2018年阿拉斯加Mw7.9级地震同震电离层扰动研究

2018年1月23日，阿拉斯加湾科迪亚克岛东南部海域发生了Mw7.9级地震，这是由于太平洋板块浅层岩石圈内的走滑断层造成的。采用美国连续运行参考站（CORS）的GPS观测数据（采样间隔为15s），解算孕震区上空高精度的倾斜总电子含量（STEC），利用奇异谱分析（SSA）的方法提取电离层扰动信息，对阿拉斯加地震同震电离层扰动（CID）进行分析。结果表明，在震后1h内，STEC探测到了明显的“N”形波扰动，扰动振幅超过了0.16个总电子含量单位（TECU），持续时间近15min。CID传播速度为2.62km/s,在距震中600km的范围内传播，结合扰动信号频率，判断是由瑞利波向上传播至电离层引起的。由于受到地震破裂带和地磁场影响，CID传播具有明显的方向差异性，探测到的CID点主要位于震中西南方向。此外，在SWARM卫星的垂直总电子含量（VTEC）数据中发现，震发当天震中上空区域TEC明显减小。     

不同电离层模型对北斗共视的精度影响分析

GNSS共视时间传递已成为远程高精度时间同步的主要技术手段之一,我国自主研制的北斗导航系统已经服务于亚太地区,基于北斗共视进行高精度时间传递已成为我国时频领域的研究热点。为了提高导航系统定位精度,需降低或消除导航定位过程中的各类误差,其中电离层为影响北斗共视的主要误差。研究了常用的几种电离层修正算法,利用2014年7月份的观测数据分析不同电离层模型对北斗共视钟差的精度影响,给出了残差标准差和稳定度值。分析结果表明:经各种电离层修正后,钟差精度都有所提高,其中双频电离层修正最优,比VTEC格网模型和Klobuchar模型分别提高22%和30%。对于不同星座,GEO卫星计算的钟差修正后精度明显优于MEO、IGSO卫星。     

北斗星基增强电离层模型精度评估与分析

针对如何有效地对北斗星基增强系统(SBAS)电离层在模型精度、模型时效性等方面进行综合评估,提出了一种修正的CODE格网模型,通过增加国内陆态网监测站观测数据,提升了CODE格网模型精度。以此模型为基准,利用2020年近一个月的数据分析了北斗区域格网电离层模型和北斗SBAS电离层模型的延迟误差、改正比例的变化以及在全球的覆盖范围,并从全球不同纬度带比较了北斗基本导航和星基增强电离层模型的精度。结果表明：修正的CODE模型精度符合评估要求,且与我国电离层实际变化情况更吻合,北斗区域格网电离层模型和北斗SBAS电离层模型精度相当,优于0.3m,改正比例均优于80%,但北斗SBAS电离层模型覆盖范围明显更大。     

北斗星基增强电离层模型精度评估与分析

针对如何有效地对北斗星基增强系统(SBAS)电离层在模型精度、模型时效性等方面进行综合评估,提出了一种修正的CODE格网模型,通过增加国内陆态网监测站观测数据,提升了CODE格网模型精度。以此模型为基准,利用2020年近一个月的数据分析了北斗区域格网电离层模型和北斗SBAS电离层模型的延迟误差、改正比例的变化以及在全球的覆盖范围,并从全球不同纬度带比较了北斗基本导航和星基增强电离层模型的精度。结果表明修正的CODE模型精度符合评估要求,且与我国电离层实际变化情况更吻合,北斗区域格网电离层模型和北斗SBAS电离层模型精度相当,优于0.3m,改正比例均优于80%,但北斗SBAS电离层模型覆盖范围明显更大。     

基于DOA-BP神经网络的电离层TEC短期预测

影响全球导航卫星系统（GNSS）所需导航性能（RNP）的最大误差源之一是电离层延迟,该延迟与电离层总电子含量（TEC）成正比,因此TEC的准确预测直接影响到GNSS的RNP。探索性地使用2021年提出的澳洲野犬优化算法（DOA）优化反向传播（BP）神经网络,构建DOA-BP神经网络TEC短期预测模型,以欧洲定轨中心（CODE）提供的电离层TEC值作为数据集,训练、测试DOA-BP TEC短期预测模型,实现全球范围和中国区域不同电离层格网点处TEC值的高精度短期预测,并将预测结果分别与传统BP神经网络模型、麻雀搜索算法（SSA）优化的BP神经网络模型（SSA-BP）预测的TEC值进行对比分析,结果表明,相较传统BP模型,DOA-BP模型的TEC预测精度明显提高,且相比其他优化模型（如SSA-BP模型）,预测的TEC精度也占一定优势,能准确反映全球不同时空下电离层TEC的变化特征,可作为电离层TEC短期预测的一种新方法。     

HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD的影响

通常使用无电离层(IF)线性组合(LC)消除低地球轨道(LEO)卫星简化动力学精密定轨(POD)一阶电离层延迟误差,忽略了高阶电离层(HOI)延迟误差。随着LEO卫星POD技术的发展,计算不同轨道高度的HOI延迟并探索其变化已成为进一步提高POD精度的重要手段。首先,使用国际参考电离层-2016(IRI-2016)和国际地磁参考场第13代(IGRF-13)模型,计算电离层穿刺点(IPP)位置和地磁场强度。其次,使用平滑星载GNSS数据计算电离层斜路径总电子含量(STEC)。然后,分别计算GOCE、GRACE-A和SWARM-A/B卫星的二阶和三阶电离层延迟。最后,评估了HOI延迟对LEO卫星重叠轨道分析、卫星激光测距(SLR)检核和精密科学轨道(PSO)比较结果的影响。实验结果表明：HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD的影响大约在毫米至厘米的数量级上;HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD外符合精度的影响分别达到0.92,0.22,0.21和0.18 mm;随着LEO卫星轨道高度的增加,HOI延迟对LEO卫星简化动力学POD的影响减小。     

几种电离层模型折射修正效果检验

航天工程任务对航天器外弹道测量数据的精度需求不断提高,电离层折射误差已成为影响航天高精度测量的主要误差源之一。目前国际上基于多种观测数据建立了多种电离层模型,由于模型使用的数据和算法不同而有不同的修正精度。通过分析国内外常用的Klobuchar(克罗布歇)模型、国际参考电离层模型和中国参考电离层模型的特点,利用3个电离层模型对S频段多颗在轨卫星50多跟踪圈次的实测外测数据进行修正,以星载GPS(Global Positioning System,全球定位系统)数据获取的精密星历经过坐标变换、测站与卫星的几何关系计算可得到测站到卫星的距离,将其作为标准值,采用微波辐射计修正对流层折射误差后对3个电离层模型的修正结果进行比较检验,结果表明中国参考电离层模型在中国区域的修正结果优于其他2个模型,可为航天测控实时修正提供参考。     

电离层对单频卫星导航系统伪距差分定位的影响

用计算机仿真方法 ,给出了单频卫星导航系统伪距差分后 ,定位误差受电离层影响的一些结果。伪距差分定位能够校正电离层时延误差 ,但校正精度随用户与基准站到同一颗卫星倾斜因子的不同而不同。为此 ,提出了一种改进的伪距差分方法。仿真结果表明 ,改进后有明显效果     

对流层和电离层延迟残差对GPS飞行器定位精度影响

GPS(全球定位系统)飞行器定位中,飞行器起飞后,基准站与移动站的距离和高程差逐渐增大,对流层、电离层延迟残差对定位精度的影响也将越来越大。利用在短基线条件下,用Kalman滤波和LAMBDA(最小二乘模糊度降相关平差法)算法固定整周模糊度,并在随后保持固定。在此基础上研究对流层、电离层延迟残差参数估计对定位精度的影响。算例结果表明,短基线条件时,电离层延迟残差估计将使定位精度变差,高程定位误差小于10cm;中长基线时,电离层延迟残差估计将改善载波相位残差,从而改善定位精度,取得与消电离层组合定位一致的定位精度。而在视场内缺少低仰角卫星时,对流层延迟残差参数估计将使定位精度变差。     

电离层对民航卫星导航应用影响分析

对于应用卫星导航的民用航空运行而言,电离层是一种最为复杂的导航误差影响因素。由于电离层存在模型复杂、异常扰动和闪烁、电离层风暴的特性,尤其在太阳活动期间,可对民航导航带来致命性的影响,影响航空正常运行,国际上针对消除电离层误差提出了单一模型、相对定位以及广域增强等方法,目前国际民航组织也在开展电离层数据收集和构建区域电离层模型的工作。针对电离层形成原因与特性、消除电离层手段、电离层对民用航空导航的影响以及相应的解决措施,提出了民用航空消除电离层误差的方法和设想。     

Theory of formation of the ionosphere

Current knowledge about the solar radiation and absorption and ionization cross sections of atmospheric gases is reviewed. Next the main observed features of ionospheric layers are summarized. Using CIRA 1965 model atmospheres the heights of the peak of the ionization rate are calculated for a number of solar emission lines and it is made clear which of these lines are responsible for the formation of E and F1 layers. The mechanism of electron removal in the F and upper E regions as well as in the lower regions is considered, and the mechanism of formation and some behaviours of each ionospheric layer is discussed. In particular, the equatorial F2 layer is briefly considered. Discrepancies are pointed out between the values of the recombination coefficient and the rate constant for ion-atom interchange reaction obtained from ionospheric observations and from laboratory experiments. Inconsistency of the values of the intensity of solar radiation measured by rocket techniques and inferred from ionospheric considerations is also noted. Some evidence is presented suggesting that corpuscular radiation may be responsible for part of the ionization in the ionosphere even in temperate latitudes.     

单脉冲雷达测量的电离层折射修正的研究

当目标在电离层飞行时,单脉冲雷达的测量电波会受到电离层的折射影响。由于电离层是一种磁离子介质,与低层大气介质的物理特性不一致,对电波造成的折射影响也不同。本文首先介绍电离层折射误差的计算方法,然后分析雷达测量仰角和目标高度造成的折射误差,并比较不同的电子浓度剖面对雷达测量的影响。     

Polar ionospheric disturbance effects on NNSS satellite positioning

From the analysis of the United States Navy navigation satellite system (NNSS) positioning data of about 10000 passes, it is clearly found that polar ionospheric disturbance affects the positioning. The positioning error increases with increasing geomagnetic disturbance level (local K-index), and the pass number of position fixes decreases by one or two per day when the K-index is large. These effects may arise from the spatial gradients of electron density and/or the radio wave scattering due to well-developed ionospheric irregularities inherent to the disturbed auroral ionosphere     

Corrections of Satellite Positions in Near-Real Time

The influence of sudden increases of electron content on the accurate determination of the position of a satellite is investigated based on a spherically stratified ionospheric model. Using the total electron content information from Faraday rotation measurements, a procedure is presented whereby the corrections of satellite position due to the unpredicted electron increase can be accounted for without the need to know the spatial distribution of the additional electrons.     

Frequency-Dependent Ionospheric Refraction Effects on the Doppler Shift of Satellite Signals

Analysis of four-frequency satellite Doppler data has allowed the separation and measurement of frequency-dependent ionospheric contributions to the Doppler shift, providing information useful in the study of errors incurred when tracking radio signals through the ionosphere. These refraction errors affect the accuracy of navigational position fixes obtained by Doppler satellite tracking systems. Some measured ionospheric refraction errors reported here are of interest because their magnitudes are significantly greater than those heretofore predicted from theoretical considerations.     

A Note on the Effects of the Ionosphere on Satellite Orbital Corrections in Near-Real Time

The influence of ionospheric irregularities,e.g., sudden increase of electron content, onthe accurate determination of the position ofa satellite is being investigated. In this note amethod is presented whereby these effects areeasily accounted for in near-real time withoutthe need to know their detail structure.