低纬地区GPS电离层闪烁分布特征研究

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电离层闪烁是指电离层中的电子密度不规则体引起穿电离层传播的无线信号的幅度、相位、偏振方向等的快速、随机扰动。低纬地区是电离层闪烁发生频率最高、强度最大的地区。低纬地区的电离层闪烁能对全球定位系统(GPS)、北斗卫星导航系统等卫星导航系统造成严重的影响。本文利用 2012 年三亚(地理坐标:18.3°N, 109.6°E;地磁纬度:8.27°N)和桂林(地理坐标:25.29°N,110.33°E;地磁纬度:15.04°N)的GPS电离层闪烁观测数据对中国低纬地区L波段电离层闪烁特征进行了统计和分析,这对我国低纬地区L波段电离层闪烁的研究具有十分重要的科学意义。本文的工作内容和研究结果如下。  一、首先根据GPS电离层闪烁发生时幅度闪烁指数S4的变化特征,研究了电离层闪烁自动识别的方法。分别利用三亚、桂林和澳大利亚台站的 GPS 电离层闪烁观测数据,验证了本文提出的电离层闪烁自动识别方法的可靠性。然后,利用电离层闪烁自动识别方法,通过编程自行开发了两套基于 matlab 的系统,即电离层闪烁数据查询与可视化系统和电离层闪烁数据统计分析系统。电离层闪烁数据查询与可视化系统实现了对任意一天 GPS 电离层闪烁观测数据的自动处理,自动识别当天发生闪烁的GPS卫星,用不同颜色显示当天各颗卫星的幅度闪烁指数S4随世界时(universal time,简称 UT)的变化,在发生闪烁的卫星的星下点轨迹上标示闪烁发生的地理位置和时间。电离层闪烁数据统计分析系统能根据一段时间内的 GPS 电离层闪烁观测数据,自动统计GPS电离层闪烁现象的时空分布特征,包括对GPS电离层闪烁随世界时、月份变化的特征和 GPS 电离层闪烁发生的地理位置和仰角方位角分布特征等进行自动统计分析。上述两套系统的开发为分析处理多年的 GPS 电离层闪烁观测数据和研究电离层闪烁现象时空分布特征提供了便利。  二、利用电离层闪烁数据统计分析系统对2012年三亚和桂林的GPS电离层闪烁观测数据进行了统计分析。统计结果表明,三亚和桂林两地闪烁的相同点是:闪烁是一种夜间现象,主要发生在12-18 UT;闪烁具有季节性,在春季和秋季发生频繁;闪烁在台站西向的发生率大于东向。三亚和桂林两地闪烁的不同点是:三亚闪烁比桂林闪烁的发生频率大且持续时间长,桂林比三亚闪烁的强度大;强闪烁主要发生在三亚以北、桂林以南地区。只要当天两地的闪烁观测数据无缺失,若桂林观测到闪烁现象,则三亚一定观测到闪烁现象,且三亚的闪烁现象开始时间比桂林的提前。但是,三亚观测到闪烁现象的当天,桂林有时未观测到闪烁现象。  三、2012 年春秋季三亚和桂林的闪烁活动频繁,为了探究两地电离层闪烁现象发生的原因,将2012年春秋季三亚和桂林两地的GPS闪烁情况分为三亚和桂林都观测到闪烁、仅三亚观测到闪烁、三亚和桂林都未观测到闪烁三种情况,分别统计三种情况下闪烁发生的日期。利用2012年春季和秋季上述三种情况发生日期的三亚hmF2 (F2层峰高)数据和hF(F层虚高)数据,分别求出三种情况下各时刻的hmF2平均值和hF平均值。结果表明,在11-12 UT(即18.3-19.3 LT)期间,三亚和桂林都观测到闪烁活动情况下的hmF2和hF的抬升速度最大、抬升高度最高,仅三亚观测到闪烁活动情况下的hmF2和hF的抬升速度次之、抬升高度次之,两地都未观测到闪烁活动情况下的hmF2和hF的抬升现象不明显。低纬地区电离层闪烁主要由夜间F层电子密度不规则体引起。在磁赤道地区,日落期间(即18.5-19.5 LT)的东向电场反向前增强引起等离子体垂直漂移速度增大,导致F层快速抬升并在F层底部形成陡峭向上的电子密度梯度,使电子的分布呈不稳定状态。在R-T不稳定性的作用下,在磁赤道F层底部生成的低电子密度的等离子体泡上升到达一定高度后,分裂为较小尺度的电子密度不规则体,并沿着地磁场线向南北方向扩散。GPS卫星信号穿越这些电子密度不规则体时引起闪烁的发生。因此,日落期间的东向电场强度越大,则 F层等离子体垂直漂移速度越大,F层抬升的高度越高,导致电子密度不规则体沿地磁场线扩散到更高的纬度,引起位于较高纬度的桂林发生闪烁活动。
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