GNSS三維電離層層析算法及電離層擾動研究

湯 俊

華東交通大學測繪工程研究所，江西 南昌330013

電離層總電子含量（total electron content，TEC）是一個重要的電離層物理參量，對電離層物理的理論研究以及電波傳播的應用研究有著十分重要的意義。然而，在理論和應用研究過程中，基于單層假設(shè)的電離層TEC空間分布只能反映電離層的水平結(jié)構(gòu)，而難以反映電離層的垂直結(jié)構(gòu)。

電離層層析成像（computerized ionospheric tomography，CIT）技術(shù)的出現(xiàn)為監(jiān)測電離層垂直結(jié)構(gòu)提供了可能。該技術(shù)通過對電離層進行分層研究，不僅克服了單層模型的局限，而且適合于監(jiān)測大尺度的電離層電子密度垂直分布及其擾動。GNSS電離層層析作為一種全新的電離層探測技術(shù)，對電離層形態(tài)和擾動研究的發(fā)展有著重大推動作用。近年來，該技術(shù)取得了長足的發(fā)展，但由于GNSS電離層層析問題的復雜性，還有許多問題尚待進一步研究。

本文緊跟國際相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點，系統(tǒng)地分析了電離層層析反演過程中不適定問題產(chǎn)生的原因以及常用重構(gòu)算法存在的問題，并提出了相應的解決方法。同時，探討了基于多源數(shù)據(jù)的電離層層析技術(shù)。最后，利用本文提出的方法，對磁暴環(huán)境下的實測GNSS觀測數(shù)據(jù)進行了處理和重構(gòu)成像，獲得了一些有重要科學意義的結(jié)果。

具體而言，本文的主要研究內(nèi)容如下：

（1）針對代數(shù)重構(gòu)算法存在迭代收斂速度慢和計算精度低的缺點，提出了一種基于總變差最小化的三維代數(shù)重構(gòu)算法。該算法是將每一次利用代數(shù)重構(gòu)算法計算的結(jié)果進行總變差最小化約束，使其達到加快迭代收斂速度和提高重構(gòu)精度的目的。數(shù)值模擬試驗和實測數(shù)據(jù)重構(gòu)結(jié)果證實了該方法的有效性，通過與改進的代數(shù)重構(gòu)算法相比，新算法表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。

（2）針對聯(lián)合迭代重構(gòu)算法存在迭代收斂速度慢和計算精度低的缺點，提出了一種自適應地聯(lián)合迭代重構(gòu)算法，該算法利用上一輪的電離層電子密度反演結(jié)果，自適應地調(diào)整松弛因子和加權(quán)參數(shù)。通過模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)對該算法的反演結(jié)果進行了驗證，并將得到的反演結(jié)果與電離層測高儀數(shù)據(jù)進行了比較。

（3）對于GNSS電離層層析問題，由于GNSS觀測站幾何分布條件的限制，實際用于層析的觀測數(shù)據(jù)通常情況下是不充足的，Tikhonov正則化是一種解決此問題的有效方法。然而，利用單一的Tikhonov正則化算法會過度光滑反演的電子密度。針對此問題，提出了一種基于Tikhonov正則化和總變差正則化組合的混合正則化算法進行反演研究。通過模擬試驗和實測數(shù)據(jù)試驗，驗證了該算法的優(yōu)越性和穩(wěn)定性。

（4）由于觀測信息的不足而導致反演過程中出現(xiàn)不適定問題，電離層層析成像技術(shù)難以完全依賴算法的改進來提高層析質(zhì)量。充分有效地發(fā)掘和利用多種數(shù)據(jù)源進行層析反演是一條更為有效的途徑。本文基于GNSS觀測數(shù)據(jù)、低軌衛(wèi)星上的掩星觀測數(shù)據(jù)、Jason－1和Jason－2海洋衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)以及電離層測高儀數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)融合的電離層層析反演。并利用非相干散射雷達的觀測數(shù)據(jù)對多源數(shù)據(jù)聯(lián)合反演的結(jié)果進行了比較分析。

（5）利用中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)以及IGS提供的中國及周邊地區(qū)的GPS觀測資料，借助于電離層層析成像和測高儀探測技術(shù)，研究分析了2013年3月17日一次中等磁暴期間中國地區(qū)上空出現(xiàn)的電離層擾動。比較分析了磁暴期間區(qū)域上空電離層電子密度和TEC的時空變化。同時，給出其上空的電離層TEC擾動圖像以及電子密度圖像。最后，利用互譜分析法對電離層TEC擾動進行了分析，得到了該次擾動的傳播參量。