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.      

基于最大似然估计的远紫外遥感反演电离层电子密度算法

原子氧135.6 nm夜气辉主要由氧离子O+与电子的辐射复合反应生成,一些星载远紫外遥感观测任务证实135.6 nm夜气辉可用于反演电离层电子密度。针对远紫外临边遥感观测反演电离层电子密度,分析了135.6 nm夜气辉辐射强度与电子密度之间的非线型前向模型,基于离散反演理论设计了从夜间135.6 nm临边观测数据反演电子密度高度分布的反演算法,算法应用最大似然估计通过迭代求解电离层参数的最佳拟合值。通过仿真计算了TIMED卫星上全球紫外成像仪GUVI观测的反演结果,验证了本反演算法的可行性。对GUVI的实际观测数据进行反演,获得了电子密度高度分布。通过与GUVI数据的电离层参数对比分析得出,本文建立的反演模型使N_mF₂被高估,同时使h_mF₂被低估。对于不同的太阳活动强度,N_mF₂和 h_mF₂的系统误差分别在10%和5%以内,能较精确地获得电离层参数。精确获得电离层电子密度信息对于提高空间天气预报及电离层模型的修正具有重要意义。      

释放SF6气体扰动电离层时的人工气辉研究

在电离层高度释放SF₆气体能够显著扰动电离层.根据SF₆分子在电离层中的扩散方程,同时考虑其在电离层中主要的离子化学反应,研究了SF₆气体释放后电离层各粒子浓度的时空变化,计算了产生人工气辉的体发射系数和发射强度.结果表明,SF₆气体在电离层高度释放后,电子和O⁺的密度均有大幅度下降,主要的负离子成分由电子转变成SF₅^-;在释放过程中,主要产生777.4 nm和135.6 nm两种气辉,且前者的气辉强度远小于后者;电离层温度对气辉的强度有很大的影响.本文的数值计算与美国IMS/SF₆实验观测数据进行比较,结果近似,且通过数据比较还能准确推断出实验时当地的电离层温度.     

LSTM神经网络在太阳F10.7射电流量中期预报中的应用

F_10.7指数作为大气密度经验模型的重要输入参量，其预报精度直接影响航天器轨道预报精度.研究发现，太阳活动表现出长时间尺度上平均11年和中短时间尺度平均27天的周期性变化特征.依据这一观测事实，基于长短期记忆单元（Long Short-term Memory，LSTM）递归神经网络方法进行F_10.7指数未来27天的中期预报.利用一个连续长时段F_10.7数据作为训练数据，构建LSTM神经网络训练和预测模型，分别预测太阳活动高低年未来27天的F_10.7指数.结果表明，太阳活动高年的第27天F_10.7指数预报平均相对误差最优可达10%以内，低年最优可达2%以内.      

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%。      

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.      

基于地磁坐标和Kriging技术的高纬地区f0F2重构方法

为能够在高纬区域获取高精度电离层参数特性结果，提出了基于地磁坐标的高纬度区域电离层F₂层临界频率（f₀F₂）的重构方法.该方法确定了基于地磁坐标的变异函数，通过求解改进Kriging方程得出估计值.方法的确定取决于对2种坐标系、2类电离层距离计算方法以及尺度因子的选取.通过对俄罗斯6个垂直探测站在太阳活动高年（2013年）和低年（2017年）的f₀F₂历史观测数据使用月中值进行交叉验证，证明了引入地磁坐标和利用球面距离计算方法对高纬度地区进行重构能够达到最优效果.相比现有方法，其整体标准误差和绝对误差均有所降低.上述研究证实了该方法的有效性，对电子信息系统的可用频率预测以及通信效能保障具有重要意义.      

太阳活动对电离层TEC变化影响分析ormalsize

为研究太阳活动对电离层TEC变化的影响,从整体到局部分析了2000—2016年的太阳黑子数、太阳射电流量F_10.7指数日均值与电离层TEC的关系,并重点分析了2017年9月6日太阳爆发X9.3级特大耀斑前后15天太阳活动与电离层TEC变化的相关性.结果表明:由2000—2016年的数据整体看来,太阳黑子数、太阳F_10.7指数、TEC两两之间具有很强的整体相关性,但局部相关性强弱不均;此次耀斑爆发前后太阳黑子数、太阳F_10.7指数和TEC具有很强的正相关特性,太阳活动对TEC的影响时延约为2天;太阳活动对全球电离层TEC的影响不同步,从高纬至低纬约有1天的延迟,且对低纬度的影响远大于中高纬度.太阳活动是影响电离层TEC变化的主要原因,但局部也可能存在其他重要影响因素.      

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.      

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.      

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。      

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.      

氧气A(0,0)波段气辉体发射率和临边辐射强度模拟与分析

临近空间大气参数如温度、密度、风场等对预报模型精度及航天器运行安全等有较大的影响，而气辉的辐射模拟是大气参数反演的重要过程.本文基于光化学模型计算了氧气A（0，0）波段气辉的体发射率和临边辐射强度.基于氧气A（0，0）波段气辉的光化学反应机制、大气动力学和光化学反应理论，建立产生O₂（b1Σ_g+）的光化学模型.计算气辉体发射率，基于临边探测几何路径进行气辉辐射强度模拟.体发射率计算结果与AURIC模型结果的辐射值及辐射高度均一致.基于计算和模拟结果，对氧气A波段气辉体发射率和辐射强度的影响因素进行了分析.      

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.      

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.     

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.      

2007-2009谷年期间高热层大气密度的变化

在第23至第24太阳活动周的峰年之间,太阳活动谷年具有持续时间长,极低F_10.7太阳辐射通量（低至65）和超长期的零太阳黑子数记录等特点,因此是观测和研究在这种特殊背景下热层大气变化的极好机会.尤其是能充分理解和掌握在宁静环境下热层大气密度对弱太阳活动和小地磁扰动的响应特性.本文利用高度650 km以上星载大气密度探测器2007—2009年的连续探测数据进行分析,结果表明,在太阳辐射通量F_10.7极低值期间,较高热层大气密度对F_10.7的起伏具有更显著的响应变化.当F_10.7由70降至65时,日均大气密度会有4～5倍的显著降变,远大于通常大气模式中的降变值.同样在F_10.7极低值期间,较高热层大气密度对小地磁扰动也具有显著的响应增变,当日K_p指数之和由23增至30时,较高热层大气密度则会有80%～160%的强增变.     

第23太阳活动周太阳极紫外辐射与磁暴相关性分析

统计第23个太阳活动周内中等及以上强度（Dst_min<-50nT）的磁暴事件，线性拟合分析磁暴主相DDst_min和达到DDst_min前一个表征太阳极紫外辐射强度的F_10.7之间的相关性.结果表明:随着太阳极紫外辐射增强，DDst_min<-50nT的磁暴出现的总数增多，在弱、中等和强太阳极紫外辐射条件下，其数量分别为56，84和85；随着太阳极紫外辐射增强，强磁暴（-200nT ≤ Dst_min<-100nT）和大磁暴（Dst_min<-200nT）发生的数量和相对发生率呈增长趋势，尤其是大磁暴数目（1，4，12）和相对发生率（1.79%，4.76%，14.12%）明显呈增长趋势；大磁暴（|Dst_min|）与太阳极紫外辐射（F_10.7）之间存在中度正相关关系，其相关系数为0.532，并且主要体现在大磁暴（|Dst_min|）与强太阳极紫外辐射（F_10.7）之间的中度正相关性，其相关系数为0.582.大磁暴与强太阳极紫外辐射之间的相关性可为空间天气预报提供参考依据.      

昆明上空电离层D区电子密度季节变化的首次观测分析

通过分析2008年8月至2009年7月昆明站(25.6°N, 103.8°E) 中频(MF)雷达观测数据, 研究了太阳活动低年电离层D区电子密度的季节变化特性,发现D区电子密度主要呈现半年变化特征, 即在春秋季电子密度较大, 而在夏冬季则较小, 这与国际参考电离层(IRI)预测的年变化趋势不一致, 但与昆明站电离层测高仪的最低回波频率f_min的观测结果相符. 同时比较了D区电子密度半年变化与纬向风半年变化的关系, 发现二者之间保持了非常一致的变化趋势并对这种一致性的内在原因进行了分析.      

TIEGCM集合卡尔曼滤波同化模型设计及初步试验

选择参数化的电离层热层理论模型TIEGCM作为背景模型,基于COSMIC掩星观测的电子密度廓线数据,应用集合卡尔曼滤波方法建立全球电离层电子密度同化模型,实现了全球电离层的电子密度同化.同化结果表明,该同化模型能将观测资料有效同化到背景模式中,获得全球三维电离层电子密度.与背景模式相比,同化得到的电子密度相对于观测值的偏差显著下降.对于有同化和无同化参与的试验,N_mF₂的标准偏差分别降低约60%和20%.此外,分组同化与同时同化的结果对比显示,平均偏差改善基本一致,同时同化后的标准偏差在峰值高度以上略有减小.