IGS組織的全球電離層數據分析與比較

電離層上接外層空間，下連中層大氣，在地球和太陽系之間具有承上啟下的作用。它是不斷變化的復雜性開放系統，對現代無線電工程系統和人類活動具有重要影響，電離層的研究既復雜又極具有意義，研究電離層不僅有利于認識其本身，而且有助于推動相關電離層理論的科學研究。當GPS信號穿過電離層時，受電離層影響會產生電離延遲，該延遲是制約GPS導航定位精度的最大因素，其內部原因主要是其電離層TEC的不斷變化，這種干擾對定位造成幾十到幾百米的影響，高精度的定位必須對電離層進行誤差修正，電離層TEC的變化可以通過地基GPS、電離層探測儀等方法進行檢測。本文根據觀測站電離層TEC數據分析，對電離層電子含量變化的研究不僅能夠很好的預測電離層TEC的變化趨勢、提高構建電離層TEC模型的效率，而且能夠使GPS導航定位更加精確，削弱了電離層延遲誤差對定位的影響。通過對地區電離層電子數目變化的探討研究，總結電離層TEC一天隨時間的變化，并將線性模型進行擴展到其他區域。最后對數據進行分析，發現其變化規律，從而為精確導航提供電離層TEC的數據參考。

20世紀90年代起隨著GPS技術的廣泛應用，為電離層研究帶來了飛躍式的發展。GPS是一種以無線電信號傳播至衛星進行定位的導航系統，利用GPS進行導航定位時精度非常重要，無線電以波的形式傳播，當其穿過電離層時會產生延遲，該延遲嚴重制約了GPS的應用。電離層的結構非常復雜，電離層TEC是重要的電離層特征參數，通過TEC可獲得電離層延遲誤差。我軍目前對定位系統要求很高，在戰場上更是至關重要。到目前為止，我國還沒有形成符合特定區域電離層TEC預報平臺，并且我國上空有很多TEC盲點，有必要對電離層TEC變化規律以及模型建立等進行深入研究。隨著各個領域對GPS的需求增多，定位的精度要求更高，許多科學技術與應用領域對于電離層無線電傳播的研究與日俱增。同時電離層研究在軍事、經濟等領域也有著重要的實際意義，已被我國列入戰略主體研究項目。

本文的研究是在當前我國沒有較合適的電離層TEC預報的情況下，電離層形勢復雜條件下，為更好對區域進行電離層TEC進行精度檢驗、建立電離層TEC數據庫。本文將通過建立區域電離層線性模型尋找TEC在一日之內的變化規律，并對數據進行精度檢驗、進一步發現模型意義。

1.對電離層TEC進行檢測和數據分析，并研究得到其發展規律，對電離層活動進行分析，提高GPS導航定位的精度，為區域電離層的研究提供給模型支持，從而為我軍定位精度提供有力保障。

2.電離層影響著人類航空航天事業、無線電波傳播以及地球空間環境學，它涉及多門科學領域的交叉科學，研究其變化規律就相當于打好了基礎，為其他領域的學科提供了有力的數據支持，加快其他科學研究的進程。

3.能夠根據電離層TEC數據預測地震、太陽黑子數目變化，運用至導航定位系統中能減少誤差提高精度。

4.能夠通過模型和數據分析對區域未知點上空的電離層TEC進行計算，建立數據庫。

根據研究發現電離層電子數量是時間的函數。太陽活動具有周期性，2000年是太陽黑子運動最強烈的一年，太陽黑子周期約為11年，2011年是太陽活動的高峰期，我選擇武漢在2006年至2010年這五年太陽活動相對穩定的數據進行分析和2011年這一年進行比較，TEC是地方時的函數，并且分析得出每個時間段的電離層TEC具有很強的相關性，并且不同年份的電離層TEC平均每日走勢大相徑庭。查詢大量數據分析得出0：00-6：00區間電離層TEC明顯增多，之后呈現下降趨勢，在15：00開始趨于穩定，直到夜間22：00-次日0：00電離層TEC數目開始增多，循環往復呈現出規律性，并且初步知曉在正午14：00-20：00電離層TEC處于穩定狀態，這個時間段GPS定位導航的精度受電離層的影響減弱。相比前五年，2011電離層TEC的含量由于太陽黑子的運動加大，數量明顯上升，對GPS定位的精確度影響也越大。基于對武漢地區6年來電離層TEC的變化分析，得到了電離層TEC隨時間變化的規律，從而探究其他地區電離層是否也有相關規律，查閱資料發現電離層TEC每日的變化具有規律性，與武漢地區總結出的隨時間變化情況不謀而合，并且都是在中午電離層TEC的波動最小，處于穩定狀態，在凌晨電離層TEC數量變化明顯，波動劇烈，而且上午電離層TEC的數目普遍多于下午。查詢可知2011年太陽活動劇烈，在電離層TEC波動劇烈的情況下，會干擾測量精度，在一天內某些測量工程需要在電離層TEC較穩定的時間段進行觀測，有了區域電離層TEC隨時間的變化規律，就可以大致估計電離層TEC的穩定情況，這就為今后測量工作打下良好基礎。

當然國內學者也做了大量的研究。函數模型主要包括：三角級數模型、線性模型、多項式模型、球冠諧函數模型等，1999年劉經南等基于中國的廣域差分系統論述了利用多項式建立區域電離層模型的方法；同年許才軍通過梯度模型擬合區域電離層TEC同時求解延遲偏差；袁運斌等提出站際區分法來估計格網電離層延遲，利用球諧模型建立全球電離層模型；章紅平等基于中國區域電離層模型分析了TEC的變化特征；從國內專家學者的研究可以看出近幾年來我國對電離層的研究重視程度和發展速度。

通過IRI2007國際參考電離層平臺上搜索數據驗證模型，通過對模型的數據分析與整理總結出電離層TEC日變化規律，并對區域內未知點上空電離層TEC進行計算，并分析電離層TEC在同地區不同范圍、不同地區的精度，本文主要工作是分析模型和大量數據的搜索與處理，更是將理論與建模計算相結合，實現了對未知點上空電離層TEC的求解，為相關科學領域進行了數據支持。

經過對相關模型分析與自建區域線性模型數據分析從而推出相關結論：

1.根據電離層TEC相關數據分析：實際TEC與采用線性模型計算得到的TEC吻合程度較好，說明利用一定區域內上空的已知的電離層TEC，采用電離層TEC線性模型求解區域內未知點的TEC方法可行，能夠應用于實際電離層求解。

2.從數據分析出武漢、北京和新疆三個地區電離層TEC變化得出，在0：00-6：00時間段內電離層TEC明顯增多，之后呈現下降趨勢，在15：00開始趨于穩定，直到夜間22：00到次日0：00 電離層TEC數目開始增多，循環往復呈現出規律性，并且可以看出在14：00-20：00時間段內電離層TEC較為穩定，這個時間段電離層TEC變化情況微小，對衛星導航及測量等的影響較小。

3.電離層TEC線性模型，很大程度上促進了對未知點上空電離層TEC數據的探索，并針對那些盲區進行計算求解，根據變化規律預報區域電離層TEC。對電離層相關學科提供數據支持。

4.根據數據進行分析，不同的區域計算電離層TEC的精度良好，但因為區域經緯度不同、地處區域季節等因素的影響，不能判斷不同區域大小對精度的影響。進一步處理同地區同條件下不同范圍P點的數據發現，小區域比大范圍計算出的相同經緯度下P點的精度要高。

文章雖然進行了大量數據分析總結規律但在建模時規定模型為矩形，并且未知點必須在區域內。這就大大局限了電離層TEC線性模型的運用，本文需要在模型運用的范圍進行拓展。

其次文章運用武漢、北京、新疆三個區域進行模型分析，數據循序漸進，但對數據的分析還應該更加全面細致，如判斷不同地區影響電離層TEC精度可能是經緯度、季節氣候、地形等因素，完成工作還需要控制變量和更多數據支持。最后探究小區域內電離層TEC的求解，并未擴大區域范圍，下一步將擴大區域范圍，運用于全國乃更大范圍，進一步驗證電離層TEC線性模型的精度和使用范圍。這些不足不僅是下一步發展方向更是改革創新的新起點。

作者簡介

文嘉琪，新疆烏魯木齊市，本科，研究方向：科學研究。