磁暴期間中低緯度地區電離層擾動特性的層析成像研究

《磁暴期間中低緯度地區電離層擾動特性的層析成像研究》是依託長沙理工大學，由聞德保擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：磁暴期間中低緯度地區電離層擾動特性的層析成像研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：聞德保
• 依託單位：長沙理工大學

項目摘要

旨在解決目前三維電離層層析成像模型不能有效地反映磁暴發生期間電離層擾動的瞬時變化和小尺度電離層擾動結構的問題，深入研究和發展基於GNSS 的四維電離層層析成像理論、技術與方法，提高磁暴發生期間電離層電子密度反演精度和計算效率。主要包括：適應四維電離層層析反演要求，研究如何快速、準確、可靠地實現不同類型地基和空基掩星觀測數據質量的控制；利用多源信息分析電離層電子密度變化與時間的耦合關係，建立一種新的四維電離層層析模型，以提高電離層電子密度反演的精度和時空解析度，進一步明晰反演結果的物理意義；深入系統地分析四維電離層層析成像系統中係數矩陣中零元素的分布特點，研究一種適用於時變四維電離層層析模型反演要求的稀疏矩陣編碼壓縮新方法，提高電離層電子密度反演效率；反演不同強度磁暴發生期間中低緯度地區電離層結構的擾動特性，掌握其時空演化規律，探索利用該技術進行磁暴等空間天氣預報預警的可能性。

結題摘要

本項目旨在解決目前三維電離層層析模型不能有效地反映磁暴發生期間電離層擾動的瞬時變化和小尺度電離層擾動結構的問題，以及電離層層析反演中的關鍵算法研究問題，深入研究和發展基於GNSS的電離層層析成像理論、技術和方法，提高磁暴發生期間電離層電子密度反演精度和計算效率。針對上述問題，本項目取得了如下研究成果：1 構建了一種新的電離層層析模型常用的離散像素的電離層層析模型由於所劃分的像素相互不重疊，且在選擇的反演時段內假定每個像素內電子密度是不變的，導致重構圖像解析度較差。針對上述問題，本項目在研究過程中提出了一種基於球形泡基的時變電離層層析模型，新模型將電離層空間離散化為一系列相互重疊的球形泡，通過分析大量觀測數據，得到了電子密度隨時間變化的近似關係，提高了電離層延遲改正精度。2 將選權擬合法拓展套用到電離層電子密度層析重構中附加約束的電離層層析算法是解決電離層電子密度反演過程中不適定問題的主要方法，為避免此類方法中約束權陣的選取不當對電子密度分布重構產生的不良影響，創新性地將選權擬合法套用到電離層層析成像技術中，該方法特別設計了參數權矩陣的構造方案，增加了信息量，有效地解決電離層電子密度反演過程中由於觀測數據的不足等因素引起的不適定問題，得到符合客觀實際的結果，確保了反演結果的物理意義。數值模擬實驗和實測數據的反演結果證實了該算法有效性、可靠性和優越性。3 提出了兩種新的電離層層析稀疏矩陣壓縮算法在利用疊代重構算法重構電離層電子密度時，由於觀測數據的不完備性，導致反演方程中係數矩陣通常呈現稀疏性，制約了反演精度和效率，新提出的兩種稀疏矩陣壓縮算法通過附加合理的約束條件，有效地解決了上述問題。數值模擬實驗和實測數據的反演結果證實了兩種新算法的可行性，相關研究成果有效地解決了北斗導航衛星延遲偏差修正問題。4. 分析了磁暴期間中低緯地區電離層變化特性並利用中國區域GNSS數據反演了中低緯地區電離層周日變化特性，系統第分析了磁暴期間北半球赤道異常結果的形成、發展和消亡過程，以及中低緯地區電離層結構的時空變化規律，為了解和認識中低緯度地區電離層複雜特性提供了實驗支持。