用GPS 观测研究电离层TEC 水平梯度

双频GPS 用户能自动修正电离层总电子含量(TEC) 引起的延时误差, 但是对于电离层中的不规则体造成的信号闪烁而引起的误差则不能消除. 即使是差分GPS 系统, 电离层误差仍然是其主要的误差源, 其中电离层TEC 梯度将会影响到系统的定位精度和性能. 本文用GPS 方法研究了电离层TEC 的水平梯度问题, 用处于赤道异常区NTUS 台站的GPS 观测数据作了具体计算. 结果表明, 在日落以后到子夜前后电离层垂直TEC 出现了大的涨落, 电离层中的不规则体导致L 波段信号强的闪烁, 同时还伴随着大而快速变化的电离层~TEC 水平梯度. 对比发现, ROTI指数、电离层TEC 水平梯度和电离层垂直TEC 三者之间有很好的对应关系, 它们的变化特征均由电离层中的不规则体引起. 我们认为研究电离层闪烁, 特别是在缺乏S4指数时, 电离层TEC 梯度也可以作为一个重要的可选参数.      

地磁暴期间北半球高纬度地区电离层变化特征及对精密定位的影响

基于加拿大地区高纬度电离层观测网的电离层闪烁观测数据，分析了2018年8月26日地磁暴事件引发的北半球高纬度地区电离层总电子含量（TEC）异常变化、TEC变化率指数（ROTI）及电离层相位闪烁的变化特征.结果表明:加拿大地区最大异常值约6 TECU，磁暴引发全球电离层TEC异常峰值高达20 TECU；加拿大地区电离层相位闪烁发生率最大增至12.6%，而磁静日期间约为1%；强电离层闪烁期间，电离层相位闪烁指数与ROTI之间具有较强的一致性.对GPS双频精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）结果进行分析发现:无闪烁期间定位误差随测站纬度的增高呈现出增大趋势，但均方根误差小于0.4m；闪烁发生期间各测站的定位误差均显著增大，水平和垂直方向定位误差分别增至约0.9m及1.7m.      

通过GPS测量数据研究电离层电子总含量的逐日变化

提出了一种直接通过双频GPS伪距测量数据导出接收站附近垂直TEC的方法,这种方法不需要事先知道卫星和接收机电路时延的精确值,前者可在换算过程中自洽地加以修正,而接收机时钟误差则利用IRI模式的夜晚平均值作为参考来订正,这一订正存在一定的绝对误差,但不会影响逐日相对变化,却使数据处理过程大为简化.得到的垂直TEC为天顶周围60锥角内的平均值,能够相当好地反映电离层电子总含量的周日变化.一个计算实例显示了连续三天北京地区TEC的日变化情况,证实了这一方法的实用性.文中还提出一个新概念或问题,即GPS卫星仰角很小时,通常认为多径效应造成大的误差,本文的一些实例似乎表明,这种多径效应的概念应当包括电离层不规则结构的贡献.     

2000年7月和2003年10月大磁暴期间东亚地区中低纬电离层的GPS TEC的响应研究

利用武汉电离层观象台研制的GPS TEC的现报方法及现报系统,对东亚地区GPS台网的观测数据进行处理分析,特别对2000年7月14-18日和2003年10月28日至11月1日两次特大磁暴期间的数据进行了对比考察,文中分析了两次磁暴间的电离层响应,得到对应不同磁暴时段电离层TEC的不同变化情况,着重揭示了TEC赤道异常峰的压缩和移动以及赤道异常随时间的压缩—反弹—恢复的过程,并结合高纬电离层的部分响应机制进行了说明,结果显示,两次磁暴期的电离层响应表现出了各自不同的特点,从而反映出因季节变化引起的高纬电离层暴时能量注入的不同而造成的全球性电离层扰动的不同形态,由此看出,磁暴期间电离层TEC的变化直接与太阳扰动发生的时间及其对高纬电离层的耦合有关,若短时期内连续发生多次磁暴,则电离层反应更加复杂,不能简单地当做单一磁暴叠加处理。     

2009年6至7月华南地区电离层TEC扰动研究

电离层TEC（Total Electron Content）扰动与多种扰动源相关联．2009年6至7月期间存在地震和日全食的扰动源．利用广州地区GPS监测网在2009年6至7月连续监测到的TEC数据,通过采用前15天数据的滑动窗口对数据进行处理,从时间序列和空间分布两方面分析了华南地区电离层TEC扰动特征．结果显示,2009年6至7月华南地区电离层TEC扰动和该时期发生的地震以及日全食事件可能有关联;2009年7月多个地震发生引起的电离层扰动特征为,震前出现的是正异常,发震当天或震后有可能是正异常,也有可能是负异常;7月22日日全食当天TEC扰动为正异常,推测该正异常是地磁活动、地震活动及日全食综合效应的结果．     

基于星载AIS数据的TEC测量方法

基于星载船舶自动识别系统（AIS），提出一种计算全球电离层电子总含量（TEC）的方法。通过在卫星上搭载两个相互垂直的线极化天线，测量AIS信号穿过电离层时的法拉第旋转角，再通过法拉第旋转角与TEC的关系估算TEC。基于天拓五号卫星的AIS数据进行了实验验证，并分析了硬件设备误差和观测参数误差对结果造成的影响。实验表明，本方法测量出的TEC值与基于全球定位系统（GPS）测量的TEC值差值平均为0.762 TECU，证明了此方法的可行性。与现有的TEC测量方法相比，该方法只需利用现有的AIS系统，无需部署地面站，可大幅提高数据更新速率。      

电离层掩星反演的TEC修正反演法

电离层掩星数据反演的传统方法是采用改正TEC的Abel 变换反演法, 实际电离层的非球对称性会给电子密度的反演结果带来误差. 文中研究了利用TEC修正方法结合背景场来剔除TEC 受电子密度水平变化的影响, 改善球对称假设适用性, 提高反演精度, 并应用此方法于模拟掩星事件的反演. 结果表明, 与传统的Abel 变换反演相比, TEC 修正反演法能够减小反演误差. 用TEC 修正反演法对不同方法获取的背景场的反演结果比较表明, 背景场与实际场吻合的程度越高, 反演效果越好.      

三频信标高精度TEC测量新方法

电子总含量(TEC)是电离层探测的主要参量之一, 作为层析(CT)的输入参量, TEC测量精度直接影响电离层CT成像的结果. 过去主要采用双频信标测量TEC, 由于相位积分常数的求解、系统硬件延迟等误差, 使得TEC测量结果不能满足电离层CT高精度重建成像的要求. 三频相干信标技术的出现, 使得电离层天基测量技术有了新的发展. 提出了基于三频信标的传播时延-相位联合测量反演TEC的方法, 融合三频信标在电子密度随机起伏探测和相位积分常数计算两方面的优势, 进一步提高了TEC的测量精度. 模拟结果显示利用此方法的三频信标TEC测量结果提高了电离层CT的精度.      

基于双频GPS观测的电离层TEC与硬件延迟反演方法

利用全球定位系统（Global Positioning System,GPS）的双频观测数据反演得到电离层的总电子含量（Total Electron Content,TEC）,使得广域甚至全球范围高时空分辨率的电离层观测研究成为可能,但由于GPS卫星和接收机对信号的硬件延迟可导致TEC测量系统偏差,因此,需要探索反演TEC并估测GPS卫星与接收机硬件延迟的有效算法.本文根据电离层电波传播理论,阐述了基于双频GPS观测提取电离层TEC的方法,给出TEC与硬件延迟的基本关系.综合研究了TEC与硬件延迟的反演方法,进行分析与归纳分类,在此基础上提出了有待深入研究的问题.      

一种用于电离层TEC监测的GNSS信号载波跟踪算法

全球卫星导航系统（GNSS）是电离层TEC监测中应用最普遍的手段. 目前方法通常是在传统导航用途的GNSS接收机输出的原始观测量基础上,经过数据后处理得到电离层TEC信息,其GNSS信号的跟踪处理算法依然采用GNSS导航接收机的算法. 针对GNSS系统用于电离层TEC监测的特殊性,提出一种称为GNSS双频信号和差联合跟踪的新算法,与传统方法相比,该算法直接跟踪电离层TEC的变化,可以提高电离层TEC跟踪的灵敏度和TEC的观测精度,改善电离层TEC监测性能.      

不同太阳活动条件下电离层形态对估算GPS系统硬件延迟的影响

利用两个中纬度台站GPS观测数据提取的GPS卫星硬件延迟,分析了不同太阳活动情况下估算的硬件延迟稳定性和统计特征,结合同期电离层观测数据,研究了电离层状态对硬件延迟估算结果的影响.研究结果表明,基于太阳活动高年(2001年)GPS观测数据估算的硬件延迟稳定性要低于太阳活动低年GPS观测数据的估算结果,利用2001年GPS数据估算的卫星硬件延迟年标准偏差(RMS)平均值约为1TECU,而2009年GPS数据估算的卫星硬件延迟年标准偏差平均值约为0.8TECU.通过对2001年和2009年北京地区电离层F₂层最大电子密度(N_mF₂)变化性分析,结合GPS硬件延迟估算方法对电离层时空变化条件的要求,认为硬件延迟稳定性与太阳活动强度的联系是由不同太阳活动条件下电离层变化的强度差异引起的.      

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.      

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．     

Ionospheric effects of the solar flares as deduced from global GPS network data

Results derived from analysing the ionospheric response to faint and bright solar flares are presented. The analysis used novel technology of a global detection of ionospheric effects from solar flares as developed by the authors (Afraimovich, 2000a; Afraimovich, 2000b), on the basis of phase measurements of the total electron content (TEC) in the ionosphere using an international GPS network. The essence of the method is that use is made of appropriate filtering and a coherent processing of variations in the TEC which is determined from GPS data, simultaneously for the entire set of visible GPS satellites at all stations used in the analysis. This technique is useful for identifying the ionospheric response to faint solar flares (of X-ray class C) when the variation amplitude of the TEC response to separate line-on-sight (LOS) is comparable to the level of background fluctuations. The dependence of the TEC variation response amplitude on the flare location on the Sun is investigated.     

WAAS系统中电离层折射校正的新方法及计算结果

电离层介质的色散性是影响电磁波信号进行卫星导航定位精度的重要因素之一.配合北斗二代分系绩研制任务,提出了一种新的电离层折射校正算法,并利用2000年7月1日到3日的双频GPS观测数据对6个用户站进行试算,进一步将试算所得均方根误差和电离层网格算法得到的误差进行比较.结果表明,对于中纬区域的用户站,估算的TEC误差约为0.5 m左右;而低纬用户误差相对增大,为1 m左右.文中给出的算法与电离层网格模型所提供的精度相差不多,在未来中国自主的卫星增强系统中采用新方法进行电离层进行修正是可行的及有效的.      

Demonstration of the use of the Doppler Orbitography and Radio positioning Integrated by Satellite (DORIS) measurements to validate GPS ionospheric imaging

There is a lack of independent ionospheric data that can be used to validate GPS imaging results at mid latitudes over severe storm times. Doppler Orbitography and Radio positioning Integrated by Satellite (DORIS), a global network of dual-frequency ground to satellite observations, provides this missing data and here is employed as verification to show the accuracy of the ionospheric GPS images in terms of the total electron content (TEC). In this paper, the large-scale ionospheric structures that appeared during the strong geomagnetic storm of 20 November 2003 are reconstructed with a GPS tomographic algorithm, known as MIDAS, and validated with DORIS TEC measurements. The main trough shown in an extreme equatorward position in the ionospheric imaging over mainland Europe is confirmed by DORIS satellite measurements. Throughout the disturbed day, the variations of relative slant TECs between DORIS data and MIDAS results agree quite well, with the average of the mean differences about 2 TECu. We conclude that as a valuable supplement to GPS data, DORIS ionospheric measurements can be used to analyse TEC variations with a relatively high resolution, ∼10 s in time and tens of kilometres in space. This will be very helpful for identification of some highly dynamic structures in the ionosphere found at mid-latitudes, such as the main trough, TID (Travelling Ionospheric Disturbances) and SED (Storm Enhanced Density), and could be used as a valuable auxiliary data source in ionospheric imaging.     

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。      

全球电离层地图TEC数据的插值算法

由IGS工作组提供的全球电离层地图（GIM）是电离层重要的应用数据.卫星高度计能够提供全球实时的电离层延迟误差校正.利用GIM数据，以Jason-3时空分辨率进行电离层总电子含量（TEC）的时间维度插值和空间维度插值，其中空间维度插值采用了Kriging插值和双线性插值两种方法.针对两种插值方法得到的总电子含量，与平滑处理的Jason-3高度计cycle80双频延迟校正值转化的总电子含量进行对比分析.结果显示:其与Kriging插值的平均偏差为0.94TECU，均方根误差为2.73TECU，相关系数为0.91；与双线性插值的平均偏差为1.43TECU，均方根误差为6.85TECU，相关系数为0.61.这说明Kriging插值方法的精度明显高于双线性插值方法.      

Improving regional ionospheric TEC mapping based on RBF interpolation

Radial basis function (RBF) interpolation with multi-quadric is developed to perform ionospheric total electron content (TEC) mapping for the Chinese region between 15°N ~ 40°N and 100°E ~ 125°E. TEC measurements from the Centre for Orbit Determination in Europe (CODE) covering the solar maximum year 2011 are used to investigate the performance of the proposed RBF interpolation method. The differences between the RBF interpolated TEC and the CODE TEC are within 0.5 TECU and the root mean square error (RMSE) is very small when 49 data points are used. The maximum difference is ~5 TECU and the error is less than 1 TECU with 25 samples. Our study suggests that a random distribution of measurement points gives smaller RMSEs than a homogenous distribution when the number of sample points is low. The study indicates that RBF interpolation offers a powerful and reliable tool for ionospheric TEC mapping.