磁暴期间中低纬度地区电离层扰动特性的层析成像研究

旨在解决目前三维电离层层析成像模型不能有效地反映磁暴发生期间电离层扰动的瞬时变化和小尺度电离层扰动结构的问题，深入研究和发展基于GNSS 的四维电离层层析成像理论、技术与方法，提高磁暴发生期间电离层电子密度反演精度和计算效率。主要包括：适应四维电离层层析反演要求，研究如何快速、准确、可靠地实现不同类型地基和空基掩星观测数据质量的控制；利用多源信息分析电离层电子密度变化与时间的耦合关系，建立一种新的四维电离层层析模型，以提高电离层电子密度反演的精度和时空分辨率，进一步明晰反演结果的物理意义；深入系统地分析四维电离层层析成像系统中系数矩阵中零元素的分布特点，研究一种适用于时变四维电离层层析模型反演要求的稀疏矩阵编码压缩新方法，提高电离层电子密度反演效率；反演不同强度磁暴发生期间中低纬度地区电离层结构的扰动特性，掌握其时空演化规律，探索利用该技术进行磁暴等空间天气预报预警的可能性。

本项目旨在解决目前三维电离层层析模型不能有效地反映磁暴发生期间电离层扰动的瞬时变化和小尺度电离层扰动结构的问题，以及电离层层析反演中的关键算法研究问题，深入研究和发展基于GNSS的电离层层析成像理论、技术和方法，提高磁暴发生期间电离层电子密度反演精度和计算效率。针对上述问题，本项目取得了如下研究成果：. 1 构建了一种新的电离层层析模型. 常用的离散像素的电离层层析模型由于所划分的像素相互不重叠，且在选择的反演时段内假定每个像素内电子密度是不变的，导致重构图像分辨率较差。针对上述问题，本项目在研究过程中提出了一种基于球形泡基的时变电离层层析模型，新模型将电离层空间离散化为一系列相互重叠的球形泡，通过分析大量观测数据，得到了电子密度随时间变化的近似关系，提高了电离层延迟改正精度。. 2 将选权拟合法拓展应用到电离层电子密度层析重构中. 附加约束的电离层层析算法是解决电离层电子密度反演过程中不适定问题的主要方法，为避免此类方法中约束权阵的选取不当对电子密度分布重构产生的不良影响，创新性地将选权拟合法应用到电离层层析成像技术中，该方法特别设计了参数权矩阵的构造方案，增加了信息量，有效地解决电离层电子密度反演过程中由于观测数据的不足等因素引起的不适定问题，得到符合客观实际的结果，确保了反演结果的物理意义。数值模拟实验和实测数据的反演结果证实了该算法有效性、可靠性和优越性。. 3 提出了两种新的电离层层析稀疏矩阵压缩算法. 在利用迭代重构算法重构电离层电子密度时，由于观测数据的不完备性，导致反演方程中系数矩阵通常呈现稀疏性，制约了反演精度和效率，新提出的两种稀疏矩阵压缩算法通过附加合理的约束条件，有效地解决了上述问题。数值模拟实验和实测数据的反演结果证实了两种新算法的可行性，相关研究成果有效地解决了北斗导航卫星延迟偏差修正问题。. 4. 分析了磁暴期间中低纬地区电离层变化特性. 并利用中国区域GNSS数据反演了中低纬地区电离层周日变化特性，系统第分析了磁暴期间北半球赤道异常结果的形成、发展和消亡过程，以及中低纬地区电离层结构的时空变化规律，为了解和认识中低纬度地区电离层复杂特性提供了实验支持。