摘要
GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)无线电掩星观测作为一种新型探测技术，可以获取全球大气层以及电离层的三维结构，具备全天时、全天候、低成本、自校准、高精度和高垂直分辨率等技术特点。该技术所生成的大气产品（温湿压廓线）和电离层产品（电子密度廓线，电离层闪烁）可为数值天气预报、空间天气监测、大气物理研究以及电离层研究等提供重要数据支撑。我国分别于2013年以及2017年发射了风云三号(FY3)系列卫星中的C星(FY3C)以及D星(FY3D)，形成了双星组网观测。此外，风云三号系列后续规划的4颗卫星(E，F,G，R)拟在未来10年内形成至少三星的连续组网观测。相较于其它国际掩星项目大多仅能接收GPS(GlobalPositioningSystem)信号的特点，风云三系列卫星搭载了全球首个能够同时接收北斗导航信号和GPS导航信号的新型载荷—全球导航卫星掩星探测仪(GNSSOccultationSounder，GNOS)。随着风云三系列卫星的长期稳定运行，以及不同卫星的接续组网观测，亟待对积累的海量电离层掩星数据开展更广泛和深入的研究，将宝贵的电离层掩星观测资料发挥更重大的科学价值。 本文追溯了无线电电离层掩星观测的发展状况，介绍了基本的电离层掩星反演原理，并基于目前在轨的风云三号系列电离层掩星数据产品的研究现状，开展了电离层产品误差评估、电离层产品应用研究等一系列工作，具体内容如下: 1.介绍了基于FY3C-GNOS的无线电掩星反演系统的组成架构以及各级别掩星数据产品的反演流程，并阐述了常用的电离层掩星反演算法以及电离层闪烁的计算方法。 2.系统评估了风云三号C星以及D星电离层掩星电子密度产品以及电离层闪烁产品的数据精度。结果表明，与垂测仪相比，FY3CGPSF2层峰值电子密度（F2-1ayermaximumelectrondensity，NmF2）和北斗NmF2均表现出高于0.95的相关系数，低于10％和20％的平均偏差与标准差，证明了风云三号C星不同GNSS系统电子密度反演精度的一致性。此外，与垂测仪相比，风云三号D星的GPSNmF2同样具有上述精度表现，证明了FY3D电子密度反演精度的可靠性以及C星与D星电子密度精度的一致性和接续性。C星的GPSF层最大幅度闪烁指数(S4max)以及D星的北斗S4max与COSMIC相比均有低于0.03和0.1的平均偏差和标准差，均表现出较为可靠的电离层闪烁观测精度。 3.系统分析了FY3C-GNOS电离层气候学特征的完备性以及其与COSMIC气候学特征的一致性，尤其对其季节变化特征进行了重点的统计分析。在此过程中，综合了相应的数据质量控制和筛选方法对掩星数据进行甄选，并开发了应用于电离层气候研究的参数网格化方法对FY3C-GNOS全球气候学特征进行可视化呈现。结果表明，两者在NmF2的电离层气候学特征中均表现出赤道异常，半年异常，年异常，威德海异常等典型气候学现象。两者也在hmF2中表现出一致的半球不对称特征和威德海异常现象，证明了FY3C-GNOS在电离层气候学研究中的可行性和可靠性。 4.利用电离层掩星电子密度数据对近期低太阳活动期的IRI-2016模型进行评估与对比，为模型改善提供科学参考。结果表明，在统计分析中，IRI-2016URSI(InternationalUnionofRadioScience)NmF2与电离层掩星NmF2之间存在低于10％的系统偏差，IRI-2016SHU(SHUbin)hmF2（F2层峰值高度）相比于BSE(Bilitza-Sheikh-Eyfrig)、AMTB(Altadill-Magdaleno-Torta-Blanch)hmF2的标准差降低5km左右。在气候学分析中，IRI-2016URSINmF2与掩星NmF2在电离层气候学特征上总体相同，不一致区域主要集中在海洋。相比于BSE以及AMTBhmF2选项，IRI-2016SHU选项复现出与掩星hmF2较为一致的电离层气候学变化特征，证明了该选项融合垂测仪以及掩星hmF2数据的有效性。
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