2024年6月14日发(作者：)
第２５卷第２期
２００
大地测量与地球动力学
Ｊ
ＯＵＲＮＡＬ
ＯＦＧＥＯＤＥＳＹ
ＡＮＤ
ＧＥＯＤＹＮＡＭＩＣＳ
Ｖ０１．２５，ＮＯ．２
Ｍａｙ．２００５
５年５月
文章编号：１６７１—５９４２（２００５）０２—００２９—０７
ＧＰＳ掩星技术和电离层反演
周义炎１’３’
吴
云１’３’
乔学
军１渤
４３００７１
张训械幻
１）中国地震局地震研究所，武汉
２）中国科学院数学与物理研究所，武汉４３００７１
３）地壳运动与地球观测实验室，武汉４３００７１
摘要
系统地介绍了ＧＰＳ无线电掩星技术的发展现状、系统组成和一些关键技术；论述了利用ＧＰＳ掩星数据
进行电离层反演的理论、模型及相应的计算流程。并结合ＧＰＳ／ＭＥＴ和ＣＨＡＭＰ卫星的实测资料，计算了电子密
度剖面，与用其他方法所得结果的对比表明，ＧＰＳ掩星电离层观测具有精度高、覆盖范围大等特点；最后讨论了
ＧＰＳ掩星技术应用于地震前兆监测的机理和前景。
关键词
ＧＰＳ掩星电离层反演人工神经网络地震前兆监测
对比
中图分类号：Ｐ２２８文献标识码：Ａ
ＧＰＳＯＣＣＵＬＴＡＴＩＯＮ
Ｚｈｏｕ
ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ
ＡＮＤＩＯＮＯＳＰＨＥＲＩＣＩＮＶＥＲＳＩＯＮ
Ｚｈａｎｇ
Ｘｕｎｊｉｅ２’
Ｙｉｙａｎｌ，”，Ｗｕ
Ｙｕｎｌｔ”，Ｑｉａｏ
Ｘｕｅｊｕｎｌ，３’ａｎｄ
ｏｆＳｅｉｓｍｏｌｏｇｙ，ＣＥＡ，Ｗｕｈａｎ
１）Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
４３００７１
２）Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｏｆ
Ｐｈｙｓｉｃｓ
ａｎｄ
Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ，
３）Ｃｒｕｓｔａｌ
ＣＡＳ．’仇ｈａｎ
４３００７１
４３００７１
Ｍｏｖｅｍｅｎｔ
Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｗｕｈａｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
ｔａｔｉｏｎ
ａｒｅ
Ｔｈｅ
ｃｕｒｒｅｎｔ
ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅ
ｓｙｓｔｅｍ
ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ
ａｎｄ
ｓｏｍｅ
ｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ
ｏｆＧＰＳｒａｄｉｏｏｃｃｕｌ—
ｏｎ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒ．Ｉｔ
ｆｏｃｕｓｅｓｔｈｅ
ｔｈｅｏｒｙ
ａｎｄ
ｍｏｄｅｌｓ
ｏｆ
ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ
ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ
ｆｒｏｍ
ＧＰＳ
ａｒｅ
ｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎｄａｔａａｎｄｔｈｅ
ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ
ｆｌｏｗ．Ｔｈｅ
ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ｄｅｎｓｉｔｙｐｒｏｆｉｌｅｓ
ｄａｔａｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｄｅｒｉｖｅｄ
ｆｒｏｍ
ＧＰＳｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎ
ＧＰＳ／ＭＥＴ
ａｎｄ
ＣＨＡＭＰ
ｔｏ
ｓａｔｅｌｌｉｔｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ
ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ
ｔｈａｔＧＰＳ
ｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎ
ｃｏｍｐａｒｅｄ
ａｃｑｕｉｒｅ
ｍｏｒｅ
ｔＯ
ａｃｃｕｒａｔｅ
ｗｉｔｈｏｔｈｅｒ
ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ
ｈａｓｔｈｅ
ａｂｉｌｉｔｙ
ｐｒｏｆｉｌｅｓ
ｉｎ
ａ
ｗｉｄｅｒ
ｒａｎｇｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ
ｍｅｃｈａ—
ａｒｅ
ｎｉｓｍ
ａｎｄ
ｐｒｏｓｐｅｃｔ
ｆｏｒ
ｕｓｉｎｇ
ＧＰＳｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒ
ｓｅｉｓｍｉｃ
ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ
ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ
ｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎ，ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ
ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ，ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｎｅｕｒａｌ
ｎｅｔｗｏｒｋ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
ｓｅｉｓｍｉｃ
ｐｒｅｃｕｒ—
ｓｏｒ，ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ
引言
ＧＰＳ元线电掩星技术作为一门新型的应用技
术始于上世纪９０年代初期，目的是利用ＧＰＳ进行
大气层和电离层的临边探测（１ｉｍｂ
ｓｏｕｎｄｉｎｇ）。
无线电掩星技术最早起源于天文学研究，２０世
纪６０年代美国将此技术用于行星大气和电离层探
测等研究‘¨，随着ＧＰＳ系统的建立，利用ＧＰＳ掩星
技术探测地球大气层和电离层就成为当前研究近地
空间环境的又一新型手段‘２￣引。ＧＰＳ无线电掩星技
收稿日期：２００５—０３—０８
基金项目：“８６３”课题：中国地震科学卫星计划的预研和制定（２００３ＡＡｌ３４０６０）
万 方数据
作者简介：周义炎，男，１９７３年生，在读研究生，主要研究方向为大地测量和地球动力学
大地测量与地球动力学
３０
术是指在低轨（ＬＥＯ）卫星上安装一台ＧＰＳ双频接
收机，测量ＧＰＳ信号的相位和幅度。由于传播介质
的垂直折射指数变化，导航卫星信号穿过地球电离
层和中性大气时，电波路径出现弯曲（如图１），根据
测量的电波相位和卫星星历数据，可以计算大气折
射率，推导大气密度、压力和温度（０～６０ｋｍ）。同
样，也可以根据电波相位延迟，导出电离层折射率，
得到电离层电子密度剖面。一颗ＬＥＯ卫星，一天可
以得到５００个左右的电离层和大气剖面，他们均匀
分布在全球上空。这一技术获得的资料在探测高
度、范围等方面远远优于传统气象和常规电离层手
段观测结果。ＧＰＳ掩星资料无需定标，提供的观测
结果精度不随时间变化，能用于研究１０年时间尺度
的气候变化。其观测不受云、降雨和气熔胶等天气
条件的影响，为全天候的空基观测。
图１掩星观测示意图
Ｆｉｇ．１
Ｓｋｅｔｃｈｏｆｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
掩星观测系统包括３部分。第一部分是小卫星
和载荷；第二部分是地面支撑子系统和操控中心；第
三部分是数据处理中心，提供观测产品。
掩星观测系统的空间部分由ＬＥＯ卫星与ＧＰＳ
导航星座构成，它也可以是一个ＬＥＯ星座，该星座
由４～６颗低轨卫星组成，与导航星座构成掩星观测
星座。掩星观测主要载荷是双频接收机，它由两类
不同功能的ＧＰＳ接收机集成，包括用于低轨卫星自
主定位的接收机和掩星观测接收机，它们公用一个
振荡器和频率合成器实现相干接收。定位接收机有
８～１２个通道。定位接收机的天线一般安装在卫星
顶部，增益４～５ｄＢ，它接收天顶方向的ＧＰＳ信号，
以接收的伪距和载波相位实现精密定位。表１是目
前星载掩星观测接收机的使用情况。掩星系统的地
面部分主要是对卫星的监测，及时了解卫星运行和
工作状况；其次，地面部分完成对卫星控制，更换飞
行软件，注入掩星观测指令等任务；除此之外，还需
要控制与下载掩星观测数据，并将数据分发到数据
处理中心。
万 方数据
２
电离层掩星数据的反演
由于太阳辐射的作用，在距地面６０
ｋｍ～１
０００
ｋｍ高度范围内的大气分子和原子被远紫外线
（ＥＵＶ）和ｘ射线等电离，形成由大量正离子和电子
构成的电离层。电离层电子总含量及密度的变化不
但是电离层形态学研究的重要资料，也是精密定位、
导航中电离层修正的重要参数。现有的研究表明可
通过电离层（电子含量或电子密度）的异常扰动探求
地震前兆信息［７￣１５｜。电离层是一种微弱的电离气
体，属色散性介质，它能以各种方式影响电波的传
播，影响程度与电子密度密切相关。对ＧＰＳ信号而
言，穿过电离层的延迟量与信号的频率有关。所以
利用延迟量可反演求得信号传播路径上的电子总含
量和电子密度。地基ＧＰＳ接收机因其分布的局限
性，反演得到的电离层数据仅代表测站上空一定区
域范围内的ＴＥＣ（Ｔｏｔａｌ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｃｏｎｔｅｎｔ），而低轨
卫星（ＬＥＯ）上的掩星接收机则可观测到全球范围
内的电离层电子密度剖面。目前，掩星数据处理已
经取得了许多研究成果，在局部球对称假设下，基于
几何光学近似理论的初步反演程序可以得到大气和
电离层产品［１６￣２０｜。ＬＥＯ上的接收机一方面接收非
掩星的ＧＰＳ信号，实现精密定位；另一方面也进行
地球大气掩星观测，测量掩星的ＧＰＳ信号的相位和
幅度。所以，从ＬＥＯ下载的数据包括两项内容，一
是定位数据，二是掩星数据。下载的载波相位Ｌ。和
Ｌ。，以及伪距Ｐ。和Ｐ。，在经过数据定标后就可进入
反演流程进行解算。电离层掩星观测数据的反演流
程包括：１）电离层沿射线路径电子总含量ＴＥＣ的计
算；２）电离层中射线弯曲角的计算；３）阿贝尔积分变
换反演折射率和电子密度。
２．１
电离层电子总含量ＴＥＣ的解算
反演电离层折射率和电子密度是从测量的斜总
表１
星载掩星接收机
Ｔａｂ．１
Ｔｈｅｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎｒｅｃｅｉｖｅｒｓ
掩星卫星罄嬲
接收机型号
轨惹黧数
ＧＰＳ／ＭＥＴ
１９９５－０４－０３
Ｔｕｒｂｏ－Ｒｏｕｇ改装（ＪＰＬ）７４０
７０
０ＲＳＴＥＤ１９９９－０２－２３
Ｔｕｒｂｏ－Ｒｏｕｇ改装（ＪＰＬ）７５０
９６．５
ＳＵＮＳＡＴ１９９９－０２－２３
Ｔｕｒｂｏ－Ｒｏｕｇ改装（ＪＰＬ）３４９
９６．８
ＩＯＸ（ｐｉｃｏｓａｔ）２００１—０９－３０电离层掩星Ｒｒｃｅｉｖｅｒ
８００６７
ＣＨＡＭＰ
２０００—０７—１５
Ｂｌａｃ：ｋＪａｃｋｒｅｃｅｉｖｅｒ（ＪＰＬ）４５４
８７．２
ＳＡＣ—Ｃ２０００—１２—２１
ＢｌａｃｋＪａｃｋｒｅｃｅｉｖｅｒ（ＪＰＬ）７００
９８
ＧＲＡＣＥ２００２—０３—１６
ＢｌａｃｋＪａｃｋｒｅｃｅｉｖｅｒ（ＪＰＬ）５００
８９
ＣＯＳＭＩＣ
２００５后
新研制的接收机８００
７２
ＥＱＵＡＲＳ预定２００６新研制的接收机
７５０２０
第２期周义炎等：ＧＰＳ掩星技术和电离层反演
３１
电子含量ＴＥＣ开始的。所谓斜总电子含量是指从
ＧＰＳ卫星发射的电波信号穿过电离层、最终到达
ＬＥＯ接收机的传播路径上的总的电子含量。这个
电子总含量是空基测量得到的值。电离层计算输入
两个频率载波相位Ｌ。（￡）和Ｌ：（￡），其次输入两个码
相位Ｐ。（￡）和Ｐ。（￡），它用于确定相位整周模糊度，
同时要求知道数据采样率。计算时还需要知道掩星
卫星（ＬＥＯ）的位置。
ＴＥＣ定义为给定频率的无线电波沿传播路径
的电子密度积分：
ＴＥＣ—ｌ
Ｎｅ（ｓ）ｄｓ
（１）
，。鼻。ｔｈ
利用折射率可以计算沿传播路径的电子密度。对于
相位折射指数的一阶展开式，折射率可用下式求得：
”一１一云Ｎ。
（２）
其中，Ｃ≈４０．３
ｍ２ｓ～。
相位时延Ｌ可以通过积分信号路径的折射率
得到：
Ｌ—ｌ［１一蔷Ｎ。（ｓ）］ｄ５
（３）
。茹。ｔｈ
ｏ
双频ＴＥＣ，：测量表示为下式：
Ｌｌ—Ｌ２＝Ｉ［１一茜Ｎ。（ｓ）］出一
｛
Ｊ
之
Ｅ１一茜Ｎ。（ｓ）］ｄｓ一
儿
ｃ［去一去］．ｆ．Ｎｅ（洲ｓ
（４）
ＴＥＣｌｚ一瓦拦芴（Ｌ·一Ｌｚ
（５）
上述ＴＥＣ计算中，假设两个频率电波按同样路径传
播，但实际上，不同频率信号通过电离层的路径是存
在差别的，对于ＧＰＳ两个频率信号而言，在相应的
掩星切点处它们的最大垂直分离量级约为千米。
２．２
电离层中电波弯曲角解算
计算弯曲角有多种方法，本文主要介绍双频反
演算法，即利用Ｌ。和Ｌ。相位资料反演计算弯曲角。
ＧＰＳ和ＬＥＯ的空间轨道为三维（３Ｄ）坐标。为
计算方便，对每个观测历元，利用轨道的３个欧拉
角，将卫星３Ｄ轨道转换成２Ｄ掩星平面，计算电波
弯曲角和碰撞高度。该掩星平面是由地球局部地心
（地球形状为椭球）、ＬＥＯ和ＧＰＳ三者构成的平面。
２．２．１
多谱勒频移解算弯曲角
假设掩星探测两个频率电波经过同样的路径，
相位时延改正公式为：
一一
万 方数据
Ｌｍ≈磷（Ｌ１－－Ｌ２）
（６）
式（６）假设电波按直线路径传播，并消除了卫星钟差
和ＰＯＤ（Ｐｒｅｃｉｓｅ
Ｏｒｂｉｔ
Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ）误差。如果
采用其他方法消除卫星几何误差和钟差，则可分别
利用Ｌ。和Ｌ。计算多谱勒频移。对于每个采样，碰
撞高度可以通过解下列方程得到嘲：
Ｌ。ｃ＋ＲＬＧ＋（ｎｉ（良。）１１Ｒ。Ｉ
ｃｏｓ９（以）一
Ｒ＂－２－Ｇ
ｃｏｓｚ（口）一０
如净｝－－ａｒｃｓｉｎ（南）
（７）
ｚ（口）一（７ｃ一７／）－－ａｒｃｓｉｎ‘丽ａ）
公式（７）中各参数见图２，而竹ｉ（Ｒ。）是轨道高度的折
射率，它非常接近１；叩为ＧＰＳ速度与位置矢量之间
的夹角；ｒ为ＬＥＯ卫星速度与位置矢量夹角；９为入
射到ＬＥＯ射线与其速度间的夹角；Ｚ为ＧＰＳ发射
的射线与其速度之间的夹角，ＲＬＧ为两颗卫星之间的
几何距离。
电离层弯曲角口可用下式求出：
口＿旺ａｒｃＳｍ‘赢’－－ａｒｃｃｏｓ‘赢’（８）
式（８）中，口为两颗卫星位置矢量之夹角；ａ是由大气
和电离层引起电波的弯曲角。通过（７）、（８）方程的
迭代，可求出电波的弯曲角口和碰撞高度ａ。
图２掩星平面的几何示意
Ｆｉｇ．２Ｇｅｏｍｅｔｒｙ
ｏｆｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎ
ｐｌａｎｅ
２．２．２用ＴＥＣ求导解算弯曲角
通过双频Ｌ。和Ｌ：相位时延差，可以得到电波
通过电离层的总电子含量ＴＥＣ。。。该相位差消除了
发射和接收机之间的几何误差和钟差。因此，从双
频相位资料反演电离层电子密度剖面，对轨道要求
可以降低，反演比较简单。其次，由电离层引起的频
率Ｌ。和Ｌ：电波弯曲角是非常小的，掩星射线路径
被认为是非常接近于直线。根据假设，从相位时延
可以计算ＴＥＣ，即公式（５），这样得到的ＴＥＣ可以
用于计算弯曲角，该处理过程包含了相位对时间的
微分。这种反演方法要求掩星观测时采用比较高的
采样率，在相邻的两次采样中间，电波相位不超过
３２
大地测量与地球动力学
３６０。，不会由于采样间隔时间过长，造成相位模糊。
由于电离层折射率变化范围不是很大，１～３Ｈｚ的
采样率就足够了。对于较高高度的切点位置（约
６００～７００
ｋｍ），利用指数拟合计算弯曲角，以便接
近ＬＥＯ轨道高度估计的切点，使弯曲角计算误差尽
量小。这个误差是由于在ＬＥＯ高度附近，测量的载
波相位值比较小，信号包含了较多的噪声，出现观测
相位强烈的摆动。利用指数拟合方法，可以将误差
限制在合理的范围。
ＧＰＳ信号在传播路径上的瞬时微分弯曲角可
用下式表达：
ｄａ一一车＿兰竺
（９）
ｎＯｒ√扎２产一ａ２
对信号全路径积分，则总的弯曲角表达式为：
ａ（口）一一２口Ｉ———．＝』兰兰ｄｒ（１０）
∞
ｄ”
！，ｌ而２产一Ⅱ２
式中ａ（口一ｎ（ｒｏ）ｒｏ，ｒｏ为地心至掩星切点的距离）是
当前弯曲射线对应的碰撞高度，即碰撞参数，ｒ是从
地心到电波传播路径上积分线元的距离。公式指
出，如果知道传播路径上介质的折射率分布，以及他
们的梯度随高度的变化，就可以计算出电波经过介
质后的弯曲角变化。该公式在掩星反演和模拟中是
非常有用的。上面公式可以通过下面变换进行简
化：
一一＝＝一：＝＂
百１石ｄｎ一旦虹ｄｒ一一吾盟ｄｒ
”ｄｒ厂２
（１１）
、…
ｎ２ｌ一—万
ｎ一１一百ＣＮｏ
（１２）
ｋ』二，
Ｊ‘
扎丝１
（１３）
计算中，一般将ＧＰＳ和ＬＥＯ高度处的大气折射率
竹简化为单位值１，这样的处理会使计算结果偏大，
但从ＧＰＳ／ＭＥＴ的掩星数据处理来看，其偏差不会
超过０．５％［１８］。根据几何关系，Ｓ是掩星切点到
ＧＰＳ卫星距离，出和ｄｒ之间关系为：
ｒ—ｖ“Ｔ，一＿ｄｒ一一ａ净半一二掣
ｄｓ．一—兰ｄｒ
ｃｌａｄｒ口ｏａ
∥２一日２
从而得到：
一２芳！务ａｒ一笋２Ｃｉ
。。。盟
ｄＮｏ也≈
芳＿『警扣芳警
Ⅲ，
式（１４）将弯曲角的积分运算变成求导。在此，我们
已不再关心ＴＥＣ的绝对量，计算时一般用ａ。（自由
万 方数据
空间中ＬＥＯ与ＧＮＳＳ的直线对应高度）代替口。另
外电波通过电离层引起的弯曲角非常小，因此式
（１５）可实际用于计算弯曲角和射线碰撞参数：
口≈乒百ｄＴＥＣ
口≈户—Ｆ
翩。＋ａ矗（１５）
ｎ≈ｎ。十ａ夏羞
（１５’
式（１５）中，丁ＥＣ＝ＴＥＣｌ２，Ｓ。为ＬＥＯ卫星与ＧＰＳ卫
星的几何距离，Ｓ。为ＬＥＯ至直线碰撞点（地心到
ＬＥＯ与ＧＰＳ连线的垂足点）的几何距离，ＳＧ为
ＧＰＳ至直线碰撞点几何距离，ａ是弯曲射线路径对
应的碰撞参数。通过变换，弯曲角计算变为总电子
含量ＴＥＣ对碰撞参数求导。
图３为电波经过电离层引起的弯曲角随高度变
化的剖面利用ＧＰＳ／ＭＥＴ掩星资料反演得到。７００
ｋｍ以上高度的弯曲角有很大抖动，这是由于那里
电离层引起的载波相位值很小，估计ＴＥＣ有比较大
的误差。在电子密度最大值Ｎ。Ｆ。所在高度的上
面，ＧＰＳ两个频率的信号一般向上弯曲，且Ｌ。的掩
星切点比Ｌ。低；在这一高度的下面，信号一般向下
弯曲，且Ｌ。的掩星切点比Ｌ。高。这里将信号向地
心弯曲的角度定义为正值，反之为负值。在电子密
度最大值Ｆ：所在高度，弯曲达到最大值。随着高
度下降，弯曲角增加。另外，值得注意的是，电离层
弯曲角是从负值逐步增加到正值的，这是由于电离
层结构造成的。在电离层峰值上下，电子密度都是
逐步减少的。其次，电离层折射率是小于１的。电
离层的弯曲角在±１０＿４ｒａｄ之间变化。图３中大约
在１００ｋｍ高度处的弯曲角尖锐变化与偶发Ｅ层有
关，这一现象揭示了Ｅ层附近的折射率梯度变化之
，℃。
互
蜊
担
图３
电离层弯曲角随高度变化
Ｆｉｇ．３Ｂｅｎｄｉｎｇａｎｇｌｅｖａｒｙｉｎｇ
ｗｉｔｈ
ｈｅｉｇｈｔ
ｉｎ
ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ
目前，也可以利用单频方法计算ＴＥＣ，即只利
用载波相位Ｌ。和码相位Ｐ。求出ＴＥＣ，这种方法称
为单频方法。显然，双频反演方法消除了接收机钟
误差的影响，对卫星轨道没有特别严格的要求，从卫
星下载得到的星历定位数据就可以满足要求。而单
第２期周义炎等：ＧＰＳ掩星技术和电离层反演
３３
频处理得到的ＴＥＣ包含了相位和伪距测量误差，后
者一般比前者大ｉ００倍。可以看出，利用双频相位
处理误差比较小。
２．３电离层电子密度解算
利用掩星电波弯曲角和碰撞参数，可利用Ａｂｅｌ
变换公式计算电离层折射率”（Ⅱ）：
“ｎ）一ｅＸｐ（昙ｆ粤些）
（１６）
“乞、／ｚ‘一口。
Ｎｉ一（ｎ；一１）１０６
（１７）
ｈｊ一—头一Ｒ。。。
（１８）
咒ｆｋ“，
Ｎｉ为折射数，Ｒ。。。是对应的地球曲率半径。电子密
度可用下式计算：
口
Ｍｍ）一罢（１－－ｎ（肋）
（１９）
图４［２１３是利用上面算法得到的日本上空电子密度剖
面，它是丹麦ＯＲＳＴＥＤ卫星观测得到的结果，同时
也给出了包括日本京都大学ＭＵ雷达和日本邮政
省的东京电离层垂直探测站联合实验观测的结果。
三者比较说明，掩星观测得到的电子密度可靠，反演
方法可行。ＭＵ雷达工作在非相干散射模式下，从
得到电子散射信号功率反演电子密度剖面。５００
ｋｍ以上，非相干散射信号减弱，信噪比降低，电子
密度出现起伏。测高仪只能够观测得到３００
ｋｍ以
下的电子密度，在最大电子密度附近，由于那里电波
折射率接近于０，电波群速度趋于０，传播延迟很大，
出现比较大的反演误差。但在其他部分，不同观测
手段得到的结果比较一致。多个掩星观测计划的结
果表明［２１～ｚ３］，掩星所获得的电离层电子密度与其它
电离层探测手段相比，其误差在３０％以内。有理由
相信，随着反演算法的改进，并融合其它手段的观测
结果，掩星反演电离层的精度必将进一步提高。
图４１９９９年１０月１４日的ＯＲＳＴＥＤ掩星、ＭＵ雷达和
电离层测高仪联合观测得到的电子密度剖面
Ｆｉｇ．４
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｄｅｎｓｉｔｙｐｒｏｆｉｌｅｓ
ｆｒｏｍｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎ，ＭＵ
ｒａｄａｒａｎｄｉｏｎｏｓｏｎｄｅ
ａｌｔｉｍｅｔｅｒ
ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ（１９９９—
１０一１４）
万 方数据
２．４
电离层电子密度数据同化
目前，掩星观测得到的中性大气和电离层剖面
的数目有限，要利用这些资料进行３小时时问段的
预报尚有困难。但在一个月时间内掩星观测的数目
还是比较多的，可利用这些资料进行一些研究工作。
现对利用人工神经网络（ＡＮＮ）同化技术［２ｑ反演全
球电子密度作一简单说明。
通常电离层模式的建立是通过提取观测资料的
统计特征参量，利用回归、线性或非线性技术拟合某
一数学模式而得到的。这些观测资料包含电离层临
界频率月中值（或电子密度）随太阳不同活动水平、
不同经纬度和时间的变化，它们为建立电离层模式
提供了非常有利的条件。人工神经网络通过优化大
量的观测资料来概括某一地区电离层的变化规律，
建立预测变量与临界频率月中值的关系，这种关系
用一组网络权重表示。利用人工神经网络建立电离
层地区模式时，重要的一个问题就是选择预测变量。
我们需要深入的了解哪些参量是决定该地区电离层
临界频率变化的主要变量和需要多少变量；其次，我
们还需要研究所采用的变量是比较容易得到的；再
者，我们选取的变量应是相互独立的，即在数学上它
们是正交的。
我们采用人工神经网络算法对ＣＨＡＭＰ卫星３
天（２００３年８月４日、５日、７日）的电子密度数据
（３００
ｋｍ高度）来训练网络。神经网络的输入选择
４个电离层控制参量，他们分别是太阳Ｆ。。．，辐射流
量、时间、纬度、经度。并将他们表示为［一１，１］之间
的数据。同样，将电子密度表示为［０，１］之间的数
据。网络的输入采用４个神经元，隐含层采用５０个
神经元，输出层采用１个神经元，后者对应于３００
ｋｍ高度处的电子密度数据。我们利用３天４９１个
数据（限于低轨卫星的天线视场角和存储容量，每天
仅有１００～２００个掩星数据被收集）训练网络，得到
了一组网络的权重ｗ柏然后，利用权重反演这４９１
个数据，并将反演得到的４９１个数据与掩星实测的
数据进行比较，结果绘制在图５中，其ＡＮＮ反演值
与掩星实测值的相对误差最大为５５％，绝对误差最
大为０．１１×１０１２ｅｌ／ｍ３。
同样用这组权重反演了２００３年８月６日的
１２７个电子密度数据（３００ｋｍ，图６），其ＡＮＮ反演
最大为０．９２×１０１２ｅｌ／ｍ３。从图６中可看出个别数
据反演的精度较差，这说明电离层控制参量的选取
网络权重ｗｉ仍有待调整。
值与掩星实测值的相对误差最大为７３％，绝对误差
仍有待完善，而且用于训练网络的已知数据量太少，
大地测量与地球动力学
３４
图５
ＡＮＮ反演结果与实测结果的比较
Ｆｉｇ．５
Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ
ｂｙ
ＡＮＮ
ｃｏｍｐａｒｅｄ
ｗｉｔｈｏｂｓｅｒ—
ｖａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ
¨ｕ
图６
２００３年８月６日ＡＮＮ反演结果与实测结果的比较
Ｆｉｇ．６
Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ
ｂｙ
ＡＮＮ
ｃｏｍｐａｒｅｄ
ｗｉｔｈ
ｏｂｓｅｒ·
ｖａｔｉｏｎ
ｒｅｓｕｌｔｓ（２００３—０８—０６）
显然，如果采用足够多的掩星数据和合理选择
电离层控制参量，就有可能运用人工神经网络同化
技术反演全球电子密度分布情况。图７为利用
ＣＨＡＭＰ卫星８月４号、５号、７号３天的掩星数据
反演得到的８月６号０３００ＵＴ时全球电子密度分
布，基于上面提到的电离层控制参量和掩星数据的
局限，图７只能描述全球电子密度分布的大致情况。
图７
２００３年８月６日０３００ＵＴ全球电子密度分布图
（高度３００
ｋｍ）
Ｆｉｇ．７
Ｇｌｏｂａｌ
ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｄｅｎｓｉｔｙ
ｄｉａｇｒａｍ
ａｔ
３００
ｋｍ
ｈｅｉｇｈｔ
（２００３－０８－０６—０３００ＵＴ）
万 方数据
３讨论与结论
掩星得到的电离层剖面可为空间物理研究提供
全球范围准实时观测资料，对精密定位、导航、无线
电通讯等部门都具有重要价值。其次，掩星可以提
供电子密度剖面，使有可能检测到由地震波激发而
引起的电离层电子密度的扰动［２５￣２７］，为地震预报提
供地震前兆信息。地震激发的地面扰动非常微弱，
在地面进行检测和识别比较困难。但由于地面激发
的地震波的动能ｌＤ护在传播过程中基本守衡，而大
气密度随高度指数式下降，因此，扰动速度呈指数上
升，当波上传到电离层高度，扰动速度非常大，所以
地震诱发的电离层扰动比较容易观测和识别。我们
有理由相信，大的地震可以激发大气强烈扰动，而且
其激发的电磁辐射频谱是非常宽的。由于电离层是
一个等效低通滤波器，高频部分被大气衰减，只有低
频分量能够传播到电离层高度，它与电离层的相互
作用，导致电离层的强烈扰动。应该指出，利用掩星
技术检测和识别地震的电离层扰动，还存在许多问
题和困难。但是，这种空基探测的诸多优点，是地面
观测难于实现的。鉴于ＧＰＳ掩星的高效性、实用
性，相信这一技术必将得到广泛的发展与应用。
致谢：感谢德国ＣＨＡＭＰ数据处理中心Ｊｅｎｓ
Ｗｉｃｋ—
ｅｒｔ和美国ＧＰＳ／ＭＥＴ数据处理中心提供的掩星数
据！
Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ
１
ＦｊｅｌｄｂｏＧ
Ｆ，Ｅｓｈｌｅｍａｎ
ＶＲａｎｄＫｌｉｏｒｅＡ
Ｊ．Ｔｈｅ
ｎｅｕｔｒａｌ
ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ
ｏｆＶｎｕｓｓｔｕｄｉｅｄ
ｗｉｔｈ
ｔｈｅＭａｒｉｎｅｒ
Ｖｒａｄｉｏ
ｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｔｈｅ
ＡｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌＪｏｕｒｎａｌ，
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２
ＨｕａｎｇＤｏｎｇ。ＨｕａｎｇＣｈｅｎｇ，Ｌｉ
Ｊｉｎｌｉｎｇ，ｅｔ
ａ１．Ｍｏｎｉｔｏ—
ｒｉｎｇ
ｔｈｅｅａｒｔｈ’Ｓ
ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ
ｗｉｔｈＧＰＳｒａｄｉｏｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎ
ＥＪ］．Ａｄｖａｎｃｅｓ
ｉｎＥａｒｔｈ
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３Ｈｕ
Ｘｉｏｎｇ，ＺｅｎｇＺｈｅｎ，Ｚｈａｎｇ
Ｘｕｎｘｉｅ．ｅｔａ１．Ｒａｄｉｏ
ｃｕｌｔａｔｉｏｎａｎｄｉｔｓ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ
Ｊｏｕｒｎａｌ
ＯｆＲａｄｉｏ
Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００２，１７（５）：５４９—５５６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
４
Ｊｅｎｓ
Ｗｉｃｋｅｒｔ，Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈ
Ｒｅｉｇｂｅｒ．ＧｅｏｒｇＢｅｙｅｒｌｅ，ｅｔ
ａ１．
Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｓｏｕｎｄｉｎｇｂｙ
ＧＰＳｒａｄｉｏｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎ：ｆｉｒｓｔ
ｓｕｌｔ
ｆｒｏｍ
ＣＨＡＭＰ［Ｊ］．Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ
ＲｅｓｅａｒｃｈＬｅｔｔｅｒｓ，
２００１．２８（１７）：３２６３—３
２６６．
５ＹｕｎｃｋＴＰ．Ａｎｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆ
ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ
ｒａｄｉｏｏｃｃｕｌｔａ一
第２期周义炎等：ＧＰＳ掩星技术和电离层反演
３５
ｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆＧｌｏｂａｌ
ＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓ，２００２。１
（１）：５８—６０．
６
Ｈａｊｊ
ＧＡ，ＫｕｒｓｉｎｓｋｉＥ
Ｒ。Ｒｏｍａｎｓ
Ｌ
Ｊ，ｅｔ
ａ１．Ａｔｅｃｈｎｉｃａｌ
ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ
ｏｆ
ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ
ｓｏｕｎｄｉｎｇｂｙ
ＧＰＳｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎ
［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ
ａｎｄＳｏｌａｒ－Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ
Ｐｈｙｓ—
ｉｃｓ，２００２，６４：４５１—４６９．
７ＰｌｏｔｋｉｎＶＶ．ＧＰＳｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆ
ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ
ｂｅｆｏｒｅｔｈｅ１３
Ｆｅｂｒｕａｒｙ
２００１ＥＩＳａｌｖａｄｏｒ
ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ［Ｊ］．
ＮａｔｕｒａｌＨａｚａｒｄｓａｎｄＥａｒｔｈ
Ｓｙｓｔｅｍ
Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２００３，３：２４９
——２５３．
８Ｌｉｕ
Ｊ
Ｙ，ＣｈｕｏＹ
Ｊ，Ｓｈａｎ
Ｓ
Ｊ，ｅｔａ１．Ｐｒｅ－ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ
ｉｏｎｏ—
ｓｐｈｅｒｉｃ
ａｎｏｍａｌｉｅｓ
ｒｅｇｉｓｔｅｒｅｄｂｙ
ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓＧＰＳＴＥＣ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ａｎｎａｌｅｓ
Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｅ．２００４，２２：ｌ
５８５
—１
５９３．
９ＰｕｌｉｎｅｔｓＳ
Ａ
ａｎｄＬｉｕ
Ｊ
Ｙ．Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ
ｕｎｒｅｌａｔ—
ｅｄ
ｔｏ
ｓｏｌａｒａｎｄ
ｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃ
ａｃｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅ
ｉｎ
Ｓｐａｃｅ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００４，３４：１
９２６—１
９３３．
１０
Ｔｒｉｇｕｎａｉｔ
Ａ。Ｐａｒｒｏｔ
Ｍ。Ｐｕｌｉｎｅｔｓ
ＳＡ。ｅｔａ１．Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ
ｏｆｔｈｅ
ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ
ｅｌｅｃｔｒｏｎｄｅｎｓｉｔｙｄｕｒｉｎｇ
ｔｈｅ
Ｂｈｕｊ
ｓｅｉｓ－
ｍｉｃ
ｅｖｅｎｔ［Ｊ３．Ａｎｎａｌｅｓ
Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｅ，２００４，２２：４
１２３—４
１３１．
１１
Ｐｕｌｉｎｅｔｓ
Ｓ
Ａ．Ｇａｉｖｏｒｏｎｓｋａ
Ｔ
Ｂ，Ｌｅｙｖａ
ＣｏｎｔｒｅｒａｓＡ。ｅｔ
ａ１．Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ
ａｎａｌｙｓｉｓｔｅｃｈｎｉｑｕｅｒｅｖｅａｌｉｎｇｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ
ｐｒｅｃｕｒｓｏｒｓ
ｏｆ
ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒａｌ
Ｈａｚａｒｄｓａｎｄ
Ｅａｒｔｈ
Ｓｙｓｔｅｍ
Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２００４，４：６９７——７０２．
１２
Ｍｏｌｃｈａｎｏｖ
Ｏ．ＦｅｄｏｒｏｖＥ。ＳｃｈｅｋｏｔｏｖＡ，ｅｔａ１．Ｌｉｔｈｏ—
ｓｐｈｅｒｅ－ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ－ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ
ｃｏｕｐｌｉｎｇｇｏｖｅｒｎｉｎｇ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ｆｏｒ
ｐｒｅｓｅｉｓｍｉｃ
ｓｈｏｒｔ－ｔｅｒｍ
ｅｖｅｎｔｓ
ｉｎ
ａｔｍｏｓ—
ｐｈｅｒｅ
ａｎｄ
ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ［Ｊ３．Ｎａｔｕｒａｌ
ＨａｚａｒｄｓａｎｄＥａｒｔｈ
Ｓｙｓｔｅｍ
Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２００４．４：７５７——７６７．
１３
ＦｕｊｉｗａｒａＨ．Ｋａｍｏｇａｗａ
Ｍ，ＩｋｅｄａＭ，ｅｔａ１．Ａｔｍｏｓ—
ｐｈｅｒｉｃ
ａｎｏｍａｌｉｅｓ
ｏｂｓｅｒｖｅｄ
ｄｕｒｉｎｇ
ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ
ｒｅｎｃｅｓ［Ｊ］．Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ
ＲｅｓｅａｒｃｈＬｅｔｔｅｒｓ，２００４，３１，
Ｌ１７１１０．
１４
Ｌｉｐｅｒｏｖｓｋｙ
Ｖ
Ａ，Ｍｅｉｓｔｅｒ
Ｃ
Ｖ，Ｌｉｐｅｒｏｖｓｋａｙａ
Ｅ
Ｖ，ｅｔ
ａ１．Ｏｎ
ｓｐｒｅａｄ－Ｅｓ
ｅｆｆｅｃｔｓ
ｉｎｔｈｅ
ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ
ｂｅｆｏｒｅｅａｒｔｈ—
ｑｕａｋｅｓ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒａｌ
Ｈａｚａｒｄｓ
ａｎｄＥａｒｔｈ
Ｓｙｓｔｅｍ
Ｓｃｉ－
ｅｎｃｅｓ，２００５，５：５９——６２．
１５吴云，乔学军．周义炎．利用ＧＰＳ探测震前电离层ＴＥＣ
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Ｗｕ
Ｙｕｎ．ＱｉａｏＸｕｅｊ
ｕｎ
ａｎｄＺｈｏｕ
Ｙｉｙａｎ．Ｐｒｅｓｅｉｓｍｉｃｘ
ｉｏｎ－
ｏｓｐｈｅｒｉｃ
ＴＥＣ
ａｎｏｍａｌｙ
ｄｅｔｅｃｔｅｄ
ｂｙｇｒｏｕｎｄ—ｂａｓｅｄ
ＧＰＳ
［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
Ｇｅｏｄｅｓｙ
ａｎｄ
Ｇｅｏｄｙｎａｍｉｃ，２００５，２５（２）：
３６—４０．（ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅ）
１６
Ｈｏｃｋｅ
Ｋ．ＩｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆＧＰＳ
ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ
ｄａｔｅ［Ｊ］．Ａｎｎ．
Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｔｅ，１９９７。１５：４４３—４５０．
Ｈａｊｊ
Ｇｅｏｒｇｅ
Ａａｎｄ
Ｌａｒｒｙ
ＪＲｏｍａｎｓ．Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ
ｅｌｅｃ—
ｔｒｏｎ
ｄｅｎｓｉｔｙ
ｐｒｏｆｉｌｅｓ
ｏｂｔａｉｎｅｄ
ｗｉｔｈｔｈｅ
Ｇｌｏｂａｌ
Ｐｏｓｉｔｉｏ—
ｎｉｎｇ
Ｓｅｓｔｅｍ：Ｒｅｓｕｌｔｓｆｒｏｍ
ｔｈｅ
ＧＰＳ／ＭＥＴ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
万 方数据
［Ｊ］．Ｒａｄｉｏ
Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９８，３３（１）：１７５—１９０．
Ｐｅｒ
Ｈｏｅｇ，ＧｅｏｒｇＢｅｒｇｅｔｏｎ．Ｈａｎｓ—Ｈｅｎｒｉｋ
Ｂｅｎｚｏｎ，ａｔ
ａ１．ＧＰＳ
ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ
ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ
ｍｅｔｈｏｄｓ
ａｎｄｅｒｒｏｒ．Ｓｃｉｅｎ—
ｔｉｔｌｅ
Ｒｅｐｏｒｔ，Ｄａｎｉｓｈ
Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，９８—７．
１９
Ｈｅａｌｙ
ＳＢ，Ｈａａｓｅ
Ｊ，ａｎｄ
ＬｅｓｎｅＯ．Ａｂｅｌｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎ－
ｖｅｒｓｉｏｎｏｆｒａｄｉｏｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｍａｄｅ
ｗｉｔｈ
ｒｅｃｅｉｖｅｒｉｎｓｉｄｅｔｈｅＥａｒｔｈ’ｓ
ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ［Ｊ］．Ａｎｎａｌｅｓ
Ｇｅｏｐｈｙｓｉｅａｅ，２００２，２０：１
２５３—１
２５６．
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曾桢，胡雄，张训械，等．电离层ＧＰＳ掩星观测反演技
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２０
Ｚｅｎｇ
Ｚｈｅｎ．Ｈｕ
Ｘｉｏｎｇ．Ｚｈａｎｇ
Ｘｕｎｘｉｅ，ａｔａ１．Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ
ｏｆ
ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ
ＧＰＳ
ｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎ
ｄａｔｅ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ
Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，２００４，４７（４）：５７８—５８３．（ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅ）
２１
张训械。Ｈｏｅｇ
Ｐ，ＬａｒｓｅｎＧ
Ｂ，等．奥斯特／ＧＰＳ掩星与地
面雷达联合观测电离电子密度的初步结果［Ｊ］．全球定
位系统。２０００，２５（３）：１～５．
２１
ＺｈａｎｇＸｕｎｘｉｅ，Ｈｏｅｇ
Ｐ．ＬａｒｓｅｎＧＢ，ｅｔａ１．Ｔｈｅ
ｐｒｉｍａｒｙ
ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｄｅｎｓｉｔｙ
ｉｎ
ｉｏｎｏｐｈｅｒｅ
ｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍ
ｔｈｅ
ｃｏｍｂｉｎａｔｉｖｅ
ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆ
ＯＲＳＴＥＤ／ＧＰＳ
ｏｃｃｕｌｔａ—
ｔｉｏｎａｎｄｔｈｅ
ｇｒｏｕｎｄ—ｂａｓｅｄ
ｒａｄａｒ［Ｊ］．Ｔｈｅ
ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏ—
ｎｉｎｇ
Ｓｅｓｔｅｍ，２０００，２５（３）：１—５．（ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅ）
２２ＴｓａｉＬＣ。Ｔｓａｉ
Ｗ
Ｈ，Ｓｃｈｒｅｉｎｅｒ
Ｗ
Ｓ，ｅｔ
ａ１．Ｃｏｍｐａｒ—
ｓｉｏｎｓｏｆ
ＧＰＳ／ＭＥＴ
ｒｅｔｒｉｅｖｅｄ
ｉｏｎｇｓｐｈｅｒｉｃ
ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｄｅｎｓｉｙ
ａｎｄ
ｇｒｏｕｎｄ
ｂａｓｅｄｉｏｎｏｓｏｎｄｅ
ｄａｔａ［Ｊ］．Ｅａｒｔｈ
Ｐｌａｎｅｔｓ
Ｓｐａｃｅ，２００１，５３：１９３——２０５．
２３
Ｊａｋｏｗｓｋｉ
Ｎａｎｄ
Ｔｓｙｂｕｌｙａ
Ｋ．Ｃｏｍｐａｒｓｉｏｎ
ｏｆ
ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ
ｒａｄｉｏｏｃｃｕｌｔａｔｉｏｎ
ＣＨＡＭＰ
ｄａｔａｗｉｔｈＩＲＩ
２００１［Ｊ］．Ａｄ—
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２４
Ｚｅｎｇ
Ｗｅｎ。Ｚｈａｎｇ
ｘｕｎｘｉｅ．Ｈｕ
Ｘｉｏｎｇ，ｅｔ
ａ１．Ａｎｉｏｎｏ—
ｓｐｈｅｒｉｃ
ｍｏｄｅｌｉｎｔｈｅｓｏｕｔｈＣｈｉｎａ
ｒｅｇｉｏｎ
ｍａｄｅ
ｂｙ
ｔｉｆｉｃｉａｌ
ｎｅｕｒａｌ
ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ
Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
Ｇｅｏｐｈｙｓ—
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２５Ｇｕｏ
Ｚｈｉｑｉａｎｇ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ
ｏｎ
ｌｏｗ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ｓｅｉｓ—
ｍｏｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ
ｅｍｉｓｓｉｏｎ［Ｊ］．Ａｃｔａ
Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｓｉｎｉ—
ｃａ。１９９４，３７（Ｓｕｐｐ．１）：２６１—２６８．（ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅ）
２６
Ｈａｄｊｉｃｏｎｔｉｓ
Ｖ，Ｍａｖｒｏｍａｔｏｕ
ＣａｎｄＮｉｎｏｓＤ．Ｓｔｒｅｓｓｉｎ—
ｄｕｃｅｄ
ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ
ｃｕｒｒｅｎｔｓ
ａｎｄ
ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ
ｅｍｉｓｓｉｏｎ
ｆｒｏｍｒｏｃｋｓａｎｄｉｏｎｉｃ
ｃｒｙｓｔａｌｓ，ａｃｃｏｍｐａｎｙｉｎｇ
ｔｈｅｉｒｄｅ—
ｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒａｌ
ＨａｚａｒｄｓａｎｄＥａｒｔｈ
Ｓｙｓｔｅｍ
Ｓｃｉ—
ｅｎｃｅｓ，２００４。４：６３３——６３９．
２７ＳｈｖｅｔｓＡ
Ｖ，Ｈａｙａｋａｗａ
Ｍ
ａｎｄ
Ｍａｅｋａｗａ
Ｓ．Ｒｅｓｕｌｔｏｆ
ｓｕｂｉｏｎｏｐｈｅｒｉｃ
ｒａｄｉｏＬＦ
ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
ｐｒｉｏｒ
ｔｈｅＴｏｋａｃｈｉ
（Ｍ一８．Ｈｏｋｋａｉｄｏ，２５，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ
２００３）ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ
［Ｊ］．Ｎａｔｕｒａｌ
Ｈａｚａｒｄｓａｎｄ
Ｅａｒｔｈ
Ｓｙｓｔｅｍ
Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２００４，
４：６４７—６５３．
GPS掩星技术和电离层反演
作者：
作者单位：
周义炎， 吴云， 乔学军， 张训械， ZHOU Yiyan， Wu Yun， Qiao Xuejun， Zhang
Xunjie
周义炎,吴云,乔学军,ZHOU Yiyan,Wu Yun,Qiao Xuejun(中国地震局地震研究所,武汉
,430071;地壳运动与地球观测实验室,武汉,430071)， 张训械,Zhang Xunjie(中国科学院数
学与物理研究所,武汉,430071)
大地测量与地球动力学
JOURNAL OF GEODESY AND GEODYNAMICS
2005，25(2)
12次
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
被引用次数：
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Variations of the ionosphere electron density during the Bhuj
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Correlation analysis technique revealing
ionospheric precursors of earthquakes 2004
nov v tov A
Lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling as governing
mechanism for preseismic short-term events in atmosphere and ionosphere 2004
ra wa M
Atmospheric anomalies observed during earthquake occurrences 2004
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林剑.吴云.刘经南.LIN Jing-Nan
电离层GPS掩星反演技术研究
-地球物理学报
2009,52(8)
GPS无线电掩星技术足崭新的、高效的地球大气层和电离层探测技术,但仍在发展和完善之中.本文详细推导了Abel积分和绝对TEC电离层反演方法,研
究了如何解决Abel积分产生的上下限异常问题;用COSMIC发布的GPS原始数据进行了反演计算,将结果与地面电离层测高仪数据进行了比较,最后讨论了周
跳对反演结果的影响问题.结果表明:(1)在较高轨道高度(约800 km),Abel积分与绝对TEC方法的反演结果基本一致,都与电离层测高仪反演结果符合良好
;在较低轨道高度(约500 km),绝对TEC反演精度优于Abel积分反演精度;(2)绝对TEC反演的最大电子密度Nm较Abel积分法获得的结果更接近于电离层测高
获得的峰值电子密度NmF2,绝对TEC反演法更加严密和有效;(3)周跳对绝对TEC反演结果的影响较Abel积分反演结果的影响更为敏感,但无论哪种方法,周跳
对反演精度都造成严重损失.综合而言,绝对TEC反演法是更优的方法.
2.学位论文
刘敏
GPS掩星观测的变分同化技术
2005
常规的大气探测手段的时空分辨率限制了对于地球大气的时变特性和空间分布的深入认识。GPS/LEO掩星技术以其全球覆盖、高精度、高垂直分辨力
、长期稳定、低费用、全天候观测等特点，提供了一种新的大气探测技术。该技术对将来的中性大气和电离层的探测具有广阔的应用前景，对我国的数
值天气预报和气候的研究具有十分重要的价值。
本文围绕无线电掩星反演地球大气的原理以及变分同化方法的运用，讨论了该技术在数值预报方面的应用，主要工作如下：
1、简单地介绍了地球大气以及无线电掩星观测的意义、历史和发展。讲述了无线电掩星观测技术的发展现状，以及开展GPS气象学的科学意义和在国防
建设、国民经济中的应用价值。
2、详细描述了无线电掩星的基本技术原理。以COSMIC计划为例，介绍了掩星观测系统(包括GPS卫星和LEO卫星)，观测资料的数据处理流程(包括数据采
集、精密定轨、校正处理和反演处理)以及掩星观测的特点。
3、介绍了无线电波在中性大气中传播的基本理论(正演)和有关大气折射的基本知识，然后介绍GPS掩星反演地球大气的基本理论，以及球对称假设下的
中性大气标准反演法及其计算流程，并且给出了反演实例。对于电离层反演，也作了简单介绍。
4、为了克服标准算法中存在模糊度的缺陷，进一步提高反演精度，引入了变分同化方法。介绍了数据同化的历史与发展，以及各种同化方法的理论基
础以及它们各自的优缺点。对一维变分同化反演技术作了详细的介绍，介绍了各种一维变分同化中同化因子的算法，还列举了两种常用的求解价值函数
极小值的方法：牛顿迭代法和Levenberg-Marquardt方法。详细比较了用各种不同的同化因子时的优缺点，对于目前气象预报中最常用的四维变分
(4DVAR)同化技术也做了简单介绍。
5、以CHAMP掩星观测为实例，说明了GPS数据在数值预报中的作用。并且用对称模式下的一维弯曲角算子和折射率算子来同化反演结果，证明了变分同
化方法对于反演结果的改进。
1.杜起飞.孙越强.陶鹏.白伟华.赵华.胡雄.吴小成.李伟
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2.占惠.梁全强.林淑冰.许仪西.杨婕
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3.熊晶.吴云.祝芙英.林剑.周义炎.杨剑
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6.杨剑.吴云.周义炎
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8.蔡军涛.赵国泽.詹艳.汤吉.陈小斌
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9.周硕愚.吴云.施顺英.张燕
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11.张雅声.李智
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