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gps数据中的电离层扰动 透过电离层的延迟量 电离层是一种脆弱的电离气体，属于色散介质。它可以以各种方式影响电子层的传播，这与电子层的密度密切相关。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代表测站上空一定区域范围内的TEC(Tota 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。 1 基本gps耳克 1.1 垂直电子总含量 地基GPS测量TEC是传统的电离层观测手段,IGS(International GPS Service)站提供的垂直电子总含量(VTEC)数据是利用全球连续GPS站的观测资料通过双三次样条函数拟合得到的,且均匀地分布在全球网格点上空(网格线纬度间隔2.5°,经度间隔5°),每两小时更新一次。 1.2 震前震前电离层vtec扰动现象 2007年3月13日10时22分在福建省顺昌发生了ML4.9级地震,2008年3月6日21时58分在福建省古田发生了ML4.8级地震,本文对近年来福建省发生的ML>4.5级的地震进行分析,借助IGS VTEC利用三次样条插值得到震中VTEC时间序列变化图如图1所示。 从图1可看出,震例均发现了较为明显的震前电离层VTEC扰动现象。震前5天震中VTEC值均出现了异常的增大或减小;异常的增大一般出现在减小之前,且距离发震时刻较远,基本上不能归结为由地震引起的异常现象,可能与太阳或地磁活动的增强有关;减小一般邻近发震时刻,可以归结为地震引起的电离层效应。因此,监测地震多发区的VTEC有可能捕捉到地震电离层前兆信息。 2 星的密度 2.1 工作流程 GPS无线电掩星技术是指在低轨(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[3、4]。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,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(0～60 km)。同时,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。电离层掩星数据反演流程如图2所示。 GPS掩星探测可以获得0～60 km高度范围内的大气参数剖面和60～800 km高度范围内的电离层电子密度剖面,具有高精度、近实时、全天候、全球覆盖和低成本等优点,且独立于其他基准系统并自校准,因此探测结果无需标定[6～10]。COSMIC是1997年台湾和美国签订的合作计划,该计划旨在利用掩星星座,测量和研究大气气象、气候和电离层。在电离层领域,COSMIC数据为模型测试和初值假定提供稠密、精确和全球性的电子密度测量数据。 2.2 电离层电子密度数据 本文根据UCAR COSMIC数据处理中心公布的电离层电子密度数据,分析顺昌和古田地震震前电离层扰动。以顺昌和古田地震震中附近经向60°,纬向30°为空间范围,以震前第7到第5小时为时间范围,选取这一时空范围内,由涉及相同GPS卫星的掩星事件得到的电离层电子密度数据,绘制出震中附近电离层电子密度剖面图如图2所示。 通过分析地震在震中附近的COSMIC掩星数据可看出,震例均发现了较为明显的震前电离层峰值电子密度扰动现象。震前5天震中附近电离层峰值电子密度均出现了异常的增大或减小;异常的增大一般出现在减小之前,且距离发震时刻较远,减小一般邻近发震时刻,异常的变化可以归结为地震引起的电离层效应。因此,监测地震多发区上空的电子密度有可能捕捉到地震电离层前兆信息。 在前面的震例分析中,为了使每一天的电离层剖面具有可比性,所选取的参考掩星数据有以下特点: (1)掩星事件涉及的GPS卫星相同。 (2)掩星切点轨迹线的位置相近。 (3)掩星事件发生的时间相近。 但是,目前COSMIC用于掩星观测的低轨卫星数量只有六颗,掩星观测数据数量有限,在一些震例中很有可能找不到满足上述条件的一组掩星观测数据。 3 震前电离层扰动的一致性 本文是根据电离层(VTEC或电子密度)的异常扰动探求地震前兆信息。通过对福建省近年发生的ML>4.5级的地震进行分析,可以看到地基GPS与GPS掩星探测到的震前电离层扰动具有一致性,即临近发震时刻的VTEC和峰值电子密度均出现异常的减小。由于这种震前地震—电离层效应具有短临时间尺度,可以为今后地震的短临监测预报提供新的前兆依据。 感谢地壳运动观测网络、IGS、UCAR为本文研究提供的数据,感谢湖北省地震局周义炎博士和杨剑硕士的帮助。