湯 俊

華東交通大學(xué)測(cè)繪工程研究所，江西 南昌330013

電離層總電子含量（total electron content，TEC）是一個(gè)重要的電離層物理參量，對(duì)電離層物理的理論研究以及電波傳播的應(yīng)用研究有著十分重要的意義。然而，在理論和應(yīng)用研究過(guò)程中，基于單層假設(shè)的電離層TEC空間分布只能反映電離層的水平結(jié)構(gòu)，而難以反映電離層的垂直結(jié)構(gòu)。

電離層層析成像（computerized ionospheric tomography，CIT）技術(shù)的出現(xiàn)為監(jiān)測(cè)電離層垂直結(jié)構(gòu)提供了可能。該技術(shù)通過(guò)對(duì)電離層進(jìn)行分層研究，不僅克服了單層模型的局限，而且適合于監(jiān)測(cè)大尺度的電離層電子密度垂直分布及其擾動(dòng)。GNSS電離層層析作為一種全新的電離層探測(cè)技術(shù)，對(duì)電離層形態(tài)和擾動(dòng)研究的發(fā)展有著重大推動(dòng)作用。近年來(lái)，該技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但由于GNSS電離層層析問(wèn)題的復(fù)雜性，還有許多問(wèn)題尚待進(jìn)一步研究。

本文緊跟國(guó)際相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，系統(tǒng)地分析了電離層層析反演過(guò)程中不適定問(wèn)題產(chǎn)生的原因以及常用重構(gòu)算法存在的問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的解決方法。同時(shí)，探討了基于多源數(shù)據(jù)的電離層層析技術(shù)。最后，利用本文提出的方法，對(duì)磁暴環(huán)境下的實(shí)測(cè)GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和重構(gòu)成像，獲得了一些有重要科學(xué)意義的結(jié)果。

具體而言，本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：

（1）針對(duì)代數(shù)重構(gòu)算法存在迭代收斂速度慢和計(jì)算精度低的缺點(diǎn)，提出了一種基于總變差最小化的三維代數(shù)重構(gòu)算法。該算法是將每一次利用代數(shù)重構(gòu)算法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行總變差最小化約束，使其達(dá)到加快迭代收斂速度和提高重構(gòu)精度的目的。數(shù)值模擬試驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)重構(gòu)結(jié)果證實(shí)了該方法的有效性，通過(guò)與改進(jìn)的代數(shù)重構(gòu)算法相比，新算法表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。

（2）針對(duì)聯(lián)合迭代重構(gòu)算法存在迭代收斂速度慢和計(jì)算精度低的缺點(diǎn)，提出了一種自適應(yīng)地聯(lián)合迭代重構(gòu)算法，該算法利用上一輪的電離層電子密度反演結(jié)果，自適應(yīng)地調(diào)整松弛因子和加權(quán)參數(shù)。通過(guò)模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該算法的反演結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，并將得到的反演結(jié)果與電離層測(cè)高儀數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

（3）對(duì)于GNSS電離層層析問(wèn)題，由于GNSS觀測(cè)站幾何分布條件的限制，實(shí)際用于層析的觀測(cè)數(shù)據(jù)通常情況下是不充足的，Tikhonov正則化是一種解決此問(wèn)題的有效方法。然而，利用單一的Tikhonov正則化算法會(huì)過(guò)度光滑反演的電子密度。針對(duì)此問(wèn)題，提出了一種基于Tikhonov正則化和總變差正則化組合的混合正則化算法進(jìn)行反演研究。通過(guò)模擬試驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該算法的優(yōu)越性和穩(wěn)定性。

（4）由于觀測(cè)信息的不足而導(dǎo)致反演過(guò)程中出現(xiàn)不適定問(wèn)題，電離層層析成像技術(shù)難以完全依賴算法的改進(jìn)來(lái)提高層析質(zhì)量。充分有效地發(fā)掘和利用多種數(shù)據(jù)源進(jìn)行層析反演是一條更為有效的途徑。本文基于GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)、低軌衛(wèi)星上的掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)、Jason－1和Jason－2海洋衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)以及電離層測(cè)高儀數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)融合的電離層層析反演。并利用非相干散射雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)多源數(shù)據(jù)聯(lián)合反演的結(jié)果進(jìn)行了比較分析。

（5）利用中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)以及IGS提供的中國(guó)及周邊地區(qū)的GPS觀測(cè)資料，借助于電離層層析成像和測(cè)高儀探測(cè)技術(shù)，研究分析了2013年3月17日一次中等磁暴期間中國(guó)地區(qū)上空出現(xiàn)的電離層擾動(dòng)。比較分析了磁暴期間區(qū)域上空電離層電子密度和TEC的時(shí)空變化。同時(shí)，給出其上空的電離層TEC擾動(dòng)圖像以及電子密度圖像。最后，利用互譜分析法對(duì)電離層TEC擾動(dòng)進(jìn)行了分析，得到了該次擾動(dòng)的傳播參量。