測數(shù)據(jù)，先后解算得到了 中國區(qū)域上空 在 汶川 級 地震 發(fā)生前電離層 TEC和 VTEC 分布圖，利用兩種統(tǒng)計(jì)方法顯示，在震前 16 天電離層 TEC值 存在顯著減少，且電離層 TEC 值 的異常駝峰有向磁赤道 偏移 的趨勢 [11]。林劍等人發(fā)現(xiàn)了同樣的結(jié)論 ， 他們利用球諧模型和中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)及 IGS 提供的 GPS 數(shù)據(jù)，分別計(jì)算了中國區(qū)域及全球電離層 TEC 數(shù)據(jù)，采用不同的統(tǒng)計(jì)分析方法，對汶川震中上空及鄰近區(qū)域的 TEC 進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)了 地震 前后一周孕震區(qū)上空陸續(xù)出現(xiàn)了具有共軛結(jié)構(gòu)的電離層異常，且呈現(xiàn)向磁赤道漂移的趨勢 [12]。周義炎 [13]等利用地基 GPS 觀測資料反演的 汶川地震 垂直電子總含量（ VTEC） ,分析結(jié)果表明： VTEC 的異常增加出現(xiàn)在 5月 3日和 5 月 9 日 ，鑒于地震期間的日－地空間環(huán)境和電離層 VTEC異常特征認(rèn)為 5月 3日下午和 5月 9日的 VTEC 異?？赡苁潜敬毋氪ǖ卣鸬碾婋x層前兆。余濤 [14]等利用 GPSTEC 和廈門電離層測高儀數(shù)據(jù)，分析了汶川大地震前我國地區(qū)電離層的形態(tài)和變化。 從上述分析可以看出，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界已經(jīng)承認(rèn)以 GPS 為代表的衛(wèi)星導(dǎo) 航定位系統(tǒng)是監(jiān)測電離層異常最有效最實(shí)用的工具。科學(xué)家們使用 GPS 監(jiān)測地震前后電離層的異常也發(fā)現(xiàn)了一些規(guī)律，取得了一系列的成果。但是，我們需要看到，基于地基 GPS 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測對象是電離層 TEC、 VTEC 和 NmF2 的變化。這中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 11 些物理量只能給出電離層電子密度在兩維的分布，而不能給出其隨高程變化的情形，具有一定的局限性，不能對地震前電離層的異常做全面的分析。 基于 GPS 的 電離層層析技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 電離層層析成像 (Computerized Ionospheric Tomography，簡稱 CIT)是基于電離層對電波傳播的效應(yīng) 的技術(shù) ， 在 衛(wèi)星發(fā)射的無線電信標(biāo)穿過電離層時，其相位和振幅受電離層影響， 從而 產(chǎn)生多普勒頻移或偏振面的旋轉(zhuǎn)以及由 于 傳播路徑上的不規(guī)則結(jié)構(gòu)造成 信號閃爍等。由這一類測量可獲得沿傳播路徑的積分效應(yīng) (如總電子含量 TEC)。 1986 年 Austen 等人首次提出了將 CT技術(shù)與無線電信標(biāo)結(jié)合應(yīng)用 于 反演電離層電子密度的設(shè)想 [11]。隨后 Austen 等人利用電離層模式計(jì)算得到 TEC值， 并且 利用計(jì)算機(jī) 反演 出 電離層二維剖面的結(jié)果， 算出了 用于測量 TEC的從衛(wèi)星到臺站的射線， 得到 了衛(wèi)星與臺站 的二維電子密度剖面 [15]。上世紀(jì) 80 年代末起，俄羅斯 、 西北歐、北美相繼建立了實(shí)際的用于 CIT的觀測臺鏈，這些觀測臺鏈均位于高緯度地區(qū)，利用它們已經(jīng)獲得了有關(guān)中緯電離槽、電離層行進(jìn)式擾動等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 [16]； 1993 年又建成了第一個低緯度電離層層探測臺鏈 [17]。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展，人們自然會想到利用 GPS建立電離層層析模型。 Mehrez Hirari 首次討論了利用 GPS 數(shù)據(jù)的電離層層析成像 方法 [18]，鄒玉華、徐繼生等人結(jié)合掩星技術(shù) 對 三維電離層剖面的 cr 反演算法 進(jìn)行了 研究 [19][20]。徐繼生又根據(jù)掩星建立了電離層的維度 經(jīng)度 高程的三位時變模型 [21]，聞德保依據(jù) GPS 電離層層析模型反演了中國區(qū)域三維電離層變化模型 [22]。近期，楊劍等人提出利用 GPS 電離層層析模研究汶川地震前四天的電離層異常 [22]， 但他們只建立了震前的電離層三維模型，證實(shí)了 GPS 電離層層析模型的監(jiān)測結(jié)果與常規(guī)地基 GPS 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測結(jié)果一致，而沒有針對電離層層析得到的三維電離層電子密度模型作 完整 的分析，該研究沒有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。 本文研究的主要內(nèi)容 本論文試圖利用 GPS電離層層析技術(shù)反演出地震前后電離層中電子密度三維分布的異常變化，以克服常規(guī)地基 GPS 監(jiān)測電離層方法的局限性，給出電離層電子密度其隨高 程變化的情形，得到地震前電離層中電子密度三維分布的異常變化及其規(guī)律，并且通過對不同震級地震前后的電離層電子密度變化進(jìn)行統(tǒng)中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 12 計(jì)分析，為地震預(yù)警提供有意義的參考。 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 13 第二章 電離層的基本特性 地球大氣結(jié)構(gòu) 在地球外部由于地球引力的作用包裹著大量的氣體，形成了一圈大氣層 ， 對地球 的生態(tài)起到至關(guān)重要的作用 。 地球的大氣結(jié)構(gòu)狀況復(fù)雜多變， 大氣 層 的密度、溫度、電子含量 等指標(biāo) 隨著地區(qū)和高度的變化而呈現(xiàn)不同的趨勢。 大氣層可以按照溫度不同分為：對流層、平流層、中間層和熱層。按照 組成狀況分為非均質(zhì)層和均質(zhì)層。按照電磁的特性分為：中性層、電離層和磁層。 如 圖 1： 圖 1 大氣層結(jié)構(gòu) 示意圖 電離層概述 電離層（ Ionosphere）是指距離 地面 60~1000 千米間的大氣層，主要由帶電粒子與中性粒子組成。電離層中的中性氣體分子或原子在太陽紫外線、 X光射線和高能粒子的作用下發(fā)生電離，產(chǎn)生自由電子和正、負(fù)離子，形成電離區(qū)域。電離層從宏觀上呈現(xiàn)中性，變化特征主要取決于電子密度隨高度的分布。 電離層是色散介質(zhì)，即電磁波信號在電離層中的傳播速度與它們的頻率有關(guān) [24]。 根據(jù)電子密度的分布，電離層在垂直方向上 隨著高度的不同呈現(xiàn)不 同的結(jié)構(gòu)特征 。 隨著高度的增加可分為 D 層、 E 層和 F層， 還可以將 F 層細(xì)分為 1F 和 2F 層[25][24]。 D 層位于電離層的最底層，高度范圍大約是 60千米至 90千米； E層的高中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 14 度范圍大約是 90千米至 130千米； 1F 層的高度范圍大約是 130千米至 210千米，2F 層的高度大約是 210 千米以上，具有最大的電子密度 ， 最大電子密度位于300~400 千米高度附近。 2F 層是電離層中反射電磁波 的最強(qiáng)烈的區(qū)域。 電離層分層結(jié)構(gòu)是對電離層狀態(tài)的理想描述， 邊界 劃分并不是很明顯 ， 實(shí)際上的電離層總是隨緯度、經(jīng)度呈現(xiàn)復(fù)雜的空間變化，并且隨著 晝夜 變化 、季節(jié) 變化 、太陽黑子周等 呈現(xiàn)不同的 變化 特性 。電離層的垂向示意圖如 圖 2 電離層電子密度的典型高度分布（中緯度地區(qū)） 所示。 圖 2 電離層電子密度的典型高度分布（中緯度地區(qū)） 電離層異常、不規(guī)則現(xiàn)象和擾動 電離層的物理和化學(xué)變化與各種因素有關(guān)，比如太陽輻射、微粒輻射、地磁場變化以及大氣運(yùn)動等。 因此， 電離層的有比較規(guī)律的周日變化和季節(jié)變化，也有不規(guī)則變化 。 電離層中存在各種異?，F(xiàn)象，比如 D層冬季的電子密度 值 相對于夏季 較 高 。 一般情況下假定電離層是平滑結(jié)構(gòu)，但實(shí)際上電離層中存在著尺度達(dá)到千米至十萬千米的 均勻體，也存在著尺度只有數(shù)千米不均勻體。 當(dāng)電離層處于無擾動狀態(tài)時， 仍然會存在各種小尺度、不斷變化的不均勻體。 這樣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈影響著穿過此層的電磁波。 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 15 地磁參數(shù)及太陽活動指數(shù) 太陽活動水平的改變，地磁活動異常，天氣變化等因素都能夠引起電離層的擾動。為了研究地震電離層擾動，檢驗(yàn)由地震引起的電離層電子密度 異常變化 就必須排除背景因素的影響。 磁暴可以通過 K、 Kp、 Dst(Disturbance Sudden Time)這些地磁指數(shù)來描述。 K指數(shù)是指以各地的磁臺站記錄的 每 三個小時地磁場的分量變化最大幅度為基礎(chǔ) 的地磁指數(shù) 數(shù)據(jù) ，共 10 級，從 0 至 9 級。 Kp指數(shù) 與 K指數(shù)相似，也是 3小時行星磁情指數(shù)，每天有 8 個，從 09分為十級，主要描述地磁活動的總體水平。當(dāng) Kp 指數(shù)超過 3 時，認(rèn)為地磁場活躍。 Dst 指數(shù)，是指在中低緯度測站使用的地磁指數(shù)，主要量測地磁水平分量的強(qiáng)度變化，單位為 nT 。當(dāng) nTDst 30?? 時，認(rèn)為地磁活動平靜；當(dāng) nTDs tnT 3050 ???? 時，為弱磁暴；當(dāng) nTDs tnT 50100 ???? 時，為中等磁暴；當(dāng) nTDs tnT 100200 ???? 時，為強(qiáng)磁暴；當(dāng) 200Dst nT?? 時，為大磁暴。 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 16 第三章 基于 GPS 的電離層層析原理 概述 全球定位系統(tǒng)（ Global Positioning System，簡稱 GPS），又稱全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是一個中距離圓型軌道 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) ， 是 20世紀(jì) 70 年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。 它 可 以 提供實(shí)時、全天候和全球性的高精度的 定位、測速和時間標(biāo)準(zhǔn) 。 GPS 系統(tǒng)包括三大部分：空間部分 （ GPS 衛(wèi)星星座）、 地面控制部分 （ 地面監(jiān)控系統(tǒng) ）和 用戶設(shè)備部分 （ GPS 信號接收機(jī) ） 。其中 GPS 衛(wèi)星星座 是由均勻分布于距離地球表面平均高度約為 20200公里的 6個軌道平面中的 24顆衛(wèi)星組成。軌道平面的傾角為 55度， 運(yùn)行周期為 11 時 58 分恒星時。 GPS 衛(wèi)星裝有多波束定向天線， 發(fā)射的信號由載波、測距碼和導(dǎo)航電文組成。其中，載波有 發(fā)射 頻率為 的 L1 信號和頻率為 的 L2 信號頻率 。 GPS 現(xiàn)代化后，又 在 Block IIF 衛(wèi)星中 增設(shè)了 頻率為 的 L5信號。采用多種載波頻率是為了更好的消除電離層誤差，組成更多的線性組合觀測值。 其中 C/A 碼調(diào)制在 L1 上， P2 調(diào)制在 L2 上。 地球表面的任何地方 在任何時間 ， 必須 接收到至少 4 顆 GPS 衛(wèi)星的信號，以實(shí)現(xiàn)全球化、全天候?qū)Ш蕉ㄎ弧?GPS 測量是通過地面設(shè)備接收衛(wèi)星傳送的信息來確定地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。測量中出現(xiàn)的各種誤差按其來源可分為三大類：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差、與信號傳播有關(guān)的誤差、與信號接收有關(guān)的誤差 。 時間系統(tǒng)和坐標(biāo)系統(tǒng) 時間系統(tǒng)和坐標(biāo)系統(tǒng)是觀測和處理數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)，必須嚴(yán)格定義這些參考系統(tǒng)。 在基于 GPS 的電離層層析中，位置信息是通過 接受和處理 GPS 衛(wèi)星的無線電信號來確定用戶接收機(jī)和 衛(wèi)星的幾何關(guān)系。目前，有多種 由不同的時間周期而得到的時間系統(tǒng)。 其中， UTC、 TDT 和 GPST 是 GPS 定位用到的時間系統(tǒng)。其中 GPST 與 UTC的關(guān)系是： GPST=UCT+1s n19s （ 1） 為了描述衛(wèi)星在其軌道上的運(yùn)動規(guī)律，需要建立不隨地球自轉(zhuǎn)的地心坐標(biāo)系－－空間固定坐標(biāo)系（天球坐標(biāo)系）；另一方面觀測站是在地球表面，隨地球自中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 17 轉(zhuǎn)而運(yùn)動，因此需要建立與地球固聯(lián)的地心坐標(biāo)系－－ 地固坐標(biāo)系（地球坐標(biāo)系）。GPS 的參考框架常用 WGS84 或 ITRF，它們是地心地固坐標(biāo)系的實(shí)現(xiàn)。 觀測量與觀測方程 GPS 觀測量主要包括測距碼偽距和載波相位兩類觀測值。 測距碼偽距的觀測方程： ? ? ? ?c? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?ij R R TR R TRk T T r k q k k a k kp t t c r I B M B （ 2） 波相位觀測方程 ： ? ? ? ? ? ?c? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?TR R R TR TR R TRk k k T T r k k q k q k k kTt N t t c r I Tr b b m e（ 3） ijkp 為碼偽距觀測值 ， ? ???TRk t 為載波相位觀測量， T、 R分別 代表衛(wèi)星和接收機(jī)。 ? 為衛(wèi)星至測站幾何距離 ， ?k 為相應(yīng)載波的波長， kN