《测绘本科毕业论文基于gps电离层层析技术的地震电离层异常研究》.docx

中 南 大 学本科生毕业论文(设计)题 目 基于GPS电离层层析技术的地震电离层异常研究学生姓名 刘 莹 指导教师 戴吾蛟 学 院 地球科学与信息物理学院 专业班级 测绘工程0903班 完成时间 2013年05月27日 目录目录 2摘要 4Abstract 5图例索引 6表格索引 7第一章 绪论 81.1电离层研究背景及意义 81.2电离层探测技术与方法的发展 81.3基于GPS的电离层层析技术的国内外研究现状 111.4本文研究的主要内容 11第二章 电离层的基本特性 132.1地球大气结构 132.2电离层概述 132.3电离层异常、不规则现象和扰动 142.4地磁参数及太阳活动指数 15第三章 基于GPS的电离层层析原理 163.1GPS概述 16时间系统和坐标系统 16观测量与观测方程 17测量的误差分析 17电离层薄壳模型 173.2双频GPS测量电离层TEC的基本原理 183.3基于GPS的电离层层析算法 213.4实验步骤 233.5小结 24第四章 异常检验方法 254.1参考值的选择 254.2方法简介 26第五章 基于GPS电离层层析技术的地震电离层异常研究 275.1日本2011年3月地震震例分析 27实验数据选择 27实验数据准备 27数据处理 285.2苏门答腊岛2012年4月地震震例分析 335.3中国台湾2012年2月地震震例分析 445.4中国新疆2012年2、3月地震震例分析 525.5地震震例统计分析 64中国新疆2008年3月地震震例分析 64中国新疆2012年6月地震震例分析 66中国新疆2012年8月地震震例分析 675.6统计分析结果 69第六章 总结与展望 716.1研究工作总结 716.2进一步的工作展望 72参考文献 73致谢 75摘要地震灾害给人类带来的生命财产损失是难以估计的。

在地震的短临期预测中，一个很自然的思路就是研究地震前的异常随着卫星导航定位系统的不断发展，国际上许多组织和国家相继建立了用于监测地壳形变的地面GPS地面站网络，但是常规的基于地基GPS监测网络监测对象是电离层TEC、垂直总电子含量和峰值电子密度NmF2这些物理量只能给出电离层电子密度在两维的分布，而不能给出其随高程变化的情形，具有一定的局限性而本文旨在运用Austen等人于1986年提出的电离层层析成像技术（Computerized Ionospheric Tomography，简称CIT）反演电离层电子密度的方法以监测电离层的异常情况，并且利用GPS数据结合电离层层析模型反演出电离层的三维电子密度空间分布，能够较好的展现电子密度的空间变化情况，克服了常规地基GPS监测电离层方法的局限，同时选择使用的乘法代数重构算法（MART），解决了求解基于 GPS 的电离层层析是一个秩亏方程的问题，最终得到了地震前电离层电子密度三维分布，利用异常探测方法对反演出的电子密度值进行探测并用统计学分析方法统计多次不同震级的地震电离层规律关键词：地震；电离层异常；层析；GPS AbstractThe loss of mankind life and property brought by earthquakes is difficult to estimate. In prediction of earthquake, a natural idea is to study the exception before the earthquake. With the development of satellite navigation and positioning system, international organizations and countries have established a ground-based GPS station network for monitoring crustal deformation, but the conventional ground-based GPS monitoring network just monitors ionospheric TEC, vertical total electron content and peak electron density NmF2. These quantities can only give us informations about electron density of the ionosphere in the two-dimensional distribution, but cannot show its variation with elevation changes. It has certain limitations.This paper uses the theory which was found by Austen et al in 1986 .The theory （Computerized Ionospheric Tomography, CIT）is about ionospheric tomography inversion method to monitor ionospheric anomalies of the ionospheric electron density . And using GPS data and Ionospheric Tomographic Technology can better show the three-dimensional internal structure, variation and disturbances of ionosphere. It overcomes the limitations of conventional ground-based GPS monitoring ionospheric method. This paper uses the Multiplicative Algebraic Reconstruction Algorithm (MART) to solve the problem which ionospheric tomographic technology based on GPS is a rank deficient equation. Finally, we get the three-dimensional distribution of ionospheric electron density before the earthquake, through the using of anomaly detection method and statistical analysis method to analysis the relationship between different magnitude earthquake and ionospheric electron density.Keyword：Earthquake; ionospheric anomaly; tomography; GPS图例索引图 1大气层结构示意图 13图 2电离层电子密度的典型高度分布（中纬度地区） 14图 3电离层层析原理示意图 22图 4 2012年2月1日至11日新疆地区电离层电子密度数据异常探测 25图 5震级与地震次数统计规律 27图 6 2011年3月1日至31日期间Kp指数Dst指数、 29图 7 3月22日UT16:00左右高度面上的电子密度变化情况 30图 8 3月22日UT22:00左右电子密度变化情况 31图 9 3月23日UT6:00左右电子密度变化情况 32图 10 3月24日UT16:00左右电子密度变化情况 33图 11 3月28日UT6:00左右电子密度变化情况 33图 12苏门答腊岛区域 34图 13 2012年4月1日至15日期间电子密度时间序列图 37图 14 2012年4月1日至30日期间Kp指数Dst指数、 38图 15 2012年4月11日UT10:00左右电子密度变化情况 39图 16 2012年4月11日UT10:00左右高度面上的电子密度变化情况 41图 17 2012年4月14日UT8:00左右电子密度变化情况 43图 18 2012年4月14日UT8:00左右电子密度变化情况 44图 19 2012年2月1日至29日期间Kp指数Dst指数 45图 20 2012年2月12日至26日期间电子密度时间序列图 46图 21 2012年2月22日UT0:00左右高度面上的电子密度变化情况 48图 22 2012年2月23日UT6:00左右电子密度变化情况、 49图 23 2012年2月24日U8:00左右高度面上的电子密度变化情况 50图 24 2012年2月26日UT10:00左右高度面上的电子密度变化情况 51图 25 2012年2月台湾屏东地区地震正、负异常统计 52图 26 新疆地区地震分布图 52图 27 2012年2、3月份Dst、Kp指数图 55图 28 2012年2、3月份电离层电子密度异常格网数时间序列 56图 29 2月20日UT20:00电子密度异常情况 58图 30 2月28日UT4:00电子密度异常情况 59图 31 3月5日UT4:00电子密度异常情况 60图 32 3月6日UT18:00电子密度异常情况 61图 33 3月8日UT0:00电子密度异常情况 62图 34 2012年2-3月新疆地震正、负异常统计 64图 35 2008年3月新疆地震正、负异常统计 66图 36 2012年6月新疆地震正、负异常统计 67图 37 2012年8月新疆地震正、负异常统计 69表格索引表格 1测站信息表 28表格 2 2012年4月苏门答腊岛地区电离层正负异常统计 44表格 3 2012年2月台湾屏东地区电离层正负异常统计 51表格 4 2012年2、3月新疆地震统计 53表格 5 2012年2、3月新疆地区电离层正负异常统计 63表格 6 2008年3月新疆地区电离层正负异常统计 65表格 7 2012年6月新疆地区电离层正负异常统计 67表格 8 2012年8月新疆地区电离层正负异常统计 68第一章 绪论1.1电离层研究背景及意义地震是地球上经常发生的一种自然灾害，是地球内部发生的急剧破裂产生的震波在一定范围内引起地面振动的现象。

地震灾害给人类带来的生命财产损失是难以估计的据联合国统计，上个世纪，全世界因地震死亡的人数达120万，占全球自然灾害所造成的死亡总和的58%，更突显出防震减灾的重要性和紧迫性地震预警是指用科学的思路和方法，对可能发生的地震进行预测并采取相应预防措施由于地震的复杂性，其机理超出了现有的知识框架，使地震预测成为一个全球性的科学难题在地震的短临期预测中，一个很自然的思路就是研究地震前的异常：即通过发现地震前通常会出现的异常情况。