GNSS三维电离层层析算法及电离层扰动研究

汤 俊

华东交通大学测绘工程研究所，江西 南昌330013

电离层总电子含量（total electron content，TEC）是一个重要的电离层物理参量，对电离层物理的理论研究以及电波传播的应用研究有着十分重要的意义。然而，在理论和应用研究过程中，基于单层假设的电离层TEC空间分布只能反映电离层的水平结构，而难以反映电离层的垂直结构。

电离层层析成像（computerized ionospheric tomography，CIT）技术的出现为监测电离层垂直结构提供了可能。该技术通过对电离层进行分层研究，不仅克服了单层模型的局限，而且适合于监测大尺度的电离层电子密度垂直分布及其扰动。GNSS电离层层析作为一种全新的电离层探测技术，对电离层形态和扰动研究的发展有着重大推动作用。近年来，该技术取得了长足的发展，但由于GNSS电离层层析问题的复杂性，还有许多问题尚待进一步研究。

本文紧跟国际相关领域的研究热点，系统地分析了电离层层析反演过程中不适定问题产生的原因以及常用重构算法存在的问题，并提出了相应的解决方法。同时，探讨了基于多源数据的电离层层析技术。最后，利用本文提出的方法，对磁暴环境下的实测GNSS观测数据进行了处理和重构成像，获得了一些有重要科学意义的结果。

具体而言，本文的主要研究内容如下：

（1）针对代数重构算法存在迭代收敛速度慢和计算精度低的缺点，提出了一种基于总变差最小化的三维代数重构算法。该算法是将每一次利用代数重构算法计算的结果进行总变差最小化约束，使其达到加快迭代收敛速度和提高重构精度的目的。数值模拟试验和实测数据重构结果证实了该方法的有效性，通过与改进的代数重构算法相比，新算法表现出明显的优越性。

（2）针对联合迭代重构算法存在迭代收敛速度慢和计算精度低的缺点，提出了一种自适应地联合迭代重构算法，该算法利用上一轮的电离层电子密度反演结果，自适应地调整松弛因子和加权参数。通过模拟数据和实测数据对该算法的反演结果进行了验证，并将得到的反演结果与电离层测高仪数据进行了比较。

（3）对于GNSS电离层层析问题，由于GNSS观测站几何分布条件的限制，实际用于层析的观测数据通常情况下是不充足的，Tikhonov正则化是一种解决此问题的有效方法。然而，利用单一的Tikhonov正则化算法会过度光滑反演的电子密度。针对此问题，提出了一种基于Tikhonov正则化和总变差正则化组合的混合正则化算法进行反演研究。通过模拟试验和实测数据试验，验证了该算法的优越性和稳定性。

（4）由于观测信息的不足而导致反演过程中出现不适定问题，电离层层析成像技术难以完全依赖算法的改进来提高层析质量。充分有效地发掘和利用多种数据源进行层析反演是一条更为有效的途径。本文基于GNSS观测数据、低轨卫星上的掩星观测数据、Jason－1和Jason－2海洋卫星测高数据以及电离层测高仪数据，实现了多源数据融合的电离层层析反演。并利用非相干散射雷达的观测数据对多源数据联合反演的结果进行了比较分析。

（5）利用中国大陆构造环境监测网络以及IGS提供的中国及周边地区的GPS观测资料，借助于电离层层析成像和测高仪探测技术，研究分析了2013年3月17日一次中等磁暴期间中国地区上空出现的电离层扰动。比较分析了磁暴期间区域上空电离层电子密度和TEC的时空变化。同时，给出其上空的电离层TEC扰动图像以及电子密度图像。最后，利用互谱分析法对电离层TEC扰动进行了分析，得到了该次扰动的传播参量。