应用高频多普勒方法对耀斑期间电离层TEC变化的估算

通过分析前人对耀斑期间电离层各区域电子密度的变化情况,总结了一个应用耀斑期间的高频多普勒扰动记录估算出层总电子含量变化的方法,并应用这一方法计算了１９９０年３－６月几次耀斑引起的低电离层总电子含量的变化,同时还与各耀斑对应的最大流量密度进行了比较,并对两者之间的相关情况进行了分析。     

电离层周日变化对解算GPS硬件延迟稳定性的影响

针对电离层周日变化特征分析了其可能对SCORE方法估算的硬件延迟稳定性的影响. 利用BJFS以及XIAM台站的GPS观测数据, 解算了位于太阳活动高年(2001年)和太阳活动低年(2009年)的卫星硬件延迟并分析了估算的硬件延迟的稳定性. 研究发现, 电离层周日变化对估算的硬件延迟稳定性具有一定影响, 但是利用不同台站所得到的卫星硬件延迟稳定性在昼夜不同时间上的解算结果存在一定差异. 电离层周日变化对利用 BJFS台站数据解算的硬件延迟稳定性日夜差异较为明显, 在太阳活动高年利用XIAM 台站数据解算的硬件延迟日夜稳定性差异不很明显, 由于XIAM台站处于电离层赤道异常峰附近, 夜间电离层变化很大, 因此对比中纬度地区, 电离层周日变化对赤道异常峰附近地区硬件延迟稳定性解算结果的影响相对较小, 但在太阳活动低年, 其影响仍较为显著.      

大耀斑期间向日面电离层总电子含量的响应个例分析

利用2001年4月15日1336UT耀斑爆发期间向日面GPS观测数据提取的总电子含量的时间变化曲线。分析了向日面电离层对这次耀斑的响应特点．结果表明，耀斑期间向日面电离层出现了总电子含量突增事件．最大总电子含量增加量约为2．6TECU，在0600LT和1800LT都观测到了总电子含量突增，世增加幅度仅为0．5-1TECU．在高纬地区，由于电离层闪烁，从TEC时间变化曲线提取不出来总电子含量增加值．从各卫星星下点处的TEC增加量和各星下点处的太阳天顶角的关系可以看到，TEC增加量与太阳天顶角有关，太阳天顶角越大，TEC增幅越小。另外，从总电子含量时间变化率曲线上还观测到了时间同步的小尺度扰动，通过与耀斑期间硬X射线辐射通量的比较，发现两者有明显的相关性，电离层中的这种扰动与耀斑期间的硬X射线或远紫外辐射有关．     

磁暴期间电离层扰动的GPS台网观测分析

给出了一种利用GPS台网观测获取TEC快速变化的计算方法，并将该方法用于东亚一澳大利亚扇区的GPS台网观测数据，分析了2000年7月14—18H大磁暴期间的电离层响应，揭示出电离层暴期间赤道异常峰的压缩和移动等特性．计算结果表明，在站点分布不均匀、原始观测数据不足且随时间跳变等多种不利因素的影响下，这种新的算法仍能保持很好的计算稳定性，并能快速地提取给定时空范围内的三维TEC短时变化的特征，适用于研究电离层暴等情况下引起的TEC扰动．     

利用人工神经网络提前1h预报电离层TEC

提出了一种利用人工神经网络提前1h预报电离层TEC的简便方法. 考虑到实际工程应用要求, 没有使用其他空间天气参数, 而是选择电离层TEC观测数据本身作为输入参数. 输入参数为当前时刻TEC、一阶差分、相对差分和时间, 输出参数为预报时刻TEC. 利用文中介绍的GPS/TEC处理方法解算厦门站2004年电离层TEC观测数据, 对预报方法进行评估, 全年平均相对误差为9.3744%, 预报结果与观测值相关性达到了0.96678. 结果表明, 利用人工神经网络方法提前1h预报电离层TEC有很好的应用前景.      

1996-2003年大耀斑事件引起的TEC突然增强的统计分析

利用1996—2003年期间GOES卫星耀斑观测资料和国际GPS观测网的GPS—TEC资料分析X级大耀斑事件引起的电离层电子浓度总含量(TEC)的突然增强(SITEC)现象．对X射线耀斑等级、耀斑日面位置与SITEC的关系进行了分析．结果表明,两者都与SITEC现象的强弱有着一定的正相关性．在消除X射线耀斑等级、耀斑日面位置对电离层SITEC现象的影响后,进而分析了日地距离以及耀斑持续时间对电离层SITEC现象的影响．结果表明,日地距离和耀斑持续时间都是影响SITEC现象的重要参数,日地距离较近时发生的耀斑事件引起的SITEC现象较为强烈．另外,耀斑持续时间越长,SITEC现象越微弱,但是当耀斑持续时间继续延长时,SITEC现象的强弱逐渐趋于不再改变,最后在某值附近达到平衡．还对某些没有在电离层中引起明显SITEC现象的耀斑事件进行了讨论,发现了这类耀斑的一些特征．     

利用北斗观测数据实时监测中国区域电离层变化

北斗卫星导航信号采用三个频点工作,可以利用伪距双频组差方法解算电离层电子含量,为实时监视中国区域电离层变化提供新的技术手段.中国中低纬度处于电离层赤道异常变化区,在北纬20°±5°区域时常发生较大梯度的电离层变化.利用北斗实时多频伪距和相位观测数据,采用相位平滑伪距方法计算电离层穿刺点电子含量,分析通过北斗系统GEO卫星监测的电离层周日变化特性;采用多面函数方法拟合中国区域1°×1°分辨率的电离层延迟量,每5min绘制一幅中国区域电离层图,观测区域所有电离层穿刺点拟合残差RMS为2.778TECU;分析北斗系统实时监测中国区域电离层异常情况,当发生电离层异常变化时,相邻两天的VTEC（Vertical Total Electronic Content）峰值相差约60TECU.      

一次中等磁暴期间全球电离层TEC及ROTI指数变化分析

地磁暴发生时,电离层会有偏离平均水平的强烈扰动.基于全球电离层TEC及其时间变化率ROTI(Rate of TEC Index)数据,对2014年8月一次中等强度磁暴期间的全球电离层影响进行了分析,探讨了磁暴所引发电离层暴的可能机制.研究发现,本次磁暴伴随有明显的电离层暴效应.磁暴期间:南半球电离层以正相暴为主,北半球电离层暴则整体表现为短暂正相暴后长时间强的负相暴;电离层在北半球的下降比南半球强,并且这种下降持续了约一周时间;低纬区域电离层变化幅度明显小于中纬区域,高纬区域则主要表现为负暴效应;赤道北驼峰出现了明显的南移现象,直至磁赤道两侧双驼峰结构消失.对磁暴期间三个不同扇区的电离层ROTI变化的分析表明:欧洲-非洲扇区磁暴前有电离层闪烁发生,磁暴发生后消失,而东亚-澳大利亚及美洲扇区则无此现象出现.研究结果表明,此次磁暴期间的电离层变化存在明显的时间和空间差异.     

一次中等磁暴期间全球电离层TEC及ROTI指数变化分析

地磁暴发生时,电离层会有偏离平均水平的强烈扰动.基于全球电离层TEC及其时间变化率ROTI(Rate of TEC Index)数据,对2014年8月一次中等强度磁暴期间的全球电离层影响进行了分析,探讨了磁暴所引发电离层暴的可能机制.研究发现,本次磁暴伴随有明显的电离层暴效应.磁暴期间:南半球电离层以正相暴为主,北半球电离层暴则整体表现为短暂正相暴后长时间强的负相暴;电离层在北半球的下降比南半球强,并且这种下降持续了约一周时间;低纬区域电离层变化幅度明显小于中纬区域,高纬区域则主要表现为负暴效应;赤道北驼峰出现了明显的南移现象,直至磁赤道两侧双驼峰结构消失.对磁暴期间三个不同扇区的电离层ROTI变化的分析表明:欧洲-非洲扇区磁暴前有电离层闪烁发生,磁暴发生后消失,而东亚-澳大利亚及美洲扇区则无此现象出现.研究结果表明,此次磁暴期间的电离层变化存在明显的时间和空间差异.     

GPS电离层反演方法研究及其在地震方面的应用

利用地基GPS数据计算了电离层单球壳模型穿刺点上的垂向总电子含量(VTEC), 根据VTEC和卫星及测站接收机的差分码间偏差DCB的不同时变特性采用了复弧法, 将VTEC作为局部变量(每30 min 一组, 可调), DCB作为一天的全局量进行解算. 在解算的过程中, 充分考虑VTEC的空间分布特性, 利用变异函数通过Kriging插值法建立电离层VTEC的二维格网模型, 并给出了卫星和接收机的差分码间偏差DCB. 通过与IGS结果的比较, 发现其结果可靠, 且时空分辨率和稳定性都有较大提高. 同时, 基于简化的三元样条插值基函数对电离层电子密度进行三维展开, 利用乘型代数重建技术MART算法构建了同批数据的四维层析成像结果, 获得了电离层电子密 度的四维分布. 其结果与CHAMP无线电掩星结果非常一致. 利用上面两种算法又分别对2008年5月长江三角洲地区地基GPS数据进行处理, 简要分析了该时段该地区上空电离层总电子含量和电子密度的变化情况及其对汶川地震的响应.      

Seasonal variability of GPS-VTEC and model during low solar activity period (2006–2007) near the equatorial ionization anomaly crest location in Chinese zone

Variability of vertical TEC recorded at Fuzhou (26.1°N, 119.3°E, geomagnetic latitude 14.4°N), Xiamen (24.5°N, 118.1°E, geomagnetic latitude 13.2°N), Nanning (22.8°N, 108.3°E, geomagnetic latitude 11.4°N), China, during the low solar activity in 2006–2007 have been analyzed and discussed. Remarkable seasonal anomaly was found over three stations with the highest value during spring and the lowest value during summer. The relative standard deviation of VTEC is over 20% all the time, with steady and smooth variation during daytime while it has a large fluctuation during nighttime. The biggest correlation coefficient was found in the VTEC-sunspot pair with a value of over 0.5. It seems that solar activity has a better correlation ship than geomagnetic activity with the variation of VTEC and better correlations are found with more long-term data when comparing our previous study. The results of comparing observation with model prediction in three sites reveal again that the SPIM model overestimates the measured VTEC in the low latitude area.     

Negative VTEC with spherical harmonic expansion model under different solar activity conditions

The Earth’s ionosphere can be described by a spherical harmonic (SH) expansion up to a specific degree. However, there exist negative vertical total electron content (VTEC) values in the global ionosphere map (GIM) with the SH expansion model. In this contribution, we specifically investigated the negative VTEC values that are induced by the SH expansion model and validated the performance of the inequality-constrained least squares (ICLS) method in eliminating the negative VTEC values. The GPS data from 2004 to 2017 was selected to cover one solar cycle and the experiments under different solar activity conditions were analyzed. The results in our work show that the occurrence of the negative VTEC values is attributed to the deficiency of the SH expansion model when the VTEC itself is small instead of the unevenly distribution of the GNSS stations. The negative VTEC values appear periodically in the temporal domain, showing apparently one year and half year periods. During one year, two peaks in June and December can be observed in the time series of the negative VTEC values. The number of negative VTEC values in June is obvious larger than that in December. During one solar cycle, the number of negative VTEC values under quiet solar activity condition is obvious larger than that under strong solar activity condition. In the spatial domain, the appearance of the negative VTEC values is strongly related with the movement of the subsolar point. In the latitude of the subsolar point has the largest magnitude, the negative values will appear on the opposite hemisphere and the further from the subsolar point the more negative values. The maximum number of the negative VTEC values in the southern hemisphere appears in June, while the peak value in the northern hemisphere appears in December. The maximum number of negative VTEC values in the southern hemisphere is generally larger than that in the northern hemisphere. In addition, the negative VTEC values are distributed both at middle latitude and high latitude in the southern hemisphere, while they are mainly distributed at high latitude in the northern hemisphere. When the ICLS method is used, the negative VTEC values can be eliminated efficiently and it has nearly no influence on the positive VTEC values. The ICLS method can also improve the receiver’s differential code bias (DCB) and significantly decrease the unreasonable negative slant TEC (STEC) values along the lines of sight. Using the final GIM product of the Jet Propulsion Laboratory (JPLG) as a reference, the root mean square (RMS) of the ICLS solution shows maximum 25%, 20% and 45% improvement relative to the least squares (LS) solution at northern high latitude, southern middle latitude and southern high latitude, respectively.     

Vertical TEC variations and model during low solar activity at a low latitude station,Xiamen

GPS-derived vertical TEC recorded at Xiamen (24.5°N, 118.1°E, geomagnetic latitude 13.2°N), China, during year 2006 is analyzed for the first time and compared to that predicted by ionosphere model SPIM recommend by ISO. A manifest seasonal anomaly is found with the high value during equinoctial season and low value during summer and winter season. Relative standard deviation for VTEC shows high value at around midnight and before sunrise. The correlation analysis exhibits that the variation of VTEC has a very weak relation with geomagnetic and solar activities (Dst, AP, SSN and F10.7). Comparative results reveal that the SPIM overestimates the observed VTEC at most of the time.     

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.      

多星敏感器测量最优姿态估计算法

多数利用星敏感器加陀螺组合的姿态确定方法中,由于星敏感器精度较高,使得系统定姿的精度比较高.然而,姿态确定的算法因观测模型和误差处理不当,导致滤波器观测修正能力下降,从而不能有效地估计陀螺的漂移误差.提出了基于星敏感器观测姿态角的误差建模,研究了多星敏感器组合的最优安装构型和观测融合方法.利用加权最小二乘法对观测数据的预处理,使观测方程定常化.再利用陀螺加星敏感器组合的扩展Kalman滤波(EKF,Extended Kalman Filtering)对航天器姿态和陀螺漂移进行估计.仿真结果表明,提出的多星敏感器最优组合的滤波方法能够有效精确地估计卫星三轴姿态和陀螺漂移,且该方法计算量小,有利于卫星定姿系统的在轨自主运行.     

两步法快速解算编队卫星GPS模糊度

为克服卫星编队飞行实时相对定位中双频模糊度解算速度慢的缺点,结合扩展Kalman滤波(EKF,Extended Kalman Filter),首先采用少数个历元(如10个)相位平滑伪距相对定位结果与 L₆的平均值对滤波初始化,再根据两步法解算双频模糊度,即先解算并正确固定宽巷模糊度,获得较准确的基线分量估值,然后采用选权拟合方法,将基线分量作为约束条件解算并固定双频模糊度.仿真算例计算结果表明,当宽巷模糊度正确固定后,编队卫星间相对定位误差在5cm以内,两步法可以在较短时间(约3min)内固定双频模糊度,为精确解算编队卫星的相对状态提供保障.     

太阳活动低年低纬地区VTEC 变化特性分析

利用福州台站(26.1°N, 119.3°E, 磁纬14.4°N)电离层闪烁与TEC监测仪2006-2010年的观测数据, 对该地区垂直总电子含量(VTEC)进行时间变化特性分析. 结果表明, 春秋冬三季的VTEC平均最高值出现在06:00UT, 夏季出现在08:00UT, 所有季节的平均最低值均出现在21:00UT; VTEC变化存在季节异常和弱冬季异常, 春秋季节高, 冬夏季节低, 夏季VTEC比冬季低且最大值出现时间延迟; VTEC在2006-2009年呈现下降的变化趋势, 2010年开始增强, 年际变化与太阳活动及地磁活动变化趋势具有较好的对应关系; VTEC变化与太阳活动存在很好的相关性, 相关系数达到0.5以上, 地磁活动则显示了弱相关的特性; F_10.7与VTEC的相关性随着每天Kp指数总值Σ_kp的增大而减小.      

基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨

提出基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨算法,利用2005-12-09—10两颗GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星的GPS（Global Positioning System）实测数据进行实时相对定轨试验计算,采用JPL（Jet Propulsion Laboratory）轨道对试验结果外部检核,结果表明:①自适应滤波相对定轨通过自适应因子,可以较好地平衡编队卫星的观测信息和相对动力学信息,其相对定轨结果精度优于Kalman滤波相对定轨结果;②自适应滤波相对定轨结果随着星间基线缩短而精度提高;③两颗GRACE卫星采用单频伪距和广播星历进行自适应滤波相对定轨,可以得到精度优于6cm的星间基线。     

一种基于系数择优的低阶球谐电离层延迟改正模型

针对单频接收机的电离层延迟改正问题, 提出了一种基于系数择优的低阶球谐电离层延迟改正模型. 按照电离层延迟改正模型参数择优问题的描述, 明确参数优化的目标和约束条件, 根据参数选择可编码的特点, 提出了利用遗传算法进行参数择优的方法及步骤. 以欧洲定轨中心(CODE)提供的电离层数据作为参考标准, 对参数择优模型、 低阶球谐模型和Klobuchar模型模拟的区域电离层VTEC精度进行了比较分析. 结果表明, 较之相同系数个数的低阶球谐模型, 参数择优模型精度平均改进了1～2TECU, 而且比Klobuchar模型及低阶球谐模型能更好地反映电离层的周日变化及纬度变化特征.