GPS觀測大氣閃爍之研究

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姓名

蔡東穎(Tung-Ying Tsai) 查詢紙本館藏

畢業系所

太空科學研究所

論文名稱

GPS觀測大氣閃爍之研究

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摘要(中)

近年來由於衛星系統在遙感探測與通訊方面的蓬勃發展，衛星通訊的品質亦備受重視。而衛星訊號在被接收時，都發現其強度具有強弱波動的現象，被稱為閃爍現象。此現象的發生原因是由於衛星訊號必須穿越整個大氣層才能到達地面的接收站，而大氣層中具有許多衛星通訊之研發者所不知的擾動。因此在衛星通訊系統的設計中，並無針對大氣層擾動對衛星訊號的干擾，作出一有系統的雜訊處理。
本研究目的即是利用GPS來研究及探討大氣擾動與衛星訊號間的相互關係。由於GPS是被設計用來作為即時定位的衛星系統，因此其衛星架構設計具有衛星數目多，以及取樣頻率高等優點。另外由於其接收器成本較低廉，衛星資料不須購買即可取得，因此，此系統被普遍的採用在各方面的研究。如此也造就了它更進一步的優點，即是GPS接收站的數目遠超過其他衛星的接收站數目，其分佈的地理位置也不像其他衛星的接收站會因為衛星軌道的關係，而無法廣泛的分布。於是，若是能成功的利用GPS接收的訊號所觀測到的閃爍現象，來研究大氣層的擾動，便能提供出大氣層擾動在時間與空間上更進一步的資訊。這對大氣層的研究者而言，將是相當有利的資訊，並希望能提供給衛星通訊之研發人員來改善衛星通訊之品質。
本文是採用架設於本校之GPS雙頻接收器的資料來作處理與分析。由於雙頻的GPS相位資料，可以藉電離層殘差法做線性組合，留下電離層的遲延量。因此，本文即採用此法來試驗出，使用GPS相位資料來觀察電離層擾動的處理方法。在處理過程中發現，GPS訊號穿過電離層的厚度變動量，以及在低仰角時，訊號的衰弱現象，都會造成某種程度的雜訊，而這些雜訊和電離層的擾動所造成的雜訊互相混淆。因此，本文利用低仰角去除以及二次微分的技術，將這些雜訊去除，以便讓GPS的訊號，能夠純粹的觀察到電離層的擾動。結果，經由以上方法所處理過的一整個月(2002年3月)的資料中，可發現到訊號具有某種經常性的擾動。此擾動的尺度與時間分佈均有其固定之特性，因此吾人相信GPS相位資料所觀察到的閃爍現象，應是由電離層的某種擾動所致。經由與各種電離層的擾動特性作比對後，猜測此擾動為發生在F層的電漿泡所造成。為了更進一步地了解此雜訊的特性，本文將此擾動的訊號經過傅立葉轉換，求得此訊號在頻率上的分布。若是這種由電漿泡所造成的閃爍現象訊號，具有某種固定的頻率分布，則此雜訊便可經由頻率的濾波器而將之消除。然而，可惜的是在經過傅立葉轉換之後，並無發現此閃爍現象之頻率特性，所以可得知由電漿泡所造成的閃爍現象，並不是如此容易被消除的。儘管如此，GPS可用以偵測電漿泡的發現，使得相關於電漿泡的研究，在空間上可得到優於其他電離層探測儀器的資訊。於是在本文便將閃爍現象之強度與衛星軌道作套合，換算出電漿泡的發生位置。由結果可得知，僅僅一個GPS接收站就可以得到相當密集的空間資訊，若是配合上其他的GPS雙頻接收站，相信可準確的掌控電漿泡的發生位置，對於電漿泡的研究，GPS將是更有利的工具。

關鍵字(中)

★ 閃爍
★ GPS

關鍵字(英)

論文目次

摘要……………………………………………………..…………Ⅰ
目錄……………………………………………………….……….Ⅲ
圖目錄……………………………………………….…………....Ⅴ
表目錄……………………………………………………………..Ⅷ
第一章前言………………………………...………………….....1
1.1 閃爍現象概述…… ………………..…………………1
1.2 閃爍現象對GPS訊號的影響………..………….….2
1.3 研究目的……………………………………..……….2
第二章實驗儀器…………………………………..…………..…3
2.1 GPS介紹……………………………..……………….3
2.2 GPS接收器…………………………..…………….…4
2.3 軟體………….…………………………………….….4
第三章理論基礎…………………………………………….…..5
3.1 GPS資料………………………………………..…..5
3.1.1 GPS衛星訊號………………………………….5
3.1.2 RINEX格式…………………………………….6
3.2 GPS相位資訊簡介………………………………….7
3.2.1 相位內含參數………………………….…….7
3.2.2 雜訊組成……..……………………………....8
3.3 電離層殘差法與參數rTEC介紹…………….…..14
3.4 傅立葉分析………………………..………………18
3.5 精密星曆與座標轉換……………………..……..18
3.5.1 精密星曆…………………………………….18
3.5.2 座標轉換…………………………….……….19
3.6 電離層簡介………………………………………..20
3.6.1 散塊E層………………………………………21
3.6.2 赤道F層擴散現象簡介……………………..21
3.6.3 太陽閃焰………………………………………22
3.6.4 磁暴……………………………………………22
第四章資料分析……………………………………………….23
4.1 rTEC日變化…………………………….….23
4.2 去除低仰角資料………………….…..……25
4.3 二次微分…………………………………….27
4.4 傅立葉分析………………………………………29
4.5 擾動之空間座標轉換………………………….30
4.6 閃爍現象與地磁指數之相關….………………32
4.7 振幅資料分析…………………………………32
4.8 IPEI資料分析…………………………...………33
第五章結論…………………………………………………….34
參考文獻…………………………………………………..……..69

參考文獻

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指導教授

劉說安(Yuei-An Liou)

審核日期

2002-7-14

推文