空间对地观测及其在地震监测预报中的应用成果介绍
一、成果概况
1、 GNSS中性大气与电离层掩星反演技术
GNSS无线电掩星观测技术作为导航卫星应用的新兴技术，可以提供高精度、高分辨率、全球覆盖的中性大气与电离层剖面，是21世纪最先进的空间探测技术之一。空间技术与应用研究中心组织核心科研人员，攻克了GNSS中性大气与电离层反掩关键技术，其反演结果与国际权威机构COSMIC最终公布的结果一致，为我国首颗电磁实验卫星地面掩星数据处理奠定了夯实的技术基础。
随机抽取COSMIC 2013年4月30日某一掩星事件的附件相位延迟文件（atmPhs_C001.2013.120.00.00.G15_2013.3520_nc）进行反演示例，并与COSMIC最终公布产品比较，结果如图所示。可得出，中心的全谱反演结果和COSMIC结果基本一致，完全可以达到COSMIC卫星数据公布结果。
图1中性大气全谱反演与COSIMC比较示例图（由左至右依次为：折射率、干温、干压，其中绿线表示FSI反演结果，红线表示COSMIC反演结果）
随机选取了COSMIC 2006年150（年积日）2号卫星原始观测文件，反掩个例与COSMIC最终公布产品比较如图2所示。可得出，中心的电离层反演结果和COSMIC结果基本一致，完全可以达到COSMIC卫星数据公布结果。
图2电离层反演结果COSMIC比较个例示意图
2、 基于地基陆太网络GNSS数据构建中国区域二维电离层TEC模式
电离层电子浓度总含量(TEC)是电离层模式等理论与应用研究的重要对象，在现代电离层科学及相关的空间应用中受到了极大的关注。利用函数基建立二维电离层TEC模式是指采用一定的数学函数来描述电离层TEC参量随时间、空间的变化，然后采用最优估计的方法对模型系数进行估计，最终获取随时间和空间变化的TEC信息。这种方法不考虑电离层的内部结构，而直接对GPS获取的TEC信息相对于地理位置和时间的变化进行数学表述，从而获取特定区域中任意位置的TEC信息。中心基于陆太网络200多个站的GNSS数据，通过球谐函数构建了中国区域的二维电离层TEC模式，其精度到达国际先进水平，可为地震电离层异常监测与研究提供宝贵的资源。
3、 SLR数据处理与分析
SLR (Satellite Laser Ranging)技术是现代空间大地测量最先进技术之一，卫星激光测距系统经过几代的发展后，无论其测距精度还是测距能力等方面都有了很大的提高。中心现已具备对SLR观测数据的处理分析能力，包括进行SLR精密定轨，观测数据质量分析等。
通过对2005年全球的SLR资料对LAGEOS-1进行精密定轨，结果显示每3天一个弧段的定轨残差RMS优于1cm。通过对精密定轨基础上的偏差分析，给出了流动SLR观测站的距离偏差、时间偏差以及所能达到的测距精度。结果表明：流动SLR乌鲁木齐站的测距系统是成功的，其平均单次观测精度优于2厘米，较好地达到了设计所要求的指标水平。
图3 2005年6～8月份定轨后的加权残差RMS
利用SLR观测能够为GPS定轨提供检核标准，还可以用于全球参考框架的维持等，最重要的是，SLR数据还可以用于精确测定地面台站相对地心的位置和运动，监测板块构造运动和地壳的水平和垂直形变，为地震预报提供重要信息。
4、地震电离层异常效应研究
地震电离层效应成为地震前兆信息领域一个新的研究热点，大量的研究表明：震前孕震区上空的电离层一般会出现明显的异常扰动。基于GPS观测资料反演的电离层TEC数据拟对近十年来全球7级以上地震进行震前电离层TEC异常扰动的分析研究，在排除已知的非震源因素引起的扰动后，统计总结电离层TEC局部异常扰动的分布特征。
因受地球磁力线影响，孕震上空电离层震前电离层异常存在往赤道偏移趋势。下图为地震电离层与震中偏移机制示意图。
图4地震电离层与震中偏移机制示意图
通过对全球范围内144个M≥7.0地震的震前电离层异常扰动的统计分析可以获得如下一些结论：
（1）排除日地空间地磁扰动的干扰后，震前电离层TEC异常扰动的发生率具有随震级的增大而增大的趋势；
（2）当震级大于等于7.6时，震前的电离层负扰动在午后（12:00-18:00 LT）出现的概率相对较大，而正异常扰动的分布不具有一定的规律性；
震前观测到的电离层TEC异常可能与地震有关。
5、 电离层GNSS TEC监测与地震预测
青海杂多M6.2震前电离层TEC异常
2016年10月11日，我国上空出现电离层TEC异常。经分析，提出了图5（左图）所示区域在未来一周存在发生M6.5地震的危险，并按相关规定做了上报。10月17日青海杂多发生M6.2级地震（震中如下左图红点所示）。右图为全球上空电离层TEC异常示意图。从全球角度看，凸显了杂多地震震前异常的局部性、集中性和显著性。
图5青海杂多M6.2中国区域（左图）与全球（右图）电离层TEC异常
二、主要创新点
1、地震电离层日常跟踪监测与预报
在中国地震局监测预报司的支持下，空间技术与应用研究中心在2016年继续承担了《电离层产品产出与服务》运维项目。通过对电离层状态参数进行定期解算，我们向公共平台及时提供了电离层产品信息与数据，以便用于地震——电离层效应的相关研究和探索。同时，我们继续深入研究了地震——电离层效应的统计规律，并基于研究得到的统计规律积极开展了电离层异常跟踪监测与分析工作，相关的震例研究报告及异常分析报告也及时上报给中国地震局台网中心和中国地震分析预报网。
值得一提的是，我中心在2016年度的电离层跟踪监测与分析工作中实现了地震短临预测的阶段性进展。今年，我们向台网中心和地震分析预报网共上报了5次与空间天气无关的电离层异常事件，即2月29日电离层正异常事件、5月4日电离层正异常事件、9月11日电离层负异常事件、10月11日电离层正异常事件和11月27日电离层正异常事件，基于地震——电离层异常统计规律分析这5次异常事件，我们分别划定了5个地震危险区、确定了每个危险区的地震震级、并建议有关单位对危险区进行为期一周的关注。事后，有两次地震事件可能与我们上报的异常对应，它们分别是：2016年5月11日西藏昌都市丁青县M5.5级地震和2016年10月17日青海玉树州杂多县M6.2级地震，实现了40%的预报率，这说明，电离层异常作为一种新的地震前兆效应是值得关注和深入研究的，我们应加强对地震——电离层前兆的观测与研究工作，通过参与日常的震情跟踪监测工作，与其它前兆观测手段共同构成地震监测与预报体系的重要组成部分。
2、GNSS中性大气与电离层掩星反演
GNSS无线电掩星观测技术作为导航卫星应用的新兴技术，可以提供高精度、高分辨率、全球覆盖的中性大气与电离层剖面，是21世纪最先进的空间探测技术之一，也是我国首颗地震电磁实验卫星的最具有挑战性的关键技术。中心采用全息及改正TEC反演方法实现了高精度中性大气及电离层反掩，其反演精度与国际权威机构COSMIC一致，可为电磁实验卫星提供夯实的技术保障。
三、应用效益及前景
1、电离层日常监测可为地震预报决策部门提供参考性意见；
2、自行研制开发的GNSS掩星反演技术可用于我国首颗电磁实验卫星的中性大气与电离层反演。
