重现性地磁活动的数值预报

重现性地磁扰动作为地磁活动的重要部分，其特性在磁情预报中起着不可缺少的重要作用，本文利用地磁扰动在一定条件下具有２７天重现的特性和现代时序分析法中的自适应滤波方法，对北京地磁台Ｋ指数的预报方法进行了研究，并分别在太阳黑子活动低年和高年的两个时间段，进行了预报实验。低年时段预报结果精度为０．６６；在高年时段，预报精度为０．７９，进一步分析还表明，理论计算方法应当与多方面的物理分析相结合，预报精度为０     

冕洞相关地磁Ap指数中短期预报方法研究

地磁Ap指数是描述全球地磁活动水平的重要指数, 过去许多参考大气模式中都用Ap指数来表述地磁活动状态, 大气模式的运行需要输入地磁Ap指数, 因此, 地磁Ap指数的预报一直是空间环境预报中一个非常重要的内容. 针对太阳活动低年冕洞引起的地磁扰动具有明显27天重现的特性, 利用修正的自回归方法, 对地磁Ap指数进行了提前27天的预报; 采用从SOHO/EIT观测资料发展出来的描述冕洞特性的Pch因子, 进行了提前三天的地磁Ap指数预报. 结果显示, 将统计方法与物理分析相结合, 进行地磁Ap指数的中短期数值预报, 可以得到较好的预报效果.      

基于IGS电离层TEC格网的扰动特征统计分析

电离层总电子含量（TEC）是研究空间天气特性的重要参量,通过分析电离层TEC,可以了解空间环境的变化特征.利用IGS提供的1999—2016年全球电离层TEC格网数据,按照地磁纬度将全球划分为高、中、中低、低磁纬四个区域,计算不同区域的电离层扰动;利用大量统计数据选取电离层扰动事件的判定阈值,分析电离层扰动与太阳活动、时空之间的关系;计算电离层扰动指数与地磁活动之间的相关系数.结果显示:电离层扰动与太阳活动变化具有较强的正相关特性.在太阳活动低年,电离层扰动事件发生的概率约为1.79%,在太阳活动高年发生扰动的概率约为10.18%.在空间分布上,无论是太阳活动高年还是低年,高磁纬地区发生扰动事件的概率均大于其他磁纬出现扰动事件的概率.计算得到的中磁纬和中低磁纬地区电离层扰动指数与全球地磁指数Ap的相关系数分别为0.57和0.56,说明电离层扰动指数与Ap具有较好的相关关系;高磁纬电离层扰动指数与Ap的相关系数为0.44;低磁纬扰动指数与Ap的相关系数为0.39.以上结果表明,不同区域电离层扰动与全球地磁指数Ap的相关性不同,测定区域地磁指数可能会提高与电离层扰动的相关性.      

地磁扰动期间日本Kokubunji站电离层的扰动特征分析

利用日本Kokubunji站(139.5°E,35.5°N)1959年1月到2004年12月共46年的F2层临界频率foF2参数,统计分析了Kokubunji站电离层F2层峰值电子浓度NmF2随地磁活动、太阳活动、季节和地方时变化的形态特征.结果表明,总体来看,磁暴期间Kokubunji站电离层响应以正暴为主,其中在太阳高年夏季为负暴,冬季为正暴,春秋季以负暴为主但幅度较小;在太阳低年夏季以正暴为主,冬季为正暴,春秋季以正暴为主.NmF2扰动与ap指数在夏季太阳高年负相关,在冬季无论太阳高年低年均为正相关,春秋季中4月和9月在太阳高年类似夏季,3月和10月在太阳低年类似冬季.电离层最大负相扰动对最大地磁活动的延迟时间约为12～15 h;正相扰动的延迟时间则分别为3 h和10 h.地磁活跃期间地方时黄昏后到午夜前倾向于正相扰动,清晨倾向于负相扰动.      

基于电离层暴时f_0F_2经验模型Kalman滤波短期预报

利用时间累积地磁指数印ap(T),建立了强地磁扰动条件下电离层f0F2与月中值相对偏差经验模型.该经验模型只在春秋季节和夏季特强地磁扰动条件ap(T)>100,即时间累积地磁指数大于100时达到理想精度.尝试利用气象预报中常用的Kalman滤波方法对模型的系数进行实时修正,以提高预报精度,并对长春站1986-1995年近一个太阳周f0F2数据进行提前一小时预报试验.冬季预报均方根误差为0.76MHz,春秋季节为0.68MHz,夏季为0.61MHz.在特强地磁扰动条件下,预测误差在0.87～1.43MHz之间.该预报方法同时与包含暴时修正模型STORM的国际参考电离层IRI2001进行了比较,展示了Kalman滤波方法实时修正模型系数的能力和良好的应用前景.     

太阳活动低年广州地区地磁扰动与电离层闪烁的统计特征分析

基于肇庆地磁台的地磁监测数据和广州气象卫星地面站建立的华南地区GPS电离层闪烁监测网的监测数据, 统计分析了2008年7月至2010年7月太阳活动低年期间广州地区地磁扰动与电离层闪烁的关系. 用肇庆台地磁水平分量H的变化量换算出肇庆地磁指数K, 以此来代表广州地区地磁扰动情况.分析结果表明, 磁暴/强地磁扰动对广州地区电离层闪烁的发生总体表现为抑制作用, 电离层闪烁主要发生在低K值期间, 而在K ≥ 4时电离层闪烁的发生呈下降趋势. 电离层闪烁发生率随季节和地磁活动的变化规律表现在, 春季的弱闪烁发生率、夜间中等以上闪烁发生率和夏季中等以上闪烁的发生率明显与地磁活动指数K相关, 即随$K$指数的增大而减小; 在秋季和冬季闪烁发生率与K指数变化无明显关系. 同时还综合分析了地磁与太阳活动的变化对电离层活动的影响, 广州地区闪烁主要发生在太阳活动较低的磁静日期间.      

利用Hp分量预测空间环境地磁活动指数Kp

地磁场扰动可以引起近地空间环境(包括电离层和磁层)一系列变化,地磁Kp指数是空间天气扰动的重要参考指标.采用地球同步轨道GOES-8卫星监测到的垂直于同步卫星轨道平面的地磁分量Hp数据,分析了地磁Kp指数与Hp分量波动幅度间的统计关系,结果显示,Hp分量的变化与Kp指数具有很好的相关性.利用回归分析和RBF神经网络方法,建立了Kp指数现报模型,根据地球同步轨道地磁场Hp分量的变化,计算出相同时段的Kp指数.监测结果表明,预报方法具有一定的有效性和实用性,特别是人工神经网络模式计算的Kp指数与实测结果吻合很好.利用此方法能够在不依赖于地面地磁探测数据的情况下,快速预报地磁扰动,及时为空间天气保障提供参考.同时,鉴于中国即将发射的风云四号搭载有地磁场探测仪,本项研究可为自主数据的应用奠定基础.     

磁层－电离层电动耦合与中纬地磁指数的变化

本文探讨磁层一电离层耦合过程内中纬地磁指数的变化特点，并与极光电集流和赤道电集流（指数）变化相比较．相关分析和时序叠加分析均表明，高、中、低纬地磁指数变化可归结为磁层一电离层电动耦合的统一物理图象．有Ｒ事件的磁暴主相初期和无Ｒ事件的磁扰期内，赤道电集流和中纬地磁指数的变化各不相同．这再次证明，耦合分析中将磁层源扰动的直接穿透作用与经电离层内动力过程的效应二者加以区分和综合研究是很重要的．     

相似预报法在电离层TEC短期预报中的应用

引入相似离度衡量样本间的相似程度, 并利用相似预报法对厦门一个GPS台站2004年电离层TEC观测数据进行了24,h预报试验. 结果表明, 预报相对误差与地磁活动水平密切相关, 地磁扰动条件下相对误差明显高于地磁平静时刻; 预报相对平均误差为18.022%, 地磁扰动时为44.896%, 地磁平静条件下为11.676%; 预报相对误差在10%, 20%, 30%, 40%以内的累积比例分别为38.209%, 65.075%, 84.984%,90.448%. 如果使用中纬地区或地磁平静期间的电离层TEC数据, 预报效果会更好.      

2008—2009年电离层对重现型地磁活动的响应

利用2008—2009年的GPS TEC数据,分析了电离层对冕洞引起的重现型地磁活动的响应. 结果表明,在太阳活动低年,电离层TEC表现出与地磁 ap指数（采用全球3h等效幅度指数ap来表征）和太阳风速度相似的9天和13.5天短周期变化,表明TEC的这种短周期特性主要与重现型地磁活动相关. 地磁纬度和地方时分析表明,夜间高纬地区正负相扰动明显,中低纬地区则以正相扰动为主,较大的TEC变幅主要发生在南北半球高纬地区,夜间南半球高纬地区TEC变化相对ap指数变化有相位延迟. 白天中低纬地区正负相扰动明显,TEC短周期变化与ap指数变化相位基本一致. 2008年TEC的9天和13.5天周期变化幅度大于2009年.      

运用信息融合式高阶UKF的微小卫星姿态确定算法

为提高微小卫星微型低成本姿态敏感器的姿态确定精度，基于磁强计/太阳敏感器/陀螺仪的姿态敏感器配置以及无迹卡尔曼滤波方法（Unscented Kalman Filter，UKF），设计了一种基于高阶UKF算法并且融合磁强计与太阳敏感器观测信息的微小卫星姿态确定算法.为提高系统状态方程非线性函数的一步预测精度，采用基于五阶UT变换的高阶UKF算法，增加了Sigma采样点数量，提高了系统状态预测精度.单一观测向量滤波算法不能同时满足多个不同量纲观测数据，本文提出一种同时利用两个观测向量的信息融合式滤波算法，根据磁强计和太阳敏感器的观测信息，通过卡尔曼滤波原理中的增益计算，分别得出地磁矢量和太阳矢量对应的卡尔曼增益信息.采用高斯概率密度准则进行信息融合，进而完成预测值的修正，得到同时满足磁强计以及太阳敏感器观测需求的四元数估计值，降低了观测误差的影响.仿真分析验证了算法的优越性.      

基于URTS平滑建议分布函数的PF算法设计及应用

为改善基于Unscented Kalman滤波建议分布函数的粒子滤波状态估计的性能,将Unscented Kalman滤波与RTS（Rauch-Tung-Striebel）固定区间平滑算法融合,产生了一种新的建议分布函数--Unscented RTS平滑建议分布函数。该函数首先实施Unscented Kalman滤波,之后对此滤波结果进行RTS固定区间平滑,以此产生预测样本。以此新建议分布函数得到的预测粒子的精度较通常的以Unscented Kalman滤波方法作为建议分布函数时得到的预测粒子的精度将大为提高,进而提高相应的粒子滤波算法--PF URTS的状态估计精度。新算法的可行性和有效性在GPS/DR组合导航数据处理中得到了应用验证。     

Vertical plasma transport in the ionosphere over Irkutsk during St. Patrick’s Day geomagnetic storm: Observations and modeling

The St. Patrick’s Day storm being the strongest geomagnetic storm of Solar Cycle 24 caused strong changes in ionospheric and thermospheric dynamics. The paper presents a study of vertical plasma transport in the ionosphere during the St. Patrick’s Day storm with using both observations and modeling. The observations give the ionospheric peak height obtained with the chirp vertical sounding ionosonde and the neutral wind velocities obtained with the Fabry-Perot interferometer. The ionospheric peak height is an indicator of the total vertical plasma transport, while meridional wind and electromagnetic drift are the two main drivers of the vertical plasma transport. The Global Self-consistent Model of the Thermosphere, Ionosphere, and Protonosphere used in this study gives the total set of ionospheric and thermospheric parameters including F2-layer peak height, neutral wind velocities, electric field, and neutral composition. The model/data comparison allows us to obtain two main results. The first one is an estimation of the model prediction possibilities under storm conditions. The second result is an indirect assessment of the neutral wind and electric field contribution into the changes in the ionospheric peak height in the case of the St. Patrick’s Day geomagnetic storm.     

具不确定观测和相关噪声的最优递推滤波

应用正交投影定理,对于噪声相关系统,在观测不确定的情况下,求出了状态向量的卡尔曼滤波公式。在线性最小方差准则下,解决了状态噪声一步相关,相同时刻的测量噪声和状态噪声相关,以及测量噪声和状态噪声在相邻时刻均相关的情况下的滤波问题,并给出了递推滤波公式。仿真算例说明了它们的有效性。     

红外成像系统中带有距离修正的目标能量预测方法

针对红外成像系统中目标遮挡后需要进行能量预测的实际情况，提出了一种基于距离修正的Kalman灰度预测方法，建立能量和距离之间的状态方程，通过装订的距离和观测到的目标能量来预测实际的目标能量，并结合具体的试验数据，与三阶状态向量Kalman滤波预测和 滤波预测做了对比，仿真结果表明，该滤波方法是正确有效的。     

Evaluation of JGM 2 geopotential errors from Geosat, TOPEX/Poseidon and ERS-1 crossover altimetry

World-ocean distribution of the crossover altimetry data from Geosat, TOPEX/Poseidon (T/P) and the ERS 1 missions have provided strong independent evidence that NASA's/CSR's JGM 2 geopotential model (70 × 70 in spherical harmonics) yields accurate radial ephemerides for these satellites. In testing the sea height crossover differences found from altimetry and JGM 2 orbits for these satellites, we have used the sea height differences themselves (of ascending minus descending passes averaged at each location over many exact repeat cycles) and the Lumped Latitude Coefficients (LLC) derived from them. For Geosat we find the geopotential-induced LLC errors (exclusive of non-gravitational and initial state discrepancies) mostly below 6 cm, for TOPEX the corresponding errors are usually below 2 cm, and for ERS 1 (35-day cycle) they are generally below 5 cm. In addition, we have found that these observations agree well overall with predictions of accuracy derived from the JGM 2 variance-covariance matrix; the corresponding projected LLC errors for Geosat, T/P, and ERS 1 are usually between 1 and 4 cm, 1 – 2 cm, and 1 – 4 cm, respectively (they depend on the filtering of long-periodic perturbations and on the order of the LLC). This agreement is especially impressive for ERS 1 since no data of any kind from this mission was used in forming JGM 2.

The observed crossover differences for Geosat, T/P and ERS 1 are 8, 3, and 11 cm (rms), respectively. These observations also agree well with prediction of accuracy derived from the JGM 2 variance-covariance matrix; the corresponding projected crossover errors for Geosat and T/P are 8 cm and 2.3 cm, respectively. The precision of our mean difference observations is about 3 cm for Geosat (approx. 24,000 observations), 1.5 cm for T/P (approx. 6,000 observations) and 5 cm for ERS 1 (approx. 44,000 observations). Thus, these “global” independent data should provide a valuable new source for improving geopotential models. Our results show the need for further correction of the low order JGM 2 geopotential as well as certain resonant orders for all 3 satellites.     

Strategy to search fragments from breakups in GEO

This paper proposes a strategy to search fragments from breakups in the Geosynchronous Earth Orbit (GEO) region based upon population prediction and motion prediction by means of ground-based optical observations. Breakup fragments have uncertainties in the states such as their position and motion, or even in their existence. Population prediction and motion prediction resolve those uncertainties. Population prediction evaluates the time-averaged distribution of fragments, whose position at a given time is unknown, in the celestial sphere. Motion prediction evaluates the expected motion of fragments appeared in image series acquired by a telescope’s CCD camera. This paper logically describes procedures of the search strategy, and provides mathematical expressions of population prediction and motion prediction. This paper also validates the search strategy via actual observations, in which a confirmed breakup in the GEO region is selected as a target. It is concluded that the proposed strategy is valid even for searching uncataloged fragments from breakups in the GEO region.     

基于SRCKF的多传感器融合自适应鲁棒算法

为解决模型误差和异常量测值发生时平方根容积卡尔曼滤波（SRCKF）算法滤波性能下降甚至滤波发散的问题,提出了一种多传感器融合自适应鲁棒算法。基于新息协方差匹配原则设计了鲁棒子系统以抑制量测异常值,同时为克服模型误差使用基于新息修正的低复杂度自适应SRCKF(LCASRCKF)算法设计了自适应子系统,根据2种子系统的特点和局限提出全局融合架构,使系统可以充分平衡并利用滤波过程中先验的模型预测值信息和后验的量测值信息,最终降低估计误差。仿真结果表明：相比鲁棒多渐消因子容积卡尔曼滤波（RMCKF）等算法,所提融合算法在滤波精度、稳定性和收敛速度等方面有明显优势。     

Orbit determination and prediction of GEO satellite of BeiDou during repositioning maneuver

In order to establish a continuous GEO satellite orbit during repositioning maneuvers, a suitable maneuver force model has been established associated with an optimal orbit determination method and strategy. A continuous increasing acceleration is established by constructing a constant force that is equivalent to the pulse force, with the mass of the satellite decreasing throughout maneuver. This acceleration can be added to other accelerations, such as solar radiation, to obtain the continuous acceleration of the satellite. The orbit determination method and strategy are illuminated, with subsequent assessment of the orbit being determined and predicted accordingly. The orbit of the GEO satellite during repositioning maneuver can be determined and predicted by using C-Band pseudo-range observations of the BeiDou GEO satellite with COSPAR ID 2010-001A in 2011 and 2012. The results indicate that observations before maneuver do affect orbit determination and prediction, and should therefore be selected appropriately. A more precise orbit and prediction can be obtained compared to common short arc methods when observations starting 1 day prior the maneuver and 2 h after the maneuver are adopted in POD (Precise Orbit Determination). The achieved URE (User Range Error) under non-consideration of satellite clock errors is better than 2 m within the first 2 h after maneuver, and less than 3 m for further 2 h of orbit prediction.     

粗差拟准检定法在星载GPS低轨卫星定轨中的应用

利用自适应卡尔曼滤波进行星载GPS低轨卫星定轨时,必须解决量测方程中经常存在的粗差问题．在分析以往方法的优缺点后,用拟准检定法来探测和修正量测方程中存在的粗差．该法的优点是辨识粗差准确率高,能同时定位多个粗差．另外,为了克服星载GPS低轨卫星定轨的滤波器可能出现的数值不稳定性及发散现象,还采用了UD分解算法及Sage自适应滤波器．最后用一个CHAMP卫星的模拟算例验证本方法的可行性和有效性．