基于多源空间数据的电离层层析算法及在暴时极区电离层异常中的应用

As the significant part of the earth environment system, the ionosphere contains both the regular periodic variation and irregular disturbance. In the Polar Regions, the disturbance sources are more abundant than other regions, especially during the geomagnetic storm, such mechanisms as magnetic reconnection make the polar ionosphere become the trigger area for many global ionospheric anomalies. In this project, the multi-source data are combined to monitor the dimensional polar ionosphere state with high accuracy and spatial and temporal resolution. With fusion algorithm, the 2D images (the electron density images and the ROTI images) are estimated and printed, and then the occurring location and time, 2D morphology could be defined. Furthermore, we propose a new computerized ionosphere tomography algorithm considering the ionosphere mapping function. The new algorithm introduces the mapping function to the tomography process and decreases the tomography layers to insure the model accuracy, then the model parameters are solved with the Kalman filter. The observation data of polar GNSS network and Low-latitude GNSS network are supposed to verify and improve the algorithm estimation model. Lastly, the new algorithm is used to extract the 3D morphology and present evolution process of the polar ionosphere disturbance during some typical strong geomagnetic storms. Combined with particle precipitation information and polar magnetic field, the deep relationship between the 3D ionosphere disturbance and the physical mechanism like the electric current and magnetic field the on polar areas are analyzed.

电离层作为地球空间环境的重要组成部分，内部存在着规则的周期性变化和不规则的扰动性变化。极区电离层由于直接受到空间天气事件的影响，相比于地球其他地方异常源更为复杂，特别是磁暴期间，极区电离层成为全球性电离层扰动的触发区域。本项目拟联合多类大地测量数据，通过融合算法，估计输出连续的两级区域电离层二维图像（电子密度图像和ROTI图像），更加准确地确定极区电离层异常发生的位置、时间和二维形态。进一步提出一种附加投影函数的电离层层析算法，在层析过程中引入投影函数，降低分层数，通过卡尔曼滤波逐次求解层析参数。拟通过极区和全球中低纬观测数据对模型进行检测和模型精化，实现对极区电离层的高精度立体监测。最后选择典型磁暴事件，利用二维/层析图像提取极区电离层扰动形态及演变过程，并结合粒子沉降，极区磁场等物理信息，相互比对，深入分析和追踪电离层在磁暴扰动机制作用下电子密度水平、垂直形态及变化特征。

电离层作为地球空间环境的重要组成部分，内部存在着规则的周期性变化和不规则的扰动性变化。极区电离层由于直接受到空间天气事件的影响，相比于地球其他地方异常源更为复杂，特别是磁暴期间，极区电离层成为全球性电离层扰动的触发区域。.本项目联合多源大地测量数据，通过融合算法，估计输出连续的两级区域电离层二维图像（电子密度图像和ROTI图像），更加准确地确定极区电离层异常发生的位置、时间和二维形态。进一步提出一种附加投影函数的电离层层析算法，在层析过程中引入投影函数，通过卡尔曼滤波逐次求解层析参数。通过极区和全球中低纬观测数据对模型进行检测和模型精化，实现对极区电离层的高精度立体监测。最后选择典型磁暴事件，利用二维/层析图像提取极区电离层扰动形态及演变过程，并结合粒子沉降，极区磁场等物理信息，相互比对，深入分析和追踪电离层在磁暴扰动机制作用下电子密度水平、垂直形态及变化特征。.在本次项目中，重要的研究成果包括：1）实现了基于多源数据（地基GNSS，COSMIC，Jason-1 和Jason-2）的电离层格网估计与输出。3）实现了附加投影函数的电离层层析模型。3）利用建立的电离层模型研究了2015年3月17日极区和全球电离层响应。.在项目实施过程中采用的关键数据包括：1）我国在南北极布设有观测站（黄河站，长城站，中山站，昆仑站等），世界各国在南极也建立有常年连续观测的跟踪网络（如 POLENET 等）。2）全球具有3000多个 GNSS 台站数据（SOPAC、EUREF、CACS 等）。3）长时间跨度的测高卫星数据和掩星数据反演得到的 TEC 数据产品。.4）极区测高仪数据，非相干干涉雷达数据等，低轨卫星DMSP，SWARM等电离层物理探测数据。