عنوان پایان‌نامه
مدلسازی مکانی-زمانی تغییرات محلی یونسفر
- رشته تحصیلی
- مهندسی عمران - نقشه برداری- ژئودزی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3116;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 71783
- تاریخ دفاع
- ۱۹ آبان ۱۳۹۴
- دانشجو
- سعید فرزانه
- استاد راهنما
- محمدعلی شریفی
- چکیده
- لایه یونسفر یکی از لایه های مهم جو کره زمین می باشد که از ارتفاع 60 کیلومتری از سطح زمین شروع شده و تا ارتفاع حدود 1000 کیلومتری ادامه می یابد. پدیده یونیزاسیون که همان جدا شدن یک یا چند الکترون از هسته مرکزی اتم یا مولکول گازها می باشد در این طبقه از اتمسفر به وقوع می پیوندد. پارامترهای مختلف یونسفری از قبیل محتوای چگالی الکترون و چگالی الکترون اطلاعات ارزشمندی را از یونسفر فراهم می آورند. از آنجا که انتشار امواج الکترومغناطیس در این لایه دستخوش تغییراتی می گردد، لذا مدل سازی پارامترهای مختلف آن در بسیاری زمینه ها از قبیل ارتباطات مخابراتی، ناوبری، تعیین موقعیت و غیره از اهمیت بالایی برخوردار است. در این رساله با استفاده از توابع پایه اسلپین کروی جهت مدلسازی محلی یونسفر استفاده شده است. این توابع باند محدود به گونه ای تعریف می گردند که بیشترین انرژی شان در یک منطقه خاص در حیطه ی مکان قرار بگیرد، بعبارت دیگر با ساختن این توابع به دنبال بیرون کشیدن بیشترین محتوای اطلاعاتی از مشاهداتی هستیم که آنها در یک منطقه موضعی شده بر روی کره در اختیار داریم. در این راستا جهت مدلسازی دوبعدی یونسفر (VTEC) از توابع اسلپین بصورت تابعی از عرض ژئومغناطیسی و طول جغرافیایی sun-fixed استفاده شده است. جهت بیان تغییرات زمانی، ضرائب اسلپین با بکارگیری توابع موجک B-spline وابسته به زمان گردیده، همچنین برای کاربردهای نزدیک به آنی از ایده فیلترینگ کالمن جهت نشان دادن تغییرات زمانی پارامترهای یونسفری استفاده شده است. از آنجا که این نوع مدلسازی قادر به بیان تغییرات ارتفاعی چگالی الکترون نمی باشد رویکردهای دیگری پیشنهاد شد. اولین رویکرد بیان چگالی الکترون برحسب تابع پروفیل چاپمن می باشد بنحوی که پارامترهای اساسی این تابع بر حسب ترکیبی از توابع اسلپین کروی و موجک B-spline مدل گردید. رویکرد دوم استفاده از مفهوم توموگرافی برای بیان تغییرات چگالی الکترون می باشد. اساس توموگرافی یونسفری بر پایه ی بازیابی چگالی الکترون از مشاهدات STEC است. روش برآورد کمترین مربعات مولفه های واریانس به عنوان ابزاری قدرتمند جهت وزن دهی به مشاهدات مختلف به منظور ترکیب آنها مورد استفاده قرار گرفته است. کلمات کلیدی: مدلسازی محلی یونسفر، توابع اسلپین کروی، مدلسازی تک لایه، مدلسازی چند لایه، توموگرافی، برآورد کمترین مربعات مولفه های واریانس
- Abstract
- The upper part of the Earth atmosphere is important for the ground-based and satellite radio communications and navigation. It consists of free electrons and ions, mainly ionized by solar radiation. The free electrons in the ionosphere have a strong impact on the propagation of radio waves. When the signals pass through the ionosphere, both their group and phase velocity are disturbed. Several space geodetic techniques such as satellite altimetry, LEO satellite and Very Long Baseline Interferometry (VLBI) can be used to model the total electron content. Precise ionosphere modeling is crucial and remains as a challenge for GPS positioning and navigation as well as many other Earth observation systems. In this research we propose three approaches to model the vertical total electron content (VTEC) of the ionosphere with spherical slepian function. The spherical Slepian basis, a set of the band-limited functions which have the majority of their energy concentrated by optimization inside an arbitrarily defined region, provides an efficient way for the analysis and representation of the spatio-spectrally localized geophysical signals. For the two dimensional case, VTEC is modeled in a sun-fixed reference frame and the three dimensional approaches based on a system of three-dimensional base functions defined as the tensor product of spherical slepian function for longitude and latitude in an earth-fixed reference frame as well as polynomial B-spline functions for the time. For dynamic TEC modelling, the three-dimensional state of the ionosphere was estimated by integrating the spherical Slepian harmonic function and Kalman filter. The kalman filter was utilized to perform the parameter estimation due to its suitable properties in processing the GPS measurements in the real-time mode. In the single layer model category, the local ionosphere modeling was also done by the combination of space geodetic observations. The combination of the data from the ground GPS observations and the altimetry mission Jason-2 was performed on the normal equation level in the least-square producer. For electron density modelling we propose two approaches, first the multi-dimensional model of the electron density derived from ionospheric GPS radio occultation measurements by the FORMOSAT-3/COSMIC satellites has been developed. In order to develop a 4D local model for the electron density, a Slepian function was used to account for longitudinal and latitudinal variations, the B-spline was utilized for time variations and the Chapman profile function was used to express the height variations of the electron density, in this way the parameters of the Chapman function, namely the maximum electron density of the F2 layer (NmF2) and the corresponding F2 peak height (hmF2) were modeled. The coefficients of the two sets of the Slepian functions were estimated using the least-squares adjustment technique. Second, the functional-based model was used to represent the electron density in space. This model used the Empirical Orthogonal Functions (EOF) and spherical Slepian function to describe the vertical and horizontal distribution of the electron density, respectively. In this aspect, the Computerized Ionospheric Tomography (CIT) which is a method for the imaging of the ionosphere based on the sounding of the ionosphere by computing the total electron content (TEC) values from the recorded Global Positioning Satellite System (GPS) signals was used. The most commonly used model in the ionospheric tomography is the voxel-based model. This model divides the ionosphere into the voxels and the TEC is measured along many satellite signal paths and then an inversion procedure is applied to reconstruct the electron density distribution in the ionosphere. Keywords: Local ionospheric modeling, Spherical Slepian function, Spherical harmonic function, B-Spline, LS-VCE
