一種融合天地基多源數(shù)據(jù)的電離層反演方法

歐明 甄衛(wèi)民 張時(shí)生 趙庶凡 於曉 徐繼生

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,武漢 430079;2.中國(guó)電波傳播研究所,青島 266107;3.92038部隊(duì),青島 266100;4.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所,北京 100036)

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一種融合天地基多源數(shù)據(jù)的電離層反演方法

歐明1,2甄衛(wèi)民2張時(shí)生3趙庶凡4於曉1,2徐繼生1

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,武漢 430079;2.中國(guó)電波傳播研究所,青島 266107;3.92038部隊(duì),青島 266100;4.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所,北京 100036)

數(shù)據(jù)融合是觀測(cè)數(shù)據(jù)稀疏條件下電離層精確反演的重要技術(shù)途徑.文中提出了一種融合天地基多源數(shù)據(jù)的電離層反演方法.選擇地基GNSS、低軌衛(wèi)星(Low Earth Orbiting,LEO)掩星、衛(wèi)星信標(biāo)及垂測(cè)儀等手段為觀測(cè)系統(tǒng),國(guó)際參考電離層(International Reference Ionosphere,IRI)為背景模型,利用改進(jìn)的克里格插值及乘法代數(shù)重構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的有效融合.以中國(guó)區(qū)域?yàn)槔?觀測(cè)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)的結(jié)果表明：文中提出的方法能將各類觀測(cè)資料有效地融合到背景模式中,反演得到的總電子含量及電子密度誤差相比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途酗@著降低;在地基GNSS觀測(cè)的基礎(chǔ)上,融入地基垂測(cè)與天基掩星可有效提升電子密度的反演精度.相關(guān)研究結(jié)果可為中國(guó)現(xiàn)有電離層觀測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù).

數(shù)據(jù)融合;電離層;克里格插值;乘法代數(shù)重構(gòu);觀測(cè)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)

DOI 10.13443/j.cjors.2015123001

引 言

電離層作為人類空間活動(dòng)的重要區(qū)域,對(duì)各類無(wú)線電信息系統(tǒng)具有不可忽視的影響效應(yīng). 電離層是影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精度、短波通信質(zhì)量、電力傳輸安全的重要因素之一. 同時(shí),電離層環(huán)境狀況也對(duì)導(dǎo)彈、低軌衛(wèi)星(Low Earth Orbiting,LEO)和空間站等平臺(tái)的飛行器壽命、功能實(shí)現(xiàn)以及宇航員的健康安全有直接的影響[1]. 由于電離層擾動(dòng)時(shí)常發(fā)生,變化快,動(dòng)態(tài)范圍大,因此如何有效地獲取區(qū)域精細(xì)化電離層特征參數(shù),如電離層總電子含量(Total Electron Content,TEC)、電子密度剖面等成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)[2].

現(xiàn)有的電離層探測(cè)手段主要分為地基和天基兩大類. 地基探測(cè)通過(guò)布設(shè)在地面的電離層設(shè)備發(fā)射或接收電離層探測(cè)信號(hào),通過(guò)相應(yīng)的反演方法獲取電離層信息. 典型的地基電離層探測(cè)手段包括電離層垂直探測(cè)儀、地面GNSS接收機(jī)等. 天基探測(cè)是隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展而興起的電離層探測(cè)技術(shù),其探測(cè)原理是將測(cè)量設(shè)備搭載在天基平臺(tái)上(如衛(wèi)星、空間站等),對(duì)電離層實(shí)現(xiàn)就位或遙感探測(cè),現(xiàn)有常用的天基電離層探測(cè)設(shè)備包括LEO掩星[3]、星載信標(biāo)[4]等.

面對(duì)海量的電離層探測(cè)數(shù)據(jù),如何合理利用這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)電離層特征參數(shù)的精確反演正日益成為世界各國(guó)的研究焦點(diǎn)之一. 作為在現(xiàn)代氣象數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中廣泛應(yīng)用的一種技術(shù),數(shù)據(jù)融合是實(shí)現(xiàn)空間環(huán)境的現(xiàn)報(bào)和預(yù)報(bào)從氣候?qū)W研究轉(zhuǎn)向天氣學(xué)應(yīng)用的熱點(diǎn)方向之一[5]. 數(shù)據(jù)融合能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種來(lái)源的觀測(cè)數(shù)據(jù)的綜合利用,把各種時(shí)空上不規(guī)則的零散分布的觀測(cè)資料“吸收”到背景模式中,從而實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)與背景模式的互補(bǔ)融合[6]. 隨著人類對(duì)電離層現(xiàn)報(bào)和預(yù)報(bào)要求的不斷提高,數(shù)據(jù)融合方法開始在電離層研究領(lǐng)域獲得了蓬勃的發(fā)展.

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了大量天地基電離層數(shù)據(jù)融合方面的探索與研究[7-10]. Mitchell等開發(fā)了一套多源數(shù)據(jù)分析軟件(Multi-Instrument Data Analysis System，MIDAS),該軟件基于三維時(shí)變電離層層析成像(Computerize Ionospheric Tomography,CIT)原理,能同時(shí)融合天、地基多種電離層測(cè)量數(shù)據(jù)重構(gòu)得到全球時(shí)變?nèi)S電離層電子密度信息[7]. Bust等基于三維變分同化技術(shù),以經(jīng)驗(yàn)電離層模型(Parameterized Ionospheric Model,PIM)為基礎(chǔ),構(gòu)建了電離層三維同化(Ionospheric Data Assimilation Three-Dimensional,IDA3D)模型,該模型具有天地基多源數(shù)據(jù)處理等功能,能夠同時(shí)處理包括地基GPS、掩星、衛(wèi)星信標(biāo)、測(cè)高儀等在內(nèi)的多種電離層探測(cè)數(shù)據(jù),從而獲取全球范圍內(nèi)的電離層變化信息[8]. 國(guó)內(nèi),樂(lè)新安等基于觀測(cè)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)方法初步構(gòu)建了一個(gè)中國(guó)區(qū)域的電離層數(shù)值同化現(xiàn)報(bào)預(yù)報(bào)系統(tǒng),該系統(tǒng)利用地基GPS數(shù)據(jù),結(jié)合卡爾曼濾波(Kalman Filter)方法對(duì)國(guó)際參考電離層(International Reference Ionosphere,IRI)模型進(jìn)行融合同化,獲得了較好的現(xiàn)報(bào)和預(yù)報(bào)結(jié)果[9];趙海生等提出一種融合地面垂測(cè)、斜測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星信標(biāo)數(shù)據(jù)等多數(shù)據(jù)源電離層聯(lián)合層析成像方法,提高了電離層融合反演的垂直分辨率[4];歐明等研究了地基GNSS和LEO掩星等多類觀測(cè)數(shù)據(jù)的融合同化方法,反演結(jié)果驗(yàn)證了掩星觀測(cè)對(duì)提高電離層反演垂直分辨率的有效性[10].

本文針對(duì)多源數(shù)據(jù)融合反演精細(xì)化電離層特征參量的需求,提出了一種能夠融合垂測(cè)儀、地基GNSS、衛(wèi)星信標(biāo)、天基掩星等天地基數(shù)據(jù)的電離層反演方法,該方法能夠綜合利用地面垂測(cè)獲取的單站foF2、hmF2及地基GNSS、衛(wèi)星信標(biāo)、天基掩星獲取的TEC實(shí)現(xiàn)多源探測(cè)數(shù)據(jù)的融合處理,獲得區(qū)域垂直TEC地圖、電離層電子密度剖面等多種特征參量信息.

1 天地基多源數(shù)據(jù)融合方法

1.1 基本原理

數(shù)據(jù)融合的基本原理是在充分利用模式提供的電離層背景信息(背景場(chǎng))/各類觀測(cè)儀器提供的電離層觀測(cè)信息及對(duì)模式和觀測(cè)數(shù)據(jù)的誤差的先驗(yàn)了解的基礎(chǔ)上,通過(guò)各類數(shù)學(xué)工具,給出一個(gè)背景模式和觀測(cè)數(shù)據(jù)間整體偏差最小的最優(yōu)估計(jì)結(jié)果[6].

本文以國(guó)際參考電離層IRI模型作為背景模型,綜合利用改進(jìn)的克里格(Kriging)插值技術(shù)及乘法代數(shù)重建技術(shù)(Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique,MART)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,從而實(shí)現(xiàn)將天地基各類觀測(cè)數(shù)據(jù)融合到IRI模型中的目的,以提高電離層特征參量的反演精度. 數(shù)據(jù)融合反演的基本原理可以表征為求解以下目標(biāo)函數(shù)J的過(guò)程:

min J=

(1)

式中: foF2,flag、hmF2,flag、CTEC,flag分布代表觀測(cè)或背景模型的foF2、hmF2、CTEC值,flag用obs或model表示,分別表示觀測(cè)值或背景模型值; (r,t)表示空間和時(shí)間變化.

1.2 電離層foF2/hmF2數(shù)據(jù)融合方法

基于多個(gè)垂測(cè)站的測(cè)量,本文提出利用改進(jìn)的Kriging插值方法重構(gòu)區(qū)域foF2和hmF2分布,再輸入到IRI中實(shí)現(xiàn)模型的更新,插值方法采用普通形式[11]. 融合過(guò)程如下: 首先,計(jì)算垂測(cè)儀觀測(cè)的foF2、hmF2與IRI模型在同一時(shí)刻、位置輸出值之間的增量:

ΔZ=Zionosonde-ZIRI.

(2)

式中: ΔZ表示垂測(cè)儀觀測(cè)的foF2或hmF2相對(duì)于IRI模型輸出值的增量. 同時(shí)定義“電離層距離”為:

(3)

式中: xa和ya分別為點(diǎn)a的經(jīng)度和緯度(單位為度); xb和yb分別為點(diǎn)b的經(jīng)度和緯度; F為尺度因子. 假設(shè)同一時(shí)刻觀測(cè)數(shù)據(jù)包含N個(gè)點(diǎn),第i個(gè)點(diǎn)(xi,yi)處的電離層特征值增量Δzi(foF2或hmF2),則其它任何位置(x0,y0)的電離層特征值增量Δz0可表示為Δzi的加權(quán)累加:

(4)

依據(jù)Kriging無(wú)偏估計(jì)與最優(yōu)估計(jì)理論,加權(quán)系數(shù)可以通過(guò)聯(lián)合求解下面N+1個(gè)方程組得到:

(5)

式中: Vij表示第i個(gè)點(diǎn)與第j個(gè)點(diǎn)的相關(guān)距離; λ為拉格朗日乘數(shù). 上述方程可以寫成矩陣的形式:

Vw=b.

(6)

式中: V為(N+1)×(N+1)的矩陣; w為(N+1)×1的向量,共包含N個(gè)權(quán)系數(shù)和一個(gè)λ; b為(N+1)×1的向量.

假設(shè)每個(gè)需要內(nèi)插的點(diǎn)位置為(x0,y0),VN0表示第N個(gè)已知點(diǎn)到(x0,y0)的“電離層距離”. 將各個(gè)點(diǎn)的相關(guān)距離Vij用dion直接替代,利用最小二乘估計(jì),可計(jì)算出(x0,y0)點(diǎn)值的權(quán)系數(shù)w=(VTV)-1VTb,帶入式(4)中即可重構(gòu)出增量值ΔZ0,i,再加上IRI模型的輸出即可得到區(qū)域的foF2和hmF2分布:

Zi=ZIRI,i+ΔZ0,i.

(7)

一般來(lái)講,對(duì)于中緯度地區(qū),尺度因子F可取值2.0[12]. 重構(gòu)得到的電離層foF2和hmF2可作為輸入?yún)?shù)“融合”到IRI模型中,從而達(dá)到更新IRI模型的目的.

1.3 電離層TEC數(shù)據(jù)融合方法

TEC可表示為各觀測(cè)信號(hào)沿傳播路徑上電子密度的積分:

D=∫sNe(r)ds

(8)

式中: D為射線路徑上的傾斜TEC (Slant TEC,STEC)觀測(cè)值; Ne(r)為路徑上的電離層電子密度; s為接收機(jī)至衛(wèi)星的視線路徑. 基于離散化反演理論,將待“融合反演”區(qū)域按經(jīng)度、緯度、高度方向劃分為三維網(wǎng)格,式(8)可以變換為下列線性方程組的問(wèn)題[7]:

(9)

式中: G是地基GNSS觀測(cè)的路徑數(shù)目; R是LEO掩星觀測(cè)的路徑數(shù)目; B是衛(wèi)星信標(biāo)的觀測(cè)路徑數(shù)目; N是網(wǎng)格數(shù); 向量d由地基GPS、掩星及衛(wèi)星信標(biāo)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)CSTEC,i組成; A是信號(hào)傳播路徑在離散化網(wǎng)格中的截距矩陣; X是未知電子密度的分布; e是測(cè)量與離散化后引入的誤差. 將式(9)進(jìn)行組合,可簡(jiǎn)化為以下形式:

d=AX+e.

(10)

(11)

2 數(shù)據(jù)融合反演結(jié)果分析

2.1 觀測(cè)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)

以中國(guó)區(qū)域?yàn)槔?OSSE的觀測(cè)資料包括地面垂測(cè)、GNSS、衛(wèi)星信標(biāo)及掩星觀測(cè)等. 其中地基數(shù)據(jù)來(lái)源于19個(gè)地面垂測(cè)站、23個(gè)GNSS接收站和8個(gè)衛(wèi)星信標(biāo)接收站的觀測(cè)數(shù)據(jù),臺(tái)站的具體位置分布如圖1所示;天基數(shù)據(jù)則主要來(lái)源于COSMIC星座(6顆72° 傾角低軌LEO衛(wèi)星組成)的掩星接收數(shù)據(jù),設(shè)定地面GNSS站和COSMIC衛(wèi)星可接收包括GPS衛(wèi)星和“北斗”衛(wèi)星的信號(hào),衛(wèi)星信標(biāo)接收機(jī)可接收COSMIC三頻段衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào).

背景場(chǎng)由IRI模型計(jì)算,觀測(cè)值采用PIM(Parameterize Ionospheric Model)模型計(jì)算得到. PIM模型與IRI模型在建模思路上存在較大不同,選擇PIM作為背景模型能在最大程度上檢驗(yàn)數(shù)據(jù)融合方法本身的性能[10,14]. 利用PIM模型即可計(jì)算出各地基GNSS觀測(cè)點(diǎn)、衛(wèi)星信標(biāo)接收點(diǎn)及COSMIC掩星測(cè)量的電離層STEC數(shù)據(jù)及各個(gè)垂測(cè)站觀測(cè)的foF2和hmF2數(shù)據(jù),為模擬測(cè)量噪聲的影響,相關(guān)數(shù)據(jù)均加入了一定的隨機(jī)擾動(dòng).

圖1 地面觀測(cè)站位置分布

考慮到單個(gè)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算資源有限,劃定緯度 13°N～55°N,經(jīng)度 70°E～140°E,高度100～2 000 km范圍為多源電離層數(shù)據(jù)融合區(qū)域,緯度間隔3°,經(jīng)度間隔5°,1 000 km以下高度間隔25 km,1 000 km以上高度間隔100 km, 每1小時(shí)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)融合.

2.2 數(shù)據(jù)融合反演結(jié)果分析

以2012年1月1日為例,圖2給出了數(shù)據(jù)融合前、后觀測(cè)系統(tǒng)射線路徑上的電離層STEC與真實(shí)的電離層TEC之間的比較結(jié)果. 從圖中可以看出,背景場(chǎng)(即IRI模型)的電離層STEC與觀測(cè)值相差較大,計(jì)算兩者間的絕對(duì)平均誤差為7.1 TECU,標(biāo)準(zhǔn)差為10.5 TECU,相關(guān)系數(shù)為0.91;數(shù)據(jù)融合后得到的結(jié)果與觀測(cè)值間差別明顯減小,其中絕對(duì)平均誤差降為0.15 TECU,標(biāo)準(zhǔn)差降為0.3 TECU,相關(guān)系數(shù)則達(dá)到0.99,數(shù)據(jù)融合后的反演結(jié)果與真實(shí)數(shù)據(jù)間的一致性非常好,驗(yàn)證了本文方法對(duì)STEC數(shù)據(jù)的有效“融合吸收”作用.

圖2 多源數(shù)據(jù)融合前后各觀測(cè)路徑的電離層STEC值比較

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的精度和穩(wěn)定性,對(duì)數(shù)據(jù)融合反演前、后所有網(wǎng)格點(diǎn)的電子密度的反演誤差進(jìn)行評(píng)估分析[10],分別定義:

(12)

(13)

圖3 多源數(shù)據(jù)融合前后所有網(wǎng)格點(diǎn)電離層電子密度誤差統(tǒng)計(jì)

3 討 論

地基GNSS可接收GPS和“北斗”衛(wèi)星數(shù)量多,對(duì)需要進(jìn)行電離層反演的區(qū)域能形成良好的空間覆蓋,但探測(cè)垂直分辨率較低;衛(wèi)星信標(biāo)數(shù)據(jù)可滿足電離層快速成像的需求,但受限于接收衛(wèi)星的軌道高度較低,探測(cè)數(shù)據(jù)的空間覆蓋性不足;地基垂測(cè)探測(cè)的垂直分辨率較高,但只能滿足電離層F2層以下電離層的探測(cè);COSMIC掩星由于存在水平方向的射線,其獲取的電子密度垂直分辨率較高,但在指定反演區(qū)域內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)較為有限．由于時(shí)空覆蓋性的不足,僅利用衛(wèi)星信標(biāo)、垂測(cè)或掩星單個(gè)手段的測(cè)量數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)三維電子密度反演．

以往數(shù)據(jù)融合研究中通常使用地基GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層三維電子密度反演,但由于存在觀測(cè)數(shù)據(jù)稀疏、觀測(cè)視角有限等原因,電離層反演數(shù)據(jù)存在垂直方向分辨率不高的問(wèn)題,從而導(dǎo)致較大的電子密度反演誤差,融合地基垂測(cè)或天基掩星觀測(cè)數(shù)據(jù),可有效提高區(qū)域或全球電子密度的反演精度[7-8,10]. 因此,本文以地基GNSS數(shù)據(jù)為電離層反演的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),依次融合衛(wèi)星信標(biāo)、垂測(cè)和COSMIC掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行三維電子密度反演,以分析不同數(shù)據(jù)組合對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)反演精度的影響．表1列出了多源數(shù)據(jù)探測(cè)的幾種典型的組合方式．

利用OSSE方法對(duì)不同數(shù)據(jù)組合條件下電離層電子密度平均誤差和均方根誤差隨時(shí)間的變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)比較,結(jié)果分別如圖4(a)、(b)所示. 從圖4可以看出,電離層電子密度反演誤差表現(xiàn)出了明顯的日變化特征,其主要特征為白天反演誤差較高,夜間較低,這與電離層的變化特征是一致的. 同時(shí),反演誤差隨著探測(cè)數(shù)據(jù)的增加而出現(xiàn)不同程度地下降. 其中GOB與GOX的反演結(jié)果較為相似,其主要原因?yàn)樾l(wèi)星信標(biāo)臺(tái)站較少,加上COSMIC衛(wèi)星運(yùn)行角速度較大,參與反演的數(shù)據(jù)較少的緣故. 各數(shù)據(jù)組合反演精度表現(xiàn)為: GOBI>GOB>GOX>GNSS (”>”表示優(yōu)于),特別是融入垂測(cè)和掩星數(shù)據(jù)后,白天(00:00UT-10:00UT)的反誤差相比僅僅依靠地基GNSS更是有了明顯的改善. 結(jié)果表明在多源數(shù)據(jù)融合過(guò)程中,適當(dāng)加入部分垂測(cè)數(shù)據(jù)和LEO掩星的水平射線參與反演能有效改善電子密度的反演精度. 但由于存在觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差、觀測(cè)數(shù)據(jù)空間分布稀疏、數(shù)據(jù)插值誤差等原因[4],經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合處理的電子密度剖面依然存在一定的反演誤差, 例如在夜間的20:00-23:00UT,如圖4(a)所示,GOBI組合的絕對(duì)反演誤差甚至比GOB和GOX組合稍大些. 但必須指出的是,此時(shí)反演電子密度剖面以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),完全克服了背景模型的限制,GOBI的RMS誤差變化較為平穩(wěn),如圖4(b),基本維持在0.2×1011～0.5×1011el.m-3的水平,表明加入垂測(cè)數(shù)據(jù)和LEO掩星等數(shù)據(jù)后,反演結(jié)果的穩(wěn)定性更高.

表1 多源數(shù)據(jù)組合分類表(符號(hào)” √”表示指定的數(shù)據(jù)包含在對(duì)應(yīng)組合內(nèi),”×”表示不包含該數(shù)據(jù))

(a) 電子密度平均誤差(ME)

(b) 電子密度均方根誤差(RMS)圖4 不同數(shù)據(jù)組合條件下的電離層電子密度反演誤差分析

4 結(jié) 論

基于天地基GNSS、LEO掩星、衛(wèi)星信標(biāo)、垂測(cè)儀等多源數(shù)據(jù),本文提出了一種能夠融合天地基多源數(shù)據(jù)的電離層反演方法. 以中國(guó)區(qū)域?yàn)槔?利用OSSE方法,選擇實(shí)際的GNSS、COSMIC衛(wèi)星星歷得到數(shù)據(jù)融合的觀測(cè)構(gòu)型,并采用PIM模型進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)的模擬,實(shí)現(xiàn)了IRI模型與多源數(shù)據(jù)之間的有效融合,得到以下結(jié)論:

1) 本文采用改進(jìn)的Kriging插值技術(shù)并結(jié)合乘法代數(shù)重建方法進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合,基于OSSE融合反演的電離層STEC及電子密度誤差相比背景模型均有顯著下降,其中STEC絕對(duì)平均誤差從7.1 TECU降為0.15 TECU,標(biāo)準(zhǔn)差從10.5 TECU降至0.32 TECU; 電子密度從0.8×1011el.m-3降至0.4×1011el.m-3; 均方根誤差從1.3×1011el.m-3降為0.8×1011el.m-3,反演結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的精度和穩(wěn)定性.

2) 本文分析了不同探測(cè)手段組合對(duì)融合反演精度的影響,結(jié)果表明反演誤差隨著探測(cè)數(shù)據(jù)的增加而出現(xiàn)不同程度地下降,特別是融入垂測(cè)儀和掩星觀測(cè)對(duì)反演精度的提升作用較為明顯,建議在我國(guó)未來(lái)的電離層觀測(cè)系統(tǒng)中更多地考慮加入垂測(cè)和掩星數(shù)據(jù).

本項(xiàng)研究經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的改進(jìn)和完善,可為提升和優(yōu)化我國(guó)現(xiàn)有電離層觀測(cè)系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù).為提高海洋區(qū)域的電離層反演精度,可在數(shù)據(jù)融合過(guò)程中研究加入更多的天基電離層探測(cè)數(shù)據(jù),如海洋測(cè)高雷達(dá)、朗繆爾探針的探測(cè)數(shù)據(jù)等[15]，以提高海洋區(qū)域上空的電離層探測(cè)的有效數(shù)據(jù)量,這也是本文未來(lái)的研究方向.

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歐明 (1984-)，男，江西人，現(xiàn)為武漢大學(xué)電子信息學(xué)院博士研究生,主要研究方向?yàn)殡婋x層探測(cè)及建模技術(shù).

甄衛(wèi)民 (1963-),男,河北人,中國(guó)電波傳播研究所研究員,博士生導(dǎo)師.現(xiàn)任中國(guó)GPS協(xié)會(huì)理事,中國(guó)空間學(xué)會(huì)空間物理專業(yè)委員會(huì)委員,《全球定位系統(tǒng)》雜志編委等.主要從事空間環(huán)境、電磁環(huán)境和導(dǎo)航領(lǐng)域的研究.

A combined ionosphere inversion method by data fusion of space and ground-based multisource observations

OU Ming1,2ZHEN Weimin2ZHANG Shisheng3ZHAO Shufan4YU Xiao1,2XU Jisheng1

(1.SchoolofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430079,China; 2.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China; 3.No.92038TroopsofPLA,Qingdao266100,China; 4.InstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China)

Data fusion is an important way which can be used for accurate inversion of ionosphere. In this paper, a combined ionosphere inversion method by multisource data fusion of space and ground-based observations is proposed. Measurements obtained by ground-based GNSS, low earth orbit(LEO) occultation, beacon and ionosonde are chosen as observation system to do simulation experiment. International Reference Ionosphere (IRI) is chosen to be the background model, while an improved Kriging interpolation method and multiplicative algebraic reconstruction technique (MART) are utilized for effective multisource data assimilation. Inversion results by observation system simulation experiment (OSSE) taking China for example show that it can obtain a good estimation of total electron content (TEC) and ionospheric electron density (IED) by ingesting the multisource data into the IRI model. Errors of the TEC and electron density are significantly reduced after data fusion. Ingestion of ground-based ionosonde and space-based occulta- tion can greatly improves the accuracy of retrieved electron density of the observation system which only relies on the ground-based GNSS. This work will benefit the optimization of the ionospheric observation system in China.

data fusion; ionosphere; Kriging interpolation; MART; OSSE

10.13443/j.cjors. 2015123001

2015-12-30

科技部國(guó)際科技合作專項(xiàng)(2011DFA-22270,2014DFR21280)

P352

A

1005-0388(2016)04-0713-07

李林茜 (1985-),男,新疆人,博士研究生,主要研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué).

歐明, 甄衛(wèi)民, 張時(shí)生, 等.一種融合天地基多源數(shù)據(jù)的電離層反演方法[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(4):713-719.

OU M, ZHEN W M, ZHANG S S, et al. A combined ionosphere inversion method by data fusion of space and ground-based multisource observations [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(4):713-719.(in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015123001

聯(lián)系人： 歐明 E-mail:ohm1122@163.com