北美与东亚中纬地区电离层TEC变化的EOF建模和分析

考察了北美(30°N-50°N, 140°W-50°W)与东亚 (42.5°N-57.5°N, 65°E-140°E) 中纬地区电离层总电子含量 (TEC)的变化. TEC数据来自美国喷气动力实验室(JPL)约15年的全球电离层图 (Global Ionospheric Map, GIM)数据. 利用经验正交函数(Empirical Orthogonal Functions, EOF)得到上述两地区前三阶本征模及相关时间系数, 分别约占TEC 总变化的99.57%和99.79%. 结果表明, 两地区前三阶EOF分量所表现出的TEC变 化基本一致. 第一阶EOF分量表现为受太阳活动调制的半年变化; 第二阶EOF 分量表现为关于零磁偏线的经向电子浓度东西不对称结构, 计算表明该结构 与受地磁偏角控制的热层纬向水平风引起的等离子体向上漂移密切相关; 第三 阶EOF分量表现为磁倾控制的热层子午向风引起的等离子体向上漂移影响.      

2009年7月22日日全食期间电离层总电子含量变化研究

利用中国区域内五个GPS台站(一个台站处于日全食区域、四个台站处于日偏食区域)观测数据, 研究2009年7月22日日全食期间电离层总电子含量(TEC)的变化, 结果表明, 日全食期间, 电离层TEC值经历了下降和恢复的过程, 最小TEC相对于最大食偏的时间延迟约为1～10min; 台站测得最小TEC的星下点(IPP)越靠近日全食带TEC下降量越大, 在日食期间武汉站(114.35°E, 30.53°N) TEC相对于各参考日期的TEC, 其平均下降量最大, 达到4.58TECU.      

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.      

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。      

利用COSMIC数据构建的全球垂直TEC图的验证研究

在日固坐标系(地磁纬度和地方时)下, 累积地方时过去24h的COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere andClimate)观测资料, 通过对110$sim$750km高度范围内的电子密度进行数值积分得到各掩星点的垂直TEC值, 进而利用Kriging方法插值产生近实时的全球地方时MAGLat2.5°×2h的COSMIC TEC图. 利用2008年1月1日至2010年6月30日共30个月的COSMIC数据, 逐日构建COSMICTEC图, 将其与全球导航卫星系统服务组织(International GNSS Service,IGS)发布的全球电离层TEC图(Global Ionospheric Maps, GIMs)以及OSTM/JASON-2卫星高度计观测值分别进行比对,证明利用COSMIC掩星资料构建全球电离层垂直TEC图是可行的.      

赤道异常区GPS-TEC与系统硬件偏差的反演

提出了一种基于最小二乘的赤道异常区GPS-TEC与系统硬件偏差的反演方法.利用设置在福州、厦门、广州和南宁4个台站的观测数据,可以得到GPS卫星和接收机的硬件偏差以及(20°～28°N,105°～123°E)区域中48个3°×1°网格的TEC(时间分辨率为15 min).应用于2006年观测数据,得到了较稳定的系统硬件偏差,其中卫星硬件偏差值与欧洲定轨中心公布的结果接近,得到的TEC具有合理的日变化和季节变化特征.该反演方法可以应用于赤道异常区电离层的研究.      

利用IGS-TEC数据分析中国华南地区电离层赤道异常北驼峰的变化特征

利用2010年11月至2011年10月IGS提供的全球电子浓度总含量(TEC)数据, 分析太阳活动上升期华南地区(经度110°E, 纬度5°—35°N) 上空电离层赤道异常(EIA)北驼峰的变化特征. 结果显示, 电离层赤道异常北驼峰区TEC峰值I具有明显的季节和半年变化特征; 北驼峰峰值出现的时间T和纬度L的日变化有一个相对较大的变化区间, 其季节和半年变化特征并不明显; 太阳活动对北驼峰变化影响比较明显, 而地磁活动对北驼峰变化影响不明显.      

负相电离层骚扰及其日地相关关系

本文对1965—1982年, 我国境内的满州里(49°35′N, 117°27′E), 北京(40°00′N, 116°18′E), 重庆(29°30′N, 106°25′E), 广州(23°09′N, 113°21′E)和海口(20°00′N, 110°20′E)等五个电离层观测站的负相电离层骚扰形态, 用世界资料中心A出版的太阳地球物理资料中的太阳耀斑、射电、地磁和北京地磁台的地磁观测报告等资料与电离层骚扰的相关关系进行了分析研究.所得到的电离层骚扰形态变化规律和日地相关规律的结果对预报电离层骚扰是有益的.      

武汉地区电离层TEC和NmF2及板厚的季节变化

通过利用武汉电离层观测站(114.4°E,30.6°N)1980-1990年对E8T-Ⅱ卫星信标的法拉第旋转测量的TEC(电子浓度总含量)数据,以及由测高仪测量的1980-1990年间的f0F2(F2层临界频率)数据,研究了武汉地区TEC,NmF2(最大电子浓度)和板厚的季节变化,同时比较了IRI和武汉单站模式在预测NmF2季节性方面的有效性.武汉单站模式在预测NmF2季节性变化方面优于IRI模式.      

磁暴期间中国中低纬电离层不规则体与扰动分析

2017年9月8日发生了一次强磁暴，Kp指数最大值达到8.利用区域电离层格网模型（Regional Ionosphere Map，RIM）和区域ROTI（Rate of TEC Index）地图，分析了磁暴期间中国及其周边地区电离层TEC扰动特征和低纬地区电离层不规则体的产生与发展情况，同时利用不同纬度IGS（International GNSS Service）测站BJFS（39.6°N，115.9°E），JFNG（30.5°N，114.5°E）和HKWS（22.4°N，114.3°E）的GPS双频观测值，获取各测站的ROTI和DROT（Standard Deviation of Differential ROT）指数变化趋势.结果表明:此次磁暴发生期间电离层扰动先以正相扰动为主，主要发生在中低纬区域，dTEC（differential TEC）最大值达到14.9TECU，随后电离层正相扰动逐渐衰减，在低纬区域发生电离层负相扰动，dTEC最小值达到-7.2TECU；在12:30UT-13:30UT时段，中国南部低纬地区发生明显的电离层不规则体事件；相比BJFS和JFNG两个测站，位于低纬的HKWS测站的ROTI和DROT指数变化更为剧烈，这表明电离层不规则体结构存在纬度差异.      

IGS电离层产品在双向时间频率传递中的应用

利用IGS组织提供的全球电离层资料对卫星双向时间频率传递中的电离层误差进行修正。IGS提供特定时刻、固定经纬度网格点上的电离层总电子含量。对该电离层资料首先进行空间四点网格内插,然后利用双线性内插得到电离层穿刺点所需时刻的总电子含量,最后将得到电离层数据经过处理用于双向时间频率传递修正。结果表明：电离层对C波段的影响在（0～0.5）ns范围内,这对亚纳秒量级的时间比对是必须考虑的。IGS提供的电离层产品适合应用于双向时间频率传递,具有方法简单、准确度高和价格低廉等特点。     

Temporal extrapolation of TEC using WNN during 2007–2018 and comparison against GIM,IRI2016 and Kriging

In this paper, a new method of temporal extrapolation of the ionosphere total electron content (TEC) is proposed. Using 3-layer wavelet neural networks (WNNs) and particle swarm optimization (PSO) training algorithm, TEC time series are modeled. The TEC temporal variations for next times are extrapolated with the help of training model. To evaluate the proposed model, observations of Tehran GNSS station (35.69°N, 51.33°E) from 2007 to 2018 are used. The efficiency of the proposed model has been evaluated in both low and high solar activity periods. All observations of the 2015 and 2018 have been removed from the training step to test the proposed model. On the other hand, observations of these 2 years are not used in network training. According to the F10.7, the 2015 has high solar activity and the 2018 has quiet conditions. The results of the proposed model are compared with the global ionosphere maps (GIMs) as a traditional ionosphere model, international reference ionosphere 2016 (IRI2016), Kriging and artificial neural network (ANN) models. The root mean square error (RMSE), bias, dVTEC = |VTEC_GPS ? VTEC_Model| and correlation coefficient are used to assess the accuracy of the proposed method. Also, for more accurate evaluation, a single-frequency precise point positioning (PPP) approach is used. According to the results of 2015, the maximum values of the RMSE for the WNN, ANN, Kriging, GIM and IRI2016 models are 5.49, 6.02, 6.34, 6.19 and 13.60 TECU, respectively. Also, the maximum values of the RMSE at 2018 for the WNN, ANN, Kriging, GIM and IRI2016 models are 2.47, 2.49, 2.50, 4.36 and 6.01 TECU, respectively. Comparing the results of the bias and correlation coefficient shows the higher accuracy of the proposed model in quiet and severe solar activity periods. The PPP analysis with the WNN model also shows an improvement of 1 to 12 mm in coordinate components. The results of the analyzes of this paper show that the WNN is a reliable, accurate and fast model for predicting the behavior of the ionosphere in different solar conditions.     

Use of varying shell heights derived from ionosonde data in calculating vertical total electron content (TEC) using GPS – New method

The dispersive nature of the ionosphere makes it possible to measure its total electron content (TEC). Thus Global Positioning System, which uses dual-frequency radio signals, is an ideal system to measure TEC. When data from an ionosonde situated in polar region was observed, the height of an approximated thin shell of electrons (shell height) used in GPS studies was seen not to be fixed but rather changing with time. Here we introduce a new method in which we included the varying shell heights derived from the ionosonde to map the slant total electron content from GPS to obtain a more precise vertical total electron content of the ionosphere contrary to some previous methods which used fixed shell heights. In this paper we also compared the ionosonde derived TEC with the GPS derived vertical TEC (vTEC) values. These GPS vTEC values were obtained from GPS slant TEC (sTEC) measurements using both fixed shell height and varying shell heights (from ionosonde measurements). For the polar regions, the varying shell height approach produced better results than the fixed shell height and compared to exponential function, Chapman function seems to be a better function to model the topside ionosphere.     

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.      

Using GPS-TEC data to calibrate VTEC computed with the IRI model over Nigeria

This paper presents the development of a Total Electron Content (TEC) map for the Nigerian ionosphere. In this work, TEC measurements obtained from the AFRL-SCINDA GPS (Air Force Research Laboratory-Scintillation Network Decision Aid, Global Positioning System) equipment installed at Nsukka (6.87°N, 7.38°E) are used to adapt the International Reference Ionosphere (IRI) model for the Nigerian Ionosphere. The map is being developed as a computer program (implemented in the MATLAB programming language) that shows spatial and temporal representations of TEC for the Nigerian ionosphere. The method is aimed at showing how the IRI model can be used to estimate VTEC over wide areas by incorporating GPS measurements. This method is validated by using GPS VTEC data collected from a station in Ilorin (8.50°N, 4.55°E).     

GPS卫星信标信噪比的统计分析

GPS卫星信标信噪比(SNR)受到卫星上的发射机增益、地面站的接收机增益、卫星与接收机之间的几何距离、接收机处的仰角、信标传播路径上电离层介质衰减等因素的共同影响.首先提出了一种从SNR观测数据中分离出SNR在电离层中衰减的算法,并应用于MANA接收站(273.751°E,12.149°N)2003年的观测数据,得到了一个电离层介质引起的对L波段信标SNR衰减日变化的平均情况.通过与IRI模式计算的电波垂直穿过电离层时衰减的SNR比较发现,由我们得到的SNR在电波垂直穿过电离层时的衰减与IRI模式计算的衰减随地方时的变化符合得比较好.      

第23太阳活动周武汉站电离层TEC特征分析

利用武汉站(30.5°N, 114.4°E)1997年1月1日至2007年12月31日电离层TEC、太阳黑子数及地磁指数等资料, 分析了第23周武汉站TEC的周日变化、季节变化、半年变化以及与太阳活动的相关性等特征; 以2006年4月13-17日发生的磁暴为例, 讨论了武汉站TEC对磁暴的响应以及可能的机理. 结果表明,武汉站电离层TEC在太阳活动高、低年均呈典型的周日变化特征; 冬季异常和半年异常特征明显, 且受太阳活动强弱影响; TEC和太阳黑子数年均值相关系数为0.9611; TEC对磁暴的响应可能是由磁层穿透电场和中性风共同作用导致的, 具体影响机制有待深入研究.