电离层小尺度因素对无线电大气掩星弯曲角的影响

历经25年的发展,基于GNSS的无线电掩星技术已经成为一种有效的临近空间探测手段,但是在无线电大气掩星观测及数据处理过程中不可避免地会受到各种误差的影响,其中,电离层是重要误差源之一。由于电离层小尺度因素的存在,GNSS信号在穿越电离层过程中会受到影响,表现为振幅和相位上的振荡,并最终影响反演所得的大气弯曲角产品。文章基于COSMIC大气弯曲角数据,研究电离层小尺度因素中扩展E层（Es层）及F层不均匀体在中低纬地区对无线电大气掩星的影响,通过计算不同高度区间内的弯曲角偏差标准差统计研究电离层Es层及F层不均匀体发生率与大气弯曲角振荡的关系。结果表明,Es层及F层不均匀体能够引起大气弯曲角振荡,表现出弯曲角随纬度、磁地方时及季节变化的特性,且这些电离层小尺度因素能够影响到的高度区间为35～80 km。该研究有助于进一步认识电离层小尺度因素对GNSS无线电大气掩星探测技术的影响,以及后续提高大气掩星产品的数据质量。     

知识资料窗

知识资料窗探空火箭在近地空间进行探测和科学试验的火箭称为探空火箭。利用探空火箭可以在高度方向探测大气各层结构、成分和参数，研究电离层、地磁场、宇宙线、太阳紫外线和Ｘ射线、陨尘等多种日一地磁场现象。探空火箭比探空气球飞得高、比低轨道运行的人造地球卫星飞...     

基于无线电掩星观测的火星高层大气研究

近年来,火星高层大气受到越来越多的关注和研究。由于缺乏磁场的阻挡,火星高层大气与星际空间环境关联密切;同时,低层大气中的活动(例如尘暴)也会对其造成影响。而耦合在火星高层大气中的电离层则使这些过程变得更加复杂。火星高层大气和电离层结构的变化会对火星探测和通信活动造成很大的影响。然而,目前人们对火星高层大气100～130 km高度长期、稳定的观测数据仍然相对较少。文章将首先介绍火星高层大气研究的历史和现状,然后分别介绍本研究组利用无线电掩星实验获取火星130 km中性大气密度的方法、主要成果及未来的工作。     

知识资料窗

知识资料窗空间等离子体指地球和其它行星的磁层和电离层，以及日层（太阳风）、太阳大气和星际空间的等离子体。地球的电离层、磁层和磁鞘区以及日地空间和整个日层充满着等离子体。金垦、火星、木星和土星都被各自的磁层（或电离层）等离子体包围。太阳由中心到边缘可划...     

电离层对BOC调制信号的影响

电离层是一种色散介质,宽带信号的不同频率分量在穿过高层大气时会引入不同的相位延迟。传统导航信号带宽较窄,因此在分析电离层的影响时通常将其视作中心频点处的单频信号。下一代导航系统广泛采用的BOC(Binary Offset Carrier)调制具有较宽的带宽和分裂的频谱,因此单频假设不再适用。通过引入BOC信号的双边带模型,分析了电离层对BOC信号的影响。结果表明电离层会在BOC调制的上下边带信号中引入不同的载波和码相位延迟。最后使用数值仿真和实测数据验证了分析的正确性。该结论对BOC信号双边带接收算法的设计具有重要的意义。     

高功率微波能量传输特性及电波环境效应研究

高功率微波能量传输是空间太阳能电站能源系统的关键技术。在能量传播过程中受降雨等因素影响发生衰减。计算结果表明,传输仰角越低,降雨强度越大,能量传输效率越低。非相干散射雷达观测的分析证实了高功率电波的注入使得电离层环境特性发生一定变化,导致电离层电子温度、电子密度增加和不稳定性的发生,并通过计算机模拟,初步探索电子温度、电子密度增加机理,这对研究高功率微波传输特性,建立传播效应模型具有重要的意义。     

“风云三号”D星电离层光度计

“风云三号”D星电离层光度计（IPM）是我国首次利用天基方式对电离层进行全天候定量化光学遥感观测的载荷。该载荷通过观测电离层夜/日间OI 135.6 nm气辉辐射强度、日间N₂LBH带气辉辐射强度,可以反演获取夜间电子总含量（TEC）、F2层峰值电子密度（NmF2）及日间O/N₂比等关键电离层环境信息。该载荷具备夜间高灵敏度观测的突出优势,非常适合电离层精细结构和微小变化观测,配置了夜间和日间两种工作模式,可以实现对电离层关键环境信息的全天候监测。文章主要对该电离层光度计的观测目标、观测原理、系统组成和在轨观测结果进行介绍。     

微小型热层大气风场仪能量分析器设计优化

为满足低轨航天器高精度大气阻力分析及热层-电离层耦合机理研究需求,需要开展基于皮纳卫星的热层大气全球组网探测。文章对一种基于平行平板式静电场能量分析器的热层大气风场仪原理进行分析,指出其可获得热层大气沿着和垂直于卫星轨迹的风速,并利用COMSOL多物理场仿真软件对能量分析器进行优化设计,使得离子的能量分辨率和最大通过率分别较优化前提高1倍和1.5倍。     

基于Lowtran7的地空探测红外系统作用距离计算

利用基于对比度的红外系统作用距离模型,从作用距离公式中的目标辐射量和大气传输参数出发,分析地基探测和空基探测对应不同探测目标的辐射,利用光谱分割法对目标和背景辐射积分,通过调用Low tran7大气软件形成大气辐亮度和透过率的数据库.提出一种求解作用距离方程的新方法,并在其基础上建立作用距离计算系统,提高了计算效率和准确性.利用生成的数据库对设定的空中目标和地面目标进行仿真,仿真结果表明不同纬度季节大气组分存在差异,波长对大气传输参数的影响不可忽略,大气辐亮度越强,透过率越小,红外系统的作用距离越小,在同一大气情况下,随着天顶角的增加,作用距离减小,并给出整个天顶角范围内作用距离分布.计算得到的结果与实际数据对比表明建立的作用距离计算系统可以为红外对抗提供合理有效的参考.     

白谱法在电离层扰动研究中的应用

将电离层扰动从其背景中分离出来一直是电离层扰动研究的核心与难点。文章综述白谱法在电离层扰动研究方面取得的进展,主要有:1）白谱法比常规电离层扰动提取方法能更好地描述磁暴期间电离层的扰动,利用白谱法构建的电离层天气单站指数 Js、全球指数 Jp 和区域指数Jr与 Dst 指数之间存在极好的关联性,可以直接利用 Dst 来对 Jp进行预报。2）白谱法同样适合研究强磁暴期间的电离层异常弱响应。对比研究发现,电离层在强磁暴条件下的弱响应不依赖于采用的扰动提取方法本身,并且该现象的出现与纬度、地方时及磁暴前期条件强烈相关。3）白谱法是研究地磁平静期由其他扰动源引起电离层扰动的有力工具。基于白谱法构建的Js分布图能够很好地反映台风过程中电离层扰动的空间特征。     

北斗系统格网电离层延迟算法研究

介绍了北斗系统下格网电离层延迟算法原理及建模方法。利用25个参考站的模拟数据,建立了覆盖我国地区的格网电离层延迟模型。通过仿真给出格网点(35°N,115°E)的格网电离层垂直误差及用户穿透点(36.94°N,118.44°E)的用户电离层垂直误差在一天内的变化,结果显示一天内格网电离层垂直误差及用户电离层垂直误差的平均值分别为0.871m和0.877m。     

释放SF_6气体改变电离层电子密度的实验研究

电离层受到自然或人工扰动后产生的电子密度变化会影响无线电的传播。实验模拟了人工释放SF_6气体扰动电离层,通过对SF_6气体在电离层中的扩散过程和相应的离子化学反应的分析,并结合实验测量,研究了电离层电子密度随SF_6气体释放量的变化规律。实验结果表明:SF_6气体在电离层高度释放后,电子密度显著减少,且减少量与气体释放量在一定范围内呈负指数关系。研究可为今后提高卫星通信保密性和实施通信干扰等应用提供理论依据。     

电离层异常环境对高功率微波传输的影响分析

电离层异常环境中的电离层不均匀体会导致高功率微波传播发生电离层闪烁效应。电离层闪烁会影响10MHz~10GHz频段范围的无线电信号,影响区域集中在以磁赤道为中心的±20°以内的低纬地区和高纬极区。发生时间主要集中在春分和秋分前后夜间,随着太阳活动有11年周期变化特性。基于自主研发的全球电离层闪烁发生概率预测模型深入分析了地球同步轨道卫星的2.45GHz和5.8GHz信号的电离层闪烁效应随经纬度、季节、地方时、太阳活动水平等变化特性,研究发现采用2.45GHz信号时不能忽视电离层闪烁衰落影响,研究结论为未来空间太阳能电站系统建设的频率选择、地面站选址、传播环境保障分系统建设等提供了数据支撑。     

美台制订气象卫星计划

美国国家海洋与大气局和台湾已制订了一项气象卫星合作计划的初步要求．年内将形成采购策略．希望从2014年开始卫星发射。该计划下的卫星将采用一种较新的方法来获取大气数据。自2006年发射一个验证性星座后．称为“GPS无线电掩星”的这项技术已被用于天气预报业务。2006年发射的系统称为“气象、电离层与气候星座观测系统”（COSMIC）,也是美台合作计划（台湾方面称之为“福尔摩沙卫星”3）。在新的合作计划下,双方将建设COSMIC-2后续星座。GPS无线电掩星技术用于从太空中获取大气密度、压强和温湿度数据。     

空-地激光通信链路地面站选址大气信道传输因素研究

对影响空-地激光通信链路地面站选址的大气信道传输因素进行了理论及数值模拟分析、研究。研究表明：(1)大气信道对不同波长激光传输的影响程度不同；(2)能见度越好，大气衰减效应对激光传输的影响越小；(3)激光传输在海拔较高的大气分层中受到的衰减比海拔低的层段小；(4)0．53μm、0．8μm、1．06μm波段激光传输受气溶胶衰减的影响比分子吸收和散射更严重；(5)大气湍流效应会降低直接探测系统的信噪比，恶化传输光束的空间相干性，降低相干探测系统的信噪比。结合部分我国气象统计分析资料及地理分布特点，建议我国空-地激光通信链路地面站选址可多考虑大气衰减及湍流效应影响相对较弱的高海拔、少雾、多晴的西部乡村地区。     

BD2系统广域差分格网电离层模型研究与应用

电离层延迟误差是影响BD2卫星导航系统定位测速精度的关键因素,如何减少电离层误差是当前卫星导航定位领域研究的热点问题.常见的电离层模型包括广域差分格网模型和Klobuchar模型,已有研究主要关注Klobuchar模型,对BD2广域差分格网模型的研究较少.本文分析比较了广域差分格网电离层模型和Klobuchar模型对电离层延迟误差的影响,并进行了真实环境下的评测.实验结果表明,使用广域差分格网电离层模型修正电离层延迟可以减小电离误差,从而提高单频接收机导航定位精度.     

电动绳系在低极轨卫星中的应用研究

低极轨卫星具有轨道周期短、对地观测分辨率高等优点,但由于所在轨道大气阻力大,其使用寿命受到较大限制。文章提出采用水平结构电动绳系抵消低极轨卫星大气阻力的方法,通过系绳电流与地球磁场相互作用产生洛仑兹力进行推进,进而在无燃料消耗的情况下实现对低极轨卫星轨道高度的维持。初步分析了该方法在低极轨不同尺寸卫星中的应用潜力,计算了160 、400 和800 km 典型高度低极轨卫星所经历的地球磁场、电离层和高层大气环境相关参数变化,比较了不同条件下电动绳系推力与大气阻力大小随轨道位置的变化。分析结果表明,该方法适用于400 km 轨道高度以上大卫星;在满足一定系绳长度和轨道高度的条件下,电动绳系可以有效延长低极轨卫星的轨道寿命。     

“风云三号”电离层掩星气候学数据处理方法

电离层掩星观测数据具有长期稳定性以及无须定标等优势，在电离层气候学研究中占有重要地位，而有效的数据处理方法是掩星数据科学性、可用性的保障。文章提出的数据处理方法能够根据所选电离层参数的物理特性和太阳活动情况动态调整质量控制阈值，根据数据时间跨度以及空间范围划分不同的时间窗和地理空间步长，并将离散的参数数据映射到全球数据网格中，以提升对不同时期电离层异常廓线的针对性，同时保证数据的可靠，且具有灵活性强、易于模块化的特点。使用FY3-C GNOS电离层掩星数据对该方法的有效性进行了验证，以期为基于电离层掩星数据开展电离层长期气候学研究提供高效的数据处理方式。     

电离层FR对GEO SAR点目标成像影响的验证

为了实验评判地球同步轨道合成孔径雷达（Geosynchronous Earth Orbital，GEO SAR）信号穿越大气层时电离层法拉第旋转（Faraday Rotation，FR）效应对其点目标成像的影响大小，文章提出了一种在地面车载实验时用铁氧体等效验证电离层FR对GEO SAR点目标成像影响的方法，实验给出了不经过电离层FR和经过等效电离层FR的点目标成像结果。测量结果表明，电离层法拉第旋转对点目标成像影响明显，但通过一定的图像补偿算法，可在后续工作中较好地抵消这种影响。     

针对星载SAR法拉第旋转估计的NeQuick-2模型精度分析

P波段星载合成孔径雷达(SAR)凭借其较强的穿透能力,在对森林、沙地等观测方面具有较强的优势,但易受法拉第旋转等电离层干扰的影响,其图像质量严重下降。本文针对现有电离层模型的精度开展分析,以基于GPS的CODE GIM全球电离层实测数据为参考,对比评估NeQuick-2模型的电离层总电子量表征能力。在分析CODE GIM实测数据特点的基础上,讨论其在星载SAR领域的局限性;在解析NeQuick-2模型和方法的基础上,研究其表征精度的影响因素;通过对比该模型生成的电离层数据与CODE GIM数据,验证NeQuick-2模型的估计精度。结果表明:NeQuick-2模型可满足P波段星载SAR的法拉第旋转角估计和校正的需求。