【正文】 L2 上。 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(hào)。 GPS 衛(wèi)星裝有多波束定向天線， 發(fā)射的信號(hào)由載波、測距碼和導(dǎo)航電文組成。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(gè)軌道平面中的 24顆衛(wèi)星組成。 它 可 以 提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的高精度的 定位、測速和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 。當(dāng) nTDst 30?? 時(shí)，認(rèn)為地磁活動(dòng)平靜；當(dāng) nTDs tnT 3050 ???? 時(shí)，為弱磁暴；當(dāng) nTDs tnT 50100 ???? 時(shí)，為中等磁暴；當(dāng) nTDs tnT 100200 ???? 時(shí)，為強(qiáng)磁暴；當(dāng) 200Dst nT?? 時(shí)，為大磁暴。當(dāng) Kp 指數(shù)超過 3 時(shí)，認(rèn)為地磁場活躍。 K指數(shù)是指以各地的磁臺(tái)站記錄的 每 三個(gè)小時(shí)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(jí)，從 0 至 9 級(jí)。為了研究地震電離層擾動(dòng)，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。 這樣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈影響著穿過此層的電磁波。 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。 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。 2F 層是電離層中反射電磁波 的最強(qiáng)烈的區(qū)域。 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]。 電離層是色散介質(zhì)，即電磁波信號(hào)在電離層中的傳播速度與它們的頻率有關(guān) [24]。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。按照電磁的特性分為：中性層、電離層和磁層。 大氣層可以按照溫度不同分為：對(duì)流層、平流層、中間層和熱層。 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(duì)地球 的生態(tài)起到至關(guān)重要的作用 。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(duì)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。 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(duì) 三維電離層剖面的 cr 反演算法 進(jìn)行了 研究 [19][20]。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(tái)鏈，這些觀測臺(tái)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(dòng)等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 [16]； 1993 年又建成了第一個(gè)低緯度電離層層探測臺(tái)鏈 [17]。 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]。 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(duì)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(shí)，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(hào)閃爍等。但是，我們需要看到，基于地基 GPS 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測對(duì)象是電離層 TEC、 VTEC 和 NmF2 的變化。 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。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 異常可能是本次汶川地震的電離層前兆。 祝芙英等人于 2021 年采用中國地殼運(yùn)動(dòng)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(jí) 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(shì) [11]。 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(dòng)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(bào)道。祝芙英等人利用 IGS 提供的電離層 TEC資料，采用滑動(dòng)平均方法對(duì) 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(dòng)，擾動(dòng)有正有負(fù)，且負(fù)擾動(dòng)多發(fā)生在震前一周，正擾動(dòng)與時(shí)間沒有明顯的關(guān)系 [10]。在國內(nèi)，吳云等 通過 地基 GPS獲得 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(dòng) ， 而且 在異常減少之前 會(huì)出現(xiàn) 異常的增加 現(xiàn)象 ， 異常增加現(xiàn)象 距離發(fā)震時(shí)刻較遠(yuǎn)，認(rèn)為該異?？赡芘c太陽或地磁活動(dòng)增強(qiáng)有關(guān) ， 異常的減少一般臨近 地震發(fā)生 時(shí)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]。隨后， Zaslavski 研究了 TopexPoseidon 衛(wèi)星的 TEC 數(shù)據(jù) ， 采用統(tǒng)計(jì)的方法驗(yàn)證了地震活動(dòng)和電離層擾動(dòng) 現(xiàn)象 之間的相關(guān)性 [7]。因此，利用地基 GPS 來觀測地震前后電離層 TEC(Total Electron Content,電離層總電子含量 )等值的變化，探求地震前兆信息則顯得更經(jīng)濟(jì)、更現(xiàn)實(shí)。連續(xù)的和準(zhǔn)連續(xù)的全球及地區(qū) GPS 站總數(shù)已達(dá)幾千個(gè)，其時(shí)空分辨率比前者大大提高 ， 而 且 GPS 衛(wèi)星使用載波的頻率較高通?？梢悦庥诙滩ㄏУ睦_，克服了電離層垂側(cè)儀觀測電離層的時(shí)空局限性 [4]。顯然， 對(duì)于 偌大的地球 來說 ，這種探測手段的時(shí)空分辨率極低，難以承擔(dān)全球地震前兆 監(jiān)測 的 艱巨 任務(wù) ， 且 由于 電離層探測儀工作在中低頻率 (1～ 20 MHz)，易被短波 信號(hào) 干擾， 從而 導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失。其中， 02fF 和 2emNF異常減小， 39。Puli 通過 電離層探測儀 來 分析電離層 2F 層的臨界頻率 02fF 、最大電子密度2emNF以及 2F 層的虛高 39。 人們逐步意識(shí)到可以通過監(jiān)測電離層的變化及時(shí)對(duì)可能發(fā)生的地震進(jìn)行預(yù)警。 Antsilevich 分析了 1966 年Tashkent 地震時(shí) ,以 Tashkent 和 Alma— Ata兩個(gè)測站的電離層參數(shù)資料．發(fā)現(xiàn)在震中 區(qū)域 上空的電離層電子濃度有增加的現(xiàn)象 [3]。 電離層探測技術(shù)與方法的發(fā)展 將電離層異常作為地震短臨期預(yù)警的依據(jù)有著漫長的過程。但是這種監(jiān)測手段的空間分辨率太低，且 易被短波干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失 。由此，國內(nèi)外科學(xué)家展開了對(duì)震前電離層異常的研究， 為地震的短臨期預(yù)警提供參考。 在地震前兆異常信息的研究中， 對(duì) 孕震期內(nèi)巖石圈－大氣層－電離層 LAI（ LithosphereAerosphereIonosphere）之間耦合機(jī)制 以及 震前電離層異?，F(xiàn)象的 研究 是一個(gè)熱點(diǎn) 話題 。由于地震的復(fù)雜性，其 機(jī)理超出了現(xiàn)有的知識(shí)框架，使地震預(yù)測成為一個(gè)全球性的科學(xué)難題。據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計(jì)，上個(gè)世紀(jì)，全世界因地震死亡的人數(shù)達(dá) 120萬，占全球自然災(zāi)害所造成的死亡總和的 58%， 更 突 顯出防震減災(zāi)的重要性和緊迫性。 GPS 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 圖例索引 圖 1大氣層結(jié)構(gòu)示意圖 ........................................................................................... 13 圖 2電離層電子密度的典型高度分布（中緯度地區(qū)） ............................................. 14 圖 3電 離層層析原理示意圖 .................................................................................... 22 圖 4 2021年 2月 1日至 11日新疆地區(qū)電離層電子密度數(shù)據(jù)異常探測 ..................... 25 圖 5震級(jí)與地震次數(shù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律 ................................................................................ 27 圖 6 2021年 3月 1日至 31日期間 Kp指數(shù) Dst指數(shù)、 ............................................ 29 圖 7 3月 22日 UT16:00左右高度面上的電子密度變化情況 ..................................... 30 圖 8 3月 22日 UT22:00左右電子密度變化情況 ...................................................... 31 圖 9 3月 23日 UT6:00左右電子密度變化情況 ........................................................ 32 圖 10 3月 24日 UT16:00左右電子密度變化情況 .................................................... 33 圖 11 3月 28日 UT6:00左右電子密度變化情況 ...................................................... 33 圖 12蘇門答臘島區(qū)域 ............................................................................................ 34 圖 13 2021年 4月 1日至 15日期間電子密度時(shí)間序列圖 ........................................ 35 圖 14 2021年 4月 1日至 30日期間 Kp指數(shù) Dst指數(shù)、 .......................................... 36 圖 15 2021年 4月 11日 UT10:00左右電子密度變化情況 ........................................ 37 圖 16 2021年 4月 11日 UT10:00左右高度面上的電子密度變化情況 ....................... 38 圖 17 2021年 4月 14日 UT8:00左右電子密度變化情況 .......................................... 39 圖 18 2021年 4月 14日 UT8:00左右電子密度變化情況 .......................................... 41 圖 19 2021年 2月 1日至 29日期間 Kp指數(shù) Dst指數(shù) ............................................. 42 圖 20 2021年 2月 12日至 26日期間電子密度時(shí)間序列圖 ...................................... 43 圖 21 2021年 2月 22日 UT0:00左右高度面上的電子密度變化情況 ........................ 44 圖 22 2021年 2月 23日 UT6:00左右電子密度變化情況、 ...................................... 45 圖 23 2021年 2月 24日 U8:00左右高度面上的電子密度變化情況 .......................... 46 圖 24 2021年 2月 26日 UT10:00左右高度面上的電子密度變化情況 ....................... 47 圖 25 2021年 2月臺(tái)灣屏東地區(qū)地震正、負(fù)異常統(tǒng)計(jì) ............................................. 48 圖 26 新疆地區(qū)地震分布圖 ..................................................................................... 48 圖 27 2021年 3月 份 Dst、 Kp指數(shù)圖 ................................................................ 51 圖 28 2021年 3月份電離層電子密度異常格網(wǎng)數(shù)時(shí)間