低纬地区暴时电离层电子柱含量扰动变化研究

利用双频GPS接收机的观测数据研究了低纬度(海南,19.5°N,109.1°E)地区电离层电子柱含量(Total Electron Content,TEC)在2012年7月15-17日磁暴期间的扰动变化特征.在该磁暴期间的15、16日分别观测到了电离层正、负相暴,电离层垂直柱电子含量(Vertical Total Electron Content,VTEC)变化非常大,与宁静期间平均值相比,幅度可达35 TECU;16日与15日相比,VTEC最大变化幅度为45 TECU.这是目前观测到的电离层负相暴期间TEC变化幅度最大的现象.这次观测到的电离层正负相暴期间TEC扰动变化现象极可能分别是由渗透电场和扰动发电机电场所致.     

一种可选的电离层TEC区域重构方法

电离层总电子含量(total electron content, TEC)区域重构常采用克里金空间插值方法,该方法基于电离层TEC数据的位置关系及相关性等特征,同时满足空间加权估计的无偏性和最优性特征,因此被广泛应用. 但克里金空间插值方法拟合变异函数时,传统理论变异函数模型面临函数曲线固定、空间细节变化无法反映以及模型选取人为主观等问题. 为解决上述问题,文中提出一种可选的电离层TEC区域重构方法,从TEC数据的空间变化特征出发,采用最小二乘支持向量机（least squares support vector machine, LS-SVM）拟合实验变异函数,能够更精确地刻画变异函数,反映电离层TEC空间变化趋势. 为验证本方法的准确性,选用中国陆态网地基GNSS台站三组不同时刻穿刺点垂直TEC (vertical TEC, VTEC)值作为实测数据,同时选用普通克里金空间插值方法中的指数理论变异函数模型、球状理论变异函数模型以及LS-SVM理论变异函数模型进行实验对比. 三组实验结果表明,本文方法计算的均方根误差(root mean squared error, RMSE)分别为1.54 TECU、1.76 TECU和2.45 TECU,平均绝对误差(mean absolute error, MAE)分别为1.21 TECU、1.23 TECU和1.62 TECU,误差均小于其他两种理论变异函数模型,重构效果最好,为电离层TEC区域重构提供了一种可选的思路.     

一种联合地基GNSS和测高仪数据的电离层层析成像新算法

电离层层析成像(computerized ionospheric tomography, CIT)技术是获取区域大范围电离层三维结构非常重要的手段之一. 针对单独使用地基GNSS进行三维CIT的不足,提出了一种联合地基GNSS和测高仪数据的三维CIT方法,其综合了测高仪探测电离层垂直分辨率较高和地基GNSS水平分辨率较高的优点,以测高仪数据驱动更新IRI模型,将更新后的IRI模型作为背景电离层模型,再利用改进的代数重建迭代(algebraic reconstruction technique, ART)算法结合地基GNSS TEC数据进行CIT;基于IGS、中国陆态网地基GNSS台站及全球电离层无线电观测网（global ionospheric radio observatory, GIRO）测高仪数据实现了中国及周边区域三维CIT,分别采用Madrigal TEC数据和中国区域独立的测高仪数据对CIT获取的TEC和电子密度进行评估. TEC精度评估结果表明,CIT算法的TEC平均误差和标准差相比IRI模型及CODE GIM数据均有明显降低;电子密度评估结果表明,单纯依赖地基GNSS进行CIT可以提升f_oF₂的精度但无法有效提升h_mF₂的精度,而联合测高仪数据后,电离层f_oF₂和h_mF₂的重构精度均有明显提升,其中h_mF₂的平均误差和标准差从20.6 km和16.5 km下降为14.8 km和11.7 km,说明测高仪数据对CIT垂直分辨率的提升作用明显.     

基于深度学习的全球电离层TEC预测

电离层总电子含量（total electron content,TEC）是卫星时代以来最重要的电离层参数,具有重要的理论意义和应用价值. 文中提出了一种基于深度学习方法的全球电离层TEC预测模型,采用编码器-解码器结构配合卷积优化的长短时记忆（long short-term memory, LSTM）网络来实现全球TEC的空间和时间预测. 模型空间经纬度分辨率为5°×2.5°,时间精度为1 h. 地磁活动平静时的预测结果表明,模型提前1天预测的TEC全局均方根误差（root mean-square error, RMSE）小于1.5 TECU,提前7天以内预测的RMSE小于2 TECU. 在弱磁暴时期,模型预测的RMSE为2.5 TECU左右. 不同地磁活动指数以及不同纬度情况下的对比结果发现,随着预测时间以及地磁活动剧烈程度的增加,模型预测的RMSE会逐渐变大,中高纬度地区模型的预测精度优于低纬赤道地区.     

2004年11月强磁暴期间中国地区电离层TEC扰动特性分析

利用28个全球定位系统(Global Positioning System, GPS)观测站获取的电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)测量数据, 分析了2004年11月一次强磁暴期间的中国中低纬地区电离层TEC暴扰动特性, 结果表明:电离层TEC以正相暴扰动响应为主, 中纬地区的暴变扰动要强于低纬, 以北纬35°附近扰动最为强烈; 暴时电离层空间相关性变强, 电离层相关距离由宁静日的约5 500 km提升到暴变日的约8 000 km; 在8日的主暴扰动期间, 发现伴有自东北向西南的电离层TEC暴扰动传播, 自东向西的经向传播速度约为120 m/s, 要高于纬向传播.初步探讨表明, 向赤道中性风、日侧东向急剧穿透电场以及喷泉效应等可能是导致此次电离层TEC正相暴在北纬35°附近扰动最为强烈的关键因素, 也进一步揭示了电离层与太阳风、磁层之间以及电离层不同纬度区之间有着复杂的耦合过程.     

一次强磁暴期间全球电离层扰动研究

利用IGS台网观测数据,以总电子含量TEC、TEC的变化率ROT及其标准差ROTI作为表征电离层不规则结构和扰动的特征参量,研究发生在2004年11月上旬的一次强磁暴期间全球电离层扰动的分布以及扰动的传播.分析结果表明,在磁暴急始和初相阶段,全球电离层相对平静,没有显著扰动发生;不规则体和扰动主要发生在磁暴主相极大前后,并且在日落后几小时开始出现,持续到午夜之后.第一个主相极大期间,强扰动和不规则体主要出现在美洲扇区的中低纬度带;第三个主相极大期间,强扰动和不规则体主要出现在亚太扇区的中低纬度带.     

超强磁暴期间中低纬电离层扰动的统计分析

利用1957-2005年72次超强磁暴期间的电离层观测数据,分析了北半球120°E附近中低纬电离层的扰动特征.结果表明,电离层的扰动形态随磁暴发生季节和开始时间的不同而异.在冬季,负相扰动主要发生在中纬,低纬以正相扰动为主,分界线在满洲里和北京之间;在中纬,下午开始的磁暴所引起的电离层扰动持续时间较长,而在低纬,夜间开始的磁暴所引起的扰动持续时间较长.夏季超强磁暴所引起的电离层扰动以负相为主,下午开始的磁暴所引起的扰动最强,夜间开始的磁暴所引起的扰动持续时间较长.在分季,虽然各台站电离层仍以负扰动为主,但扰动强度和持续时间随磁暴开始时间不同有明显差异.分析表明,上述电离层扰动特征与暴时环流的影响密切相关.     

一种基于LSTM与IRI模型的电离层层析TEC组合预测方法

电离层总电子含量（total electron content, TEC）作为评估无线电波穿过电离层时产生误差的主要物理量,对其准确的估算以及预测具有重要的研究意义. 本文结合电离层层析算法反演重构的TEC数据,提出一种基于长短期记忆（long short-term memory, LSTM）与国际参考电离层（international reference ionosphere, IRI）模型的组合预测模型,实现了对欧洲上空平静态电离层的TEC预测,并与IRI梯度法、LSTM网络预测结果进行对比. 实验结果表明:IRI梯度法提前1 h能够产生理想的预测结果,提前2 h与3 h的预测精度明显下降;LSTM模型在提前2 d的预测结果表现良好,但随着迭代预测时长的增加预测结果中出现较多异常值. 统计误差显示,本文所提出的组合预测模型相比于IRI梯度法预测性能更为稳定,对单一LSTM模型修正效果明显,消除了预测结果中大部分异常值,有效提高了单一模型的预测精度. 组合预测模型与实际层析TEC之间的预测均方根误差 (root mean squared error, RMSE)为1.1 TECU,与欧洲定轨中心提供的TEC预测RMSE为1.7 TECU.     

基于多分辨率GPS层析技术的电离层暴时LSTID特征研究

利用GPS电离层层析技术探测电离层已经有了数十年的发展，特别在电离层暴时有着独特的优势.文章基于一种多分辨率层析算法，并结合美国东西部地区部分GPS地面数据对2015年3月16日-17日出现的电离层暴进行重构.首先，借助独立的测高仪数据验证多分辨率层析技术对电子密度反演的精度结果，同时也证实了电离层暴时多分辨率层析算法的适用性.其次，通过对美国东部地区2015年3月17日磁扰动最强烈时段的电离层重构，检验由磁暴引起的大尺度电离层行扰（large-scale travelling ionospheric disturbance，LSTID）的存在，并利用总电子含量（total electron content，TEC）数据分析此次电离层行扰的水平特征.同时，通过与非相干散射雷达（incoherent scatter radar，ISR）观测值的对比，借助反演得到的电子密度剖面信息讨论电离层行扰在垂向上的特征.结果表明:此次LSTID的波长为1 200 km左右，周期为50~60 min，以350~400 m/s的波速向西南方向传播，并且电离层行扰（travelling ionospheric disturbance，TID）的垂向电子密度具有较可靠的精度.     

电离层层析辅助等离子体泡的TEC空间梯度研究

在严重的电离层活动时,发生的极端电离层扰动会对GNSS地基增强系统(Ground-based Augmentation Systems, GBAS)的用户构成完好性威胁,例如中国低纬地区出现的等离子体泡现象。本文针对等离子体泡造成的TEC空间梯度展开研究,提出了一种电离层层析辅助研究等离子体泡造成的TEC空间梯度的方法。首先,通过多分辨率电离层层析成像技术重构中国及周边中低纬地区在2017-09-08T12:00—17:00UT扰动最强烈时段的电离层层析图像,发现该时段内中国低纬地区出现电子密度耗竭的等离子体泡现象;其次,利用短基线双站法和时间步长法两种方法计算等离子体泡附近区域TEC空间梯度;最后,结合两者进行比较研究,验证了较大的TEC空间梯度往往存在于等离子体泡的侧壁周围,如本文在14:06UT出现在香港空域附近的最大TEC空间梯度为133.16 mm/km。同时还可以看出：层析反演的电离层图像不仅能直观地分析等离子体泡的三维电子密度分布,还可以帮助发现TEC空间大梯度产生的原因。     

基于BDS/GPS数据的中国及周边地区电离层暴层析成像研究

随着我国BDS的逐步建成,其在电离层监测上的应用也在逐步拓展. 凭借卫星类型多样性的特点,BDS卫星数据在电离层监测上可能比GPS卫星带来更多的优势,但能否改进电离层层析成像结果仍值得进一步研究. 文中基于GPS数据电离层层析算法,把BDS中的地球同步轨道（geosynchronous orbit, GEO）卫星、倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous orbit, IGSO）卫星和中轨轨道（medium earth orbit, MEO）卫星数据与GPS数据融合,对2017-09-07—09电离层暴期间中国及周边地区（15～55°N, 70～140°E）上空电离层进行重构. 首先借助SA418和WU430测高仪数据分别讨论了单星座（GPS）与双星座（GPS+BDS）层析对电子密度反演的精度结果;其次对2017-09-08两个扰动最强烈时段的电离层成像结果,包括电子密度剖面图与总电子含量（total electron content, TEC）分布图进行深入研究. 研究结果表明:BDS卫星数据不仅可以改进垂向精度,还可以提高对电离层异常结构的反演精度,融合了BDS数据的电离层层析技术能较为准确地重构出本次电离层暴期间出现在中低纬度的等离子体泡.     

Correction of single frequency altimeter measurements forionosphere delay

This study is a preliminary analysis of the accuracy of various ionosphere models to correct single frequency altimeter height measurements for ionospheric path delay. In particular, research focused on adjusting empirical and parameterized ionosphere models in the parameterized real-time ionospheric specification model (PRISM) 1.2 using total electron content (TEC) data from the Global Positioning System (GPS). The types of GPS data used to adjust PRISM included GPS line-of-sight (LOS) TEC data mapped to the vertical, and a grid of GPS derived TEC data in a Sun-fixed longitude frame. The adjusted PRISM TEC values, as well as predictions by IRI-90, a climatological model, were compared to TOPEX/Poseidon (T/P) TEC measurements from the dual-frequency altimeter for a number of TIP tracks. When adjusted with GPS LOS data, the PRISM empirical model predicted TEC over 24 1 h data sets for a given local time to within a global error of 8.60 TECU rms during a midnight centered ionosphere and 9.74 TECU rms during a noon centered ionosphere. Using GPS derived sun-fixed TEC data, the PRISM parameterized model predicted TEC within an error of 8.47 TECU rms centered at midnight and 12.83 TECU rms centered at noon. From these best results, it is clear that the proposed requirement of 3-4 TECU global rms for TOPEX/Poseidon Follow-On will be very difficult to meet, even with a substantial increase in the number of GPS ground stations, with any realizable combination of the aforementioned models or data assimilation schemes     

Comparison of TEC Estimation Techniques using S1 and L5 Signals of IRNSS

Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS) is a satellite based navigation system developed by Indian Space Research Organization (ISRO). The positional accuracy of IRNSS is limited by several errors including ionospheric delay. Ionospheric delay can be estimated with precise calculation of total electron content (TEC). However, TEC is biased by multipath and thermal noise. Therefore, multipath and thermal noise free relative TEC measurements are made and compared with two other methods, namely, code TEC and IRNSS Receiver Software (IRS) techniques. In this investigation L5 (1176.45 MHz) and S1 (2492.028 MHz) signals from IRNSS 1A to 1G satellites are considered. The results indicate that relative TEC estimation technique removes the multipath and thermal noise from the TEC measurements. Further, the TEC for signals coming from various IRNSS satellites are evaluated by calculating the standard deviation (SD). In the analysis the data is divided into segments with duration of 1 h each. The results indicate that SDs for the relative TEC estimation (2.5 TECU in case of IRNSS 1B) are lesser than the other two techniques indicating the relative TEC can be used in the receiver for the estimation of ionospheric delay. Further, the high ratio of the operating frequencies indicates a better TEC estimation.     

低纬电离层闪烁对强磁暴的响应

利用武汉电离层闪烁和TEC的观测数据,分析了发生在2004年7月下旬和11月上旬的两次超强磁暴期间,GPS信号振幅闪烁和TEC起伏的响应特征,并对磁暴影响低纬电离层电波闪烁的机制进行了讨论。结果表明:强磁暴主相期间,L-波段振幅闪烁强度及闪烁出现率都显著增强,这种增强可归因为强磁暴引起的效应;闪烁活动的磁暴控制效应存在地方时依赖;暴时近赤道区电离层电场的极性和强度是磁暴主相期间闪烁活动及其强度增高的重要控制因素。