卡尔曼滤波和自相关分析方法短期预报电离层f0F2的比较

电离层参数f₀F₂的预报是电离层研究的一个重要方向.本文选取2011年北京、长春、青岛和苏州四个常规观测站的f₀F₂数据,分别采用卡尔曼滤波、自相关分析法和国际参考电离层模型（IRI）对f₀F₂实施短期预报（提前1h预报）,并通过与实际观测数据的对比,对三种方法预报f₀F₂的性能进行了比较.研究结果表明,在磁平静时期,采用卡尔曼滤波方法进行f₀F₂预报的均方误差为0.532MHz,相对误差8.11%,比国际电离层参考模型的均方误差和相对误差分别降低1.47MHz和14.58%;采用自相关分析方法进行f₀F₂预报的均方根误差为0.967MHz,相对误差11.46%,比国际电离层参考模型的均方误差和相对误差分别降低1.035MHz和11.23%.比较结果说明二者对f₀F₂短期预报的精度相对于国际电离层参考模型均有大幅提升.对磁暴期间三种方法的预测性能做了进一步比较,试验结果表明卡尔曼滤波短期预报性能总体上优于自相关分析法,这为f₀F₂短期预报的方法选择提供了一定指导.      

曲靖地区电离层多参数变化特征

利用电波环境观测网曲靖站电离层垂直探测仪数据（2008－2018）,分析了该站电离层多参数（包括f_min,f₀E_s,h'E_s,f₀E,f₀F₁,f₀F₂,h'F,MUF(3000)F₂等）随太阳活动、季节、地方时的变化特征。结果表明,f_min,f₀E_s,h'E_s随太阳活动变化不明显,f₀E,f₀F₁,f₀F₂,h'F,MUF(3000)F₂与太阳活动变化具有相关性,f₀F₂经常发生日落增强现象,同时各自具有独立性;与拉萨、乌鲁木齐地区f₀F₂,h'F,f₀E_s变化特征对比,发现地方时与月份变化趋势相同,但是极值出现的位置有所不同,这可能与各地区的地理纬度和地形等因素有关;h'F夜间大于白天,在日出日落时段有突然上升现象,冬季的h'F一般都小于其他季节;MUF(3000)F₂与f₀F₂的变化特征相似,白天值高于夜晚值,春秋分季高于夏冬季,太阳活动高年日落后MUF(3000)F₂一直维持较高值并持续到03:00－04:00 LT。      

A Prediction Method for△f0F2min of a Single Station From Interplanetary Parameters Based on Statistical Study

Using 86 CME-interplanetary shock events,the correlation between the peak values of （a） the solar wind parameters(B_z,E_y,P_dyn) and the geomagnetic indices（SYM-H,ASY-H,Kp）, （b） the coupling functions（Borovsky,Akasofu,Newell） and the geomagnetic indices,（c） the solar wind parameters/coupling functions/geomagnetic indices and the ionospheric parameter(Δf₀F_2min), are investigated.The statistical results show that in group（a）,B_{z min} and SYM-H_min have the best correlation,that in group（b）,the best correlation is between the peak values of Akasofu function (A_min) and SYM-H_min,and that in group（c）,the best correlation is between K_pmax andΔf₀F_2min. Based on the statistical results,a method for predicting f₀F₂ of a single station is attempted to be set up.The input is modified B_{z min} and the outputs are SYM-H_min andΔf₀F_2min.Then 25 CME-IPS events that caused geomagnetic storms in 1998 and 2009 are used to check the prediction method. The results show that our method can be used to predict SYM-H_min andΔf₀F_2min.     

国际参考电离层模型输出参数峰值高度性能

电离层峰值高度H_mF₂是描述电离层形态的重要参数之一,国际参考电离层模型IRI-2016中融入了大量电离层测高仪和无线电掩星探测数据,用以提升H_mF₂的预测精度.本文利用太阳活动低年（2007—2010年）气象、电离层和气候卫星联合观测系统COSMIC探测数据描述全球范围内COSMIC H_mF₂的三维形态变化,对比分析了IRI-2016与IRI-2012模型的预测结果,同时分析了IRI-2016模型输出H_mF₂的性能.结果表明,IRI模型在中高纬度地区的输出结果高于COSMIC反演结果,而赤道及低纬地区则大都偏低.与IRI-2012模型相比,IRI-2016模型的输出结果在夜间至凌晨时段呈现较为明显的纬向梯度变化且大部分区域输出值偏高,但在白天时段赤道附近区域的输出值大都偏低.上述结果为电离层IRI模型的完善提供了一定参考.      

夜间135.6 nm气辉反演的电离层f0F2与测高仪观测比较研究

在夜间电离层，气辉135.6 nm谱线主要由F层的O⁺和电子的辐射复合过程以及O⁺和O^–的中性复合过程激发，该谱线强度和电离层峰值电子密度Nm F₂存在很强的相关性。利用夜气辉135.6 nm辐射强度与F₂层峰值电子密度Nm F₂的平方成正比的物理模型，建立了在不同经纬度、地方时、季节和太阳活动下均适用的反演算法。通过DMSP卫星上搭载的紫外光谱成像仪(SSUSI)实际观测的135.6 nm气辉辐射强度来反演相应时空的电离层F₂层临界频率f₀F₂，并将其与地基测高仪探测结果做了综合对比。结果表明，在太阳活动高年(2013年)，相对误差小于等于20%的数据占比93.0%，平均相对误差约为7.08%；在太阳活动低年(2017年)，相对误差小于等于20%的数据占比80.8%，平均相对误差约为12.64%。最后，对该算法在太阳活动高低年的反演精度差异进行了分析。     

电离层Es对HF和VHF传播信号的影响

Es层是存在于电离层中的电子密度非常高的偶发E层（Sporadic E）,其电子密度可达常规E层的100倍.电离层Es能够反射原本穿透F层的VHF低频段（30~150MHz）无线电波,而且对HF高频段（10~30MHz）无线电波传播具有显著影响.运用垂测和斜测观测数据,研究HF频段Es层电波传播特征,得到了不同类型及不同高度Es层的衰减系数.根据f₀E_s的日变化规律,可得HF频段衰减系数的日变化规律,进而分析并得到Es层对短波传播的影响.不存在电离层Es时,通常无法通过电离层实现VHF超远距离通信.为了对VHF链路通过电离层Es的传播衰减进行定量分析,根据EBU多条链路的观测结果,拟合并建立了电离层Es衰减模型.将该模型、ITU模型和观测数据进行对比,发现本文建立的模型准确度更高.利用建立的模型,对电离层Es不同临频f₀E_s条件下接收信号场强和电压随传播距离的变化进行了计算,结果可为VHF链路设计及建立提供参考.      

Galileo卫星导航系统广播Nequick模型及其参数拟合

提出了基于IGRF模型的Galileo广播Nequick模型及其参数拟合算法, 解决了Galileo信号仿真中地理场景映射与地磁坐标下的电离层延时修正参数拟合问题. 应用IGRF模型, 可计算出任意给定位置和时间点的地磁参数以及E层、 F₁层、F₂层的电子密度, 从而计算出Galileo电离层修正参数. 仿真结果表明, 该算法拟合的全球电离层延时与IGS提供的实际观测值基本一致, 仿真精度高于一般的经验电离层模型, 实现了Galileo卫星信号的电离层延时修正参数的精确仿真.      

释放不同化学物质对电离层扰动的比较

在电离层F区释放氢（H₂）、水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）、六氟化硫（SF₆）、三氟溴甲烷（CF₃Br）、羰基镍（Ni（CO）₄）可以损耗局域等离子体电子密度,形成电子空洞,电离层电子密度的改变主要取决于释放物质的气态分子与电离层之间的离子化学反应.在电离层人工主动扰动实验中,应根据发射成本和扰动效果对释放物质进行选择.通过热力学原理和有限元模拟方法计算比较了上述6种物质对电离层的扰动影响.计算结果表明,6种物质中水的气化率最低,约为19%,其余5种物质都在60%以上,选择密度小的物质,例如H₂和CO₂,可以有效降低发射成本.另外,扩散较慢且化学反应较快的物质,例如SF₆和Ni（CO）₄,能够使得电离层电子密度减少得更多,并且受扰动区域更广、持续时间更长.     

风云三号C星GNOS北斗掩星电离层探测初步结果

利用风云三号卫星C星GNOS掩星探测仪电离层数据,分析了2013年10月FY-3C GNOS探测的北斗掩星电离层廓线分布,将2013年10月1日至2015年10月10日期间FY-3C GNOS观测的F₂层峰值电子密度（N_mF₂）与地面电离层测高仪观测结果进行对比,验证了FY-3C GNOS北斗电离层掩星的探测精度.结果表明,FY3-C GNOS北斗电离层掩星与电离层测高仪探测的N_mF₂数据相关系数为0.96,平均偏差为10.21%,标准差为19.61%.在不同情况下其数据精度有如下特征:白天精度高于夜晚;夏季精度高于分季,分季精度高于冬季;中纬地区精度高于低纬地区,低纬地区精度高于高纬地区; BDS倾斜同步轨道（IGSO）卫星精度高于同步轨道（GEO）卫星和中轨道（MEO）卫星.FY-3C GNOS北斗电离层掩星与国际上其他掩星电离层数据精度的一致性对GNSS掩星探测资料的综合利用具有重大意义.      

135.6nm夜气辉峰值电子密度反演算法及误差

根据夜间135.6nm大气辉光光强与F₂层峰值电子密度N_mF₂平方成正比的物理机制,在前期夜间135.6nm气辉辐射激发模型研究的基础上建立了峰值电子密度的反演算法,把全球经纬度分成若干格点,每个格点的电离层及中性成分信息分别由IRI2000和MSISE90提供,将电离层及中性成分廓线输入夜气辉辐射激发模型,计算每个格点135.6nm气辉的辐射强度,然后将各个格点的135.6nm气辉辐射强度与电离层廓线输入的N_mF₂平方拟合得到气辉强度与N_mF₂的转换因子.利用此方法可获得不同地方时、季节和太阳活动周期的转换因子组成查算表,进而根据实际探测的135.6nm气辉辐射强度反演相应时空的N_mF₂.最后对该算法的反演误差进行了综合分析,为该算法适用的时空特性提供重要理论支撑.      

基于活动区面积统计的F10.7指数预报方法

太阳10.7cm射电流量（F_10.7）是反映太阳整体活动的重要指标,其主要源头是日面活动区.F_10.7指数与日面活动区具有显著的相关性,且不同面积的活动区与F_10.7并不遵循相同的线性关系.为进一步提高F_10.7预报的准确性,利用日面活动区面积与F_10.7的相关性,依据面积大小分类,提出F_10.7的预报公式并进行验证.采用2008-2018年SWPC （Space Weather Prediction Center）公布的活动区面积数据和CSWFC （Canadan Space Weather Forecast Center）公布的F_10.7实测数据计算预报公式系数,利用高年（2003年）和低年（1997年）的F_10.7预报验证其结果.研究结果表明,预报结果与实测值的相关系数分别为0.9318和0.9295,二者皆优于SWPC同时期的预报结果（相关系数分别为0.9186和0.8771）.本研究首次基于活动区的变化预测了F_10.7,提高了F_10.7预测的准确性.      

A regional model for the prediction of M(3000)F2 over East Asia

Research on empirical or physical models of ionospheric parameters is one of the important topics in the field of space weather and communication support services. To improve the accuracy of predicting the monthly median ionospheric propagating factor at 3000 km of the F2 layer (identified as M(3000)F2) for high frequency radio wave propagation, a model based on modified orthogonal temporal–spatial functions is proposed. The proposed model has three new characteristics: (1) The solar activity parameters of sunspot number and the 10.7-cm solar radio flux are together introduced into temporal reconstruction. (2) Both the geomagnetic dip and its modified value are chosen as features of the geographical spatial variation for spatial reconstruction. (3) A series of harmonic functions are used to represent the M(3000)F2, which reflects seasonal and solar cycle variations. The proposed model is established by combining nonlinear regression for three characteristics with harmonic analysis by using vertical sounding data over East Asia. Statistical results reveal that M(3000)F2 calculated by the proposed model is consistent with the trend of the monthly median observations. The proposed model is better than the International Reference Ionosphere (IRI) model by comparison between predictions and observations of six station, which illustrates that the proposed model outperforms the IRI model over East Asia. The proposed method can be further expanded for potentially providing more accurate predictions for other ionospheric parameters on the global scale.     

太阳E10.7指数的反演及预报方法

针对高层大气密度预报和轨道预报业务中对新型太阳紫外辐射指数E_10.7的需求,基于TIMED-SEE观测仪器提供的0.1～105 nm太阳辐射强度数据,开展了E_10.7指数反演和中期预报研究。 E_10.7指数是太阳光谱中波长为0.1～105 nm的辐射流量,单位与F_10.7指数相同（sfu,1 sfu=10–22 W·m–2·Hz–1）。 TIMED-SEE观测仪器提供的0.1～105 nm太阳辐射强度实测值具有高时间分辨率、延迟时间短和易获得的优势,利用最小二乘法拟合可反演出准实时的E_10.7指数,均方根误差为5.445 sfu。利用高阶自回归模型对E_10.7的中期预报效果尚佳,未来27天的预报值平均相对误差为7.83%。利用同样方法还开展了E_10.7指数81天中心滑动平均值未来27天预报试验,未来27天的预报值平均相对误差仅为3.63%。      

基于因果卷积与LSTM网络的电离层总电子含量预报

电离层总电子含量（TEC）不仅是分析电离层形态的关键参数之一,同时为导航及定位等空间应用系统消除电离层附加时延提供重要支撑。由于电离层TEC的时空变化特征,本文融合因果卷积和长短时记忆网络,以太阳活动指数F_10.7、地磁活动指数Dst和电离层TEC历史数据作为特征输入,构建深度学习模型,实现提前24 h预报电离层TEC。进一步利用2005－2013年连续9年的CODE TEC数据,全面评估了模型在北京站（40°N,115°E）、武汉站（30.53°N,114.36°E）和海口站（20.02°N,110.38°E）的预报性能。结果显示不同太阳活动条件下三个站的TEC值与真实测量值的相关系数都大于0.87,均方根误差大都集中在0～1 TECU以内,且模型预报精度与纬度、太阳、地磁活动程度、季节变化相关。与仅由长短时记忆网络构成的预报模型相比,本实验模型均方根误差降低了15%,为电离层TEC预报模型的实际应用提供了参考。      

基于斜向探测最高可用频率反演电离层参数

提出了一种利用斜向探测F₂层最高可用频率及其对应时延反演传播路径中点临界频率f₀F₂和3000km传输因子M（3000）F₂的新方法.该方法从工程实用角度出发,利用射线传播理论直接反演得到临界频率和3000km传输因子.通过对长春-径阳和新乡-赤峰两条斜向探测链路中点电离层参数的反演分析,验证了方法的稳定性;利用反演结果与北京垂直探测数据对比,验证了方法的准确性;通过与Smith方法的对比,验证了方法的实用性.统计分析显示,此方法具有与Smith方法可比的精度,明显优于参考电离层模型给出的结果,其均方误差为0.48MHz,相对误差为10.50%;具有较好的稳定性,对不同距离的探测链路有较好的适应性,反演精度差异为0.03MHz;具有可操作性强,易于实现的特点.本研究成果可用于短波通信频率实时预报、动态频率管理及其相关领域.      

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.      

Responses of ionospheric foF2 to geomagnetic activities in Hainan

Responses of low-latitude ionospheric critical frequency of F2 layer to geomagnetic activities in different seasons and under different levels of solar activity are investigated by analyzing the ionospheric foF2 data from DPS-4 Digisonde in Hainan Observatory during 2002–2005. The results are as follows: (1) the response of foF2 to geomagnetic activity in Hainan shows obvious diurnal variation except for the summer in low solar activity period. Generally, geomagnetic activity will cause foF2 to increase at daytime and decrease at nighttime. The intensity of response of foF2 is stronger at nighttime than that at daytime; (2) seasonal dependence of the response of foF2 to geomagnetic activity is very obvious. The negative ionospheric storm effect is the strongest in summer and the positive ionospheric storm effect is the strongest in winter; (3) the solar cycle has important effect on the response of foF2 to geomagnetic activity in Hainan. In high solar activity period, the diurnal variation of the response of foF2 is very pronounced in each season, and the strong ionospheric response can last several days. In low solar activity period, ionospheric response has very pronounced diurnal variation in winter only; (4) the local time of geomagnetic activities occurring also has important effect on the responses of foF2 in Hainan. Generally, geomagnetic activities occurred at nighttime can cause stronger and longer responses of foF2 in Hainan.     

基于压缩感知的高精度地磁基准图构建方法

地磁基准图的构建是实现地磁匹配导航的基石。针对实测数据量较小时利用插值法构建的地磁基准图精度不理想的问题,将压缩感知理论应用到地磁信息采集中。结合地磁基准图的结构特点设计了以离散余弦变换作为稀疏基、单位矩阵作为观测矩阵,以压缩采样匹配追踪（CoSaMP）算法作为重构算法的基于压缩感知的高精度地磁基准图构建方法,并与三次样条插值、Kriging插值及PSO-Kriging插值法进行对比。实验结果表明:所提方法具有较高的重构精度和稳定性,与性能最好的PSO-Kriging插值法相比,在6.25%采样率下重构地磁基准图,所提方法使得峰值信噪比（PSNR）由66.97 dB提高至74.67 dB,绝对误差由25.47 nT减小至10.26 nT,均方根误差由28.57 nT减小至11.33 nT。