宇宙噪声的电离层闪烁与电离层不规则结构的结构参数

利用宇宙噪声是均匀的。各向同性的背景电磁辐射的假设,对电子密度涨落空间分布波数谱为负幂律函数的电离层不规则结构,用射线光学方法导出了闪烁功率谱的表示式。与射电星和轨道人造卫星信标的电离层闪烁相比,减少了因相对运动弓队的变量。用数值计算方法研究了电离层不规则结构的结构参量L_y、l_y、p、η对功率谱的影响。与实测资料比较,发现电离层吸收事件期间且Riometer记录的闪烁资料中,60%以上相应的不规则结构有L_y>103,η>η₀(0.2<η₀<0.5).      

海口站电离层闪烁强度功率谱分析与建模应用

基于中国海口站(20.00°N, 110.33°E)获取的2013全年UHF 频段电离层闪烁信号强度数据, 利用Welch算法, 分析给出了四类典型电离层闪 烁强度功率谱. 利用功率谱时序图分析方法, 发现电离层不均匀体存在东西向水 平周期性变化结构. 提取全年功率谱指数p, 通过统计分析发现谱指数p存在规律变化, 据此建立一个谱指数经验模型, 该谱指数模型已用于中国低纬 区域电离层闪烁发生预报概率模型(CMSOP), 进而对海口站UHF频段电离层闪烁发生 概率观测数据和预报结果进行了对比分析.      

极区F层不规则结构的分形模型

本文利用1986年9—12月期间17个电离层吸收事件的Riometer资料计算了电离层闪烁强度的Fourier谱和Bessel谱。求出了谱遵从的k~(-β)型函数的β值,1.8<β<2.5,平均为2.1;求出了不规则结构的漂移速度平均为129m/s。计算了各个事件的闪烁指数S_4<0.4。求出相位涨落空间谱,且指出其也遵从幂型函数k~(-α)规律。根据上述结果,本文提出极区F层不规则结构为分立的分形,不是分立的“斑块”。利用β值求出分形的分数维D=2.45。给出了不规则结构的近似分形模型。     

磁赤道异常区电离层F区不均匀体发展过程中的闪烁谱研究

本文对我国磁赤道异常区海口站的夜间电离层不均匀体引起的闪烁进行了谱分析，并进行了理论模拟。大部分闪烁出现在午夜前后且持续时间较长。分析结果发现：这种持续时间较长的闪烁的末期和初期的闪烁谱结构有显著差异，末期闪烁谱高频段较初期要明显陆峭，即谱指数显著增大。由此推测出不均匀体发展末期费涅耳尺度以下的不均匀体首先衰减消失，这与国外某些轨道卫星就地测量结果大致相符。同时还从闪烁谱推测出不均匀体发展末期的漂     

赤道电离层F区底部准正弦型不均匀体引起闪烁的数值模拟

本文采用多重相屏模型, 考虑不均匀体特征尺度随高度的变化, 模拟了赤道电离层F区底部准正弦型(BSS)不均匀体引起的闪烁。模拟计算结果表明:BSS不均匀体的特征尺度随高度变化可以导致闪烁谱和不均匀体谱之间谱指数的显著差异。      

电离层不规则结构的等效厚度和漂移速度对闪烁功率谱的影响

利用由衍射基本原理导出的有限厚薄相屏弱闪烁信号强度的Fourier功率谱表达式研究了不规则结构等效厚度L和水平漂移速度V对Fourier功率谱的影响。结果表明,L加大,Fresnel振幅变小,Presnel半径不变;V加大,Fresnel振幅不变,Fresnel半径变大。功率极小值相应的频率值之比为1:1:2:3:…:n而不是√2:√3:…:√n,与实测资料分析结果一致。对实测闪烁功率谱进行了数值模拟。由此得到了实际电离层不规则结构等效厚度、漂移速度的数值。      

基于GPS信号的电离层S4指数计算方法研究

电波穿越电离层时,由于受到电离层不均匀结构的影响,电波的幅度、相位、时延等有时会发生快速抖动,这就是所谓的电磁波电离层闪烁现象.电离层闪烁会影响卫星通信系统的质量和导航系统的精度.本文分析了GPS信号研究电离层闪烁的基本原理,讨论了电离层闪烁监测中S4指数的计算方法及其修正方法.通过数据模拟,评估了原始S4指数计算方法及其修正方法的性能特点.针对原始S4指数计算方法及修正方法的不足,提出了一种新的修正方法,并采用实测GPS数据对上述方法进行了检验.结果表明,上述方法是有效的和可靠的.      

电离层不规则结构的等效厚度和漂称速度对闪烁功率谱的影响

利用由衍射基本原理导出的有限厚薄相屏弱闪烁信号强度的Ｆｏｕｒｉｅｒ功率谱表达式研究了不规则结构等效厚度Ｌ和水平漂移速度Ｖ对Ｆｏｕｒｉｅｒ功率谱的影响。结果表明，Ｌ加大，Ｆｒｅｓｎｅｌ振幅变小，Ｆｒｅｓｎｅｌ半径不变；Ｖ加大，Ｆｒｅｓｎｅｌ振幅不变，Ｆｒｅｓｎｅｌ半径变大，功率极小值相应的频率值之比为１：２：３：…：ｎ＾１／２，与实测资料分析结果一致。对实测闪烁功率谱进行了数值模拟，由此得到了实际电     

基于GPS的广州地区电离层不规则体纬向漂移速度计算分析

利用广州站组建的两台短间距GPS电离层闪烁监测仪的观测数据, 分别对GPS卫星信号强度用功率谱和短间距台链互相关性两种方法计算了3次闪烁事件电离层不规则体的漂移速度. 分析结果表明, 同一不规则体会引起两台站闪烁事件的同时发生, 两种方法测量不规则体漂移速度通常在50～160m/s之间, 平均大小均在120m/s左右, 且纬向漂移速度在闪烁初期起伏较明显, 速度随闪烁时间有下降的趋势, 夜间纬向漂移方向由西向东, 广州地区漂移速度特性符合低纬其他地区不规则体漂移速度特征, 两种计算方法合理有效.      

基于GPS的广州地区电离层闪烁谱分析

利用广州站GPS电离层闪烁监测仪2014和2015年的观测数据,从150例典型闪烁事件中提取出4820例闪烁谱和闪烁谱指数,分析发现广州地区闪烁对应单幂律谱和双幂律谱两大典型闪烁谱.这些闪烁谱可以细分为5类,初步分析了这5类闪烁谱的特征和产生原因.通过统计分析发现,谱指数分布在0.63~9.57,平均谱指数为3.86,78.5%以上的谱指数分布在0~6,83.4%中弱闪烁强度的谱指数值分布在0~7,89.27%的强闪烁强度的谱指数分布在5~10,谱指数随闪烁强度的增强有上升趋势.      

一种电离层场向不规则体各向异性散射模型

电离层场向不规则体散射具有很强的方向性, 利用电离层场向不规则体散 射进行VHF频段超视距通信时, 需要准确可靠地确定其散射分布特性及路径损 耗等参数. 基于电离层不规则体场向散射的特点, 以地球地磁场为坐标系统, 提出了一种电离层场向不规则体各向异性散射模型, 该模型能够计算前向和后 向散射链路的路径损耗分布、时延展宽和相干带宽等参数, 同时运用该模型对 雷达横向截面的计算结果与已有文献的数据结果进行对比, 证明了该模型的准确性. 该模型能够计算电离层场向不规则体VHF频段的散射分布及路径损耗等参数, 为VHF散射通信链路的设计、布站提供依据和技术指导.      

Observations of ionospheric irregularities and its correspondence with sporadic e occurrence over South Korea and Japan

This study analyzed the occurrence of ionospheric irregularities over South Korea and Japan (mid-latitudes) during the years 2010–2015. The irregularities were quantified using the rate of change of total electron content (TEC) index (ROTI), which detects irregularities with scale sizes in the range of 400 m–2.5 km. The ROTI threshold for an ionospheric irregularity to have occurred was set as 0.1 TECU/min. Results showed that ionospheric irregularities mostly occur during night-time and around local noon-time in the seasons of spring and summer. In addition, the percentage of ionospheric irregularities had a high positive correlation with solar flux (F10.7) (r > 0.72). For the first time, we showed good correspondence between ionospheric irregularities measured by the ROTI index and sporadic E (Es). The median ROTI associated with ionospheric irregularities over a South Korea station (DAEJ) and a Japan station (KGNI) were 0.131 and 0.125 TECU/min, respectively. However, in severe cases of ionospheric irregularities, the ROTI values over DAEJ (KGNI) can reach 0.246 (0.217) and 0.314 (0.339) TECU/min during day and night, respectively. These critical ROTI values can be important in interpreting and monitoring ionospheric irregularity occurrence over South Korea and Japan.     

太阳X射线暴在地球大气中传输的Monte Carlo模拟

应用MonteCarlo方法对太阳X射线暴(1-8?及0.5-4?)与地球大气相互作用过程进行跟踪模拟,得到了X射线暴在电离层D层产生的电子产生率,并计算了由此产生的宇宙噪声吸收值。结果与作者在南极观测得到的X射线暴期间宇宙噪声吸收值符合较好.      

暴时密度增强区附近电离层不均匀体研究

基于IGS提供的TEC数据, 研究了2003年10月大磁暴期间的暴时密度增强(Storm Enhanced Density, SED)现象; 利用GPS观测数据, 计算出ROTI (Standard deviations of ROT)指数, 分析了SED边界附近电离层小尺度不均匀体结构的时间和空间演变. 研究表明, 在磁暴主相期间SED边界附近不均匀体随着磁暴的发展逐渐增多; 在主相的中后期不均匀体的分布密集度达到最大; 在恢复相期间, 不均匀体分布很少; 随着磁暴的发展, 不均匀体开始主要集中在40~45oN范围内, 随后向高纬漂移, 主要集中在45~55oN范围内.      

电离层不规则结构对GPS性能的影响

电离层不规则结构的存在可引起无线电信号的幅度和相位发生随机起伏, 这 种电离层闪烁现象会影响全球定位系统(Global Positioning System, GPS)的 性能, 降低定位精度, 严重时导致信号失锁. 电离层不规则结构对GPS性能的 影响涉及电离层物理、接收机设计和表征卫星几何分布的精度衰减因子(Dilution of Positioning, DOP)等多方面因素. 本文通过对表征电离层不规则结构参数 的分析, 根据GPS接收机跟踪环路和闪烁信号模型, 综合研究了电离层闪烁对 GPS接收机载波跟踪环和码跟踪环跟踪误差的影响; 结合实际观测, 评述 了电离层不规则结构对单频和双频GPS接收机定位性能的影响, 在此基础上 提出了有待深入研究的问题及具体建议.      

Occurrence of Ionospheric irregularities over Brazil and Africa during the 2019 Antarctic minor sudden stratospheric warming

The influence of sudden stratospheric warming (SSW) on the ionosphere and ionospheric irregularities has been studied extensively over the years. However, majority of these investigations have been conducted using warming events originating from the northern hemisphere. Only a few studies have been done on ionospheric variations due to the Antarctic SSW events and to the best of our knowledge, there have not been any studies on southern hemisphere SSW and the occurrence of ionospheric irregularities. In this study, the occurrence of ionospheric irregularities during the 2019 minor Southern hemisphere (SH)/Antarctic SSW is investigated. The event occurs in a relatively calm solar and geomagnetic activity period which makes it possible to identify the effects of SSW on the occurrence of irregularities. Three ionosondes located in different latitudinal regions in Brazil as well as a network of ground-based GPS receiver stations located in both Brazil and Africa were used for this undertaking. Complimentary data from the same ionosonde stations using the same months from 2017 and 2018 were also used. On average more Spread-F was observed in 2019 than in 2017 or 2018 at all stations. ROT observations showed more occurrence in the Brazil sectors followed by West Africa and thenEast Africa. It was observed that the occurrence frequency decreased between 8% and 46 % from the pre-SSW phase to ascending/peak phases and from 2018 to 2019 for the peak phase.     

海南VHF雷达观测到的低纬F区电离层场向不规则体事件分析

中国海南VHF雷达具有快速扫描观测及对电离层不规则体进行二维成像的能力.采用时间序列上的连续观测,可以获得场向不规则体发展变化的一系列二维空间图像.本文对海南VHF雷达2011年10月27日夜间观测到的电离层不规则体事件进行分析,主要结果表明,本次观测到的不规则体可分为三个阶段.在初步形成阶段,不规则体开始出现时非常微弱,发展变化很慢,主要表现为向上可扩展,持续时间约14min.在扩大增强阶段,不规则体快速向上并向两侧扩展,持续时间约14min;不规则体强度前期迅速增大,后期略有减弱,空间尺度达200km以上.在东漂离开阶段,不规则体强度进一步减弱,扩展面积达到最大,主要表现为东向漂移,持续时间近30min.这次观测首次给出了海南地区上空电离层不规则体的形成和发展过程.结合其他台站的观测进行对比分析发现,海南观测到的雷达羽与其他地区的雷达羽具有明显不同,海南地区的雷达羽特性及其对应的物理过程有待进一步观测研究.      

Some Investigations on the Ionosphere during 2012–2014 in China

In this national biannual report, we will outline some recent progresses in ionospheric studies conducted by Chinese scientists since 2012. The mentioned aspects include: the solar activity control of the ionosphere; couplings between the ionosphere, lower atmosphere and plasmasphere;ionospheric climatology and disturbances; ionospheric irregularities and scintillation; models, data assimilation and simulations; unusual phenomena of the ionosphere; possible seismic signatures presented in ionospheric observations, and some methodology progresses. These progresses will enhance our ability to observe the ionosphere, provide more reasonable understanding about the states of the ionosphere and underlying fundamental processes, and stimulate ionospheric modeling, forecasting and related applications.