基于小波分解与重构方法研究电离层偶发E层

电离层不规则体对卫星导航、通信、雷达系统等有重要影响.通过数值模拟及与实测数据的对比,论证基于小波分解与重构方法实现利用掩星数据反演电离层不规则体的可行性.以电离层偶发E层为例,利用国际参考电离层(IRI)模拟背景电离层电子密度分布,利用掩星探测的水平电子密度总含量δht反演不规则体信息,并与模拟数据进行比较.对200...     

利用COSMIC掩星数据监测电离层的异常变化

分析了COSMIC掩星数据反演电子密度的方法,利用实例研究反演方法的特点,并采用ISR非相干散射雷达获取的电子密度数据进行验证,进而反演了长三角区域SHAO（IGS）站上空在日全食和太阳风暴期间的电子密度廓线图. 通过与平静日期间电离层电子密度进行比较,发现日全食及太阳风暴导致电离层发生的异常变化,从而提出COSMIC掩星数据反演电子密度在监测电离层变化时所具有的优势.      

基于GPS掩星平均弯曲角的折射率反演研究

利用Abel积分变换通过掩星弯曲角计算折射率需要对高层弯曲角进行统计优化.目前由于所使用的背景场资料和具体反演方法不同,导致所发布的掩星大气数据气候统计值存在一定差异.本文使用2008年1,4,7,10月共4个月的COSMIC大气掩星附加相位数据,从纬圈平均弯曲角廓线反演相应月平均折射率,对反演结果进行比较分析.研究表明,利用掩星折射数据进行气候研究时无需逐一对掩星探测廓线进行统计优化,在40 km以下高度基于平均弯曲角的反演方法与传统统计相比能够获得几乎一致的月平均折射率,在50 km以上高度基于平均弯曲角的反演结果更加接近ECMWF资料统计.      

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.      

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.      

基于IRI背景场的单站电离层TEC地图重构技术

为了有效解决电离层TEC观测数据稀疏时重构问题, 引入IRI-2007作为背景场, 利用反距离加权法和克里格方法重构了电离层TEC地图, 使用交叉检验方法检验了引入背景场前后的重构精度. 结果表明, 引入背景场后, 一方面有效地控制了边缘地区的发散现象, 另一方面重构网格点上绝对误差在 -0.25~0.25 TECU之间的比例分别提高了约70 %和100 %, 误差统计基本呈正态分布. 可以通过引入更加精确的背景场或使用逐步订正方法进一步提高重构精度.      

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.      

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。      

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.      

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.      

The impact of spherical symmetry assumption on radio occultation data inversion in the ionosphere: An assessment study

‘Onion-peeling’ is a very common technique used to invert Radio Occultation (RO) data in the ionosphere. Because of the implicit assumption of spherical symmetry for the electron density (N(e)) distribution in the ionosphere, the standard Onion-peeling algorithm could give erroneous concentration values in the retrieved electron density profile. In particular, this happens when strong horizontal ionospheric electron density gradients are present, like for example in the Equatorial Ionization Anomaly (EIA) region during high solar activity periods. In this work, using simulated RO Total Electron Content (TEC) data computed by means of the NeQuick2 ionospheric electron density model and ideal RO geometries, we tried to formulate and evaluate an asymmetry level index for quasi-horizontal TEC observations. The asymmetry index is based on the electron density variation that a signal may experience along its path (satellite to satellite link) in a RO event and is strictly dependent on the occultation geometry (e.g. azimuth of the occultation plane). A very good correlation has been found between the asymmetry index and errors related to the inversion products, in particular those concerning the peak electron density NmF2 estimate and the Vertical TEC (VTEC) evaluation.     

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．     

基于BDS/GPS和经验模型的区域电离层建模

基于北斗卫星导航系统（BDS）和全球定位系统（GPS）实测电离层穿刺点（IPP）数据,结合国际参考电离层（IRI）经验模型历史数据,提出一种对区域二维电离层总电子含量（TEC）进行高精度建模的方法.针对缺乏穿刺点的区域内短时间电离层建模时精度较低且各时段穿刺点空间分布不同的问题,该方法使用IRI模型在建模区域内均匀添加虚拟穿刺点数据,并根据与实测穿刺点的距离,使用构造的权重计算公式赋予其动态权重值,通过加权最小二乘法进行球谐模型参数解算.与欧洲定轨中心（CODE）发布的全球电离层图（GIM）进行数据比对发现,相对于只使用BDS/GPS实测穿刺点数据的建模方法,利用本文建模方法计算获得的垂直总电子含量（VTEC）值对缺乏实测穿刺点的区域精度有明显的提升.      

An attempt to inverse the ionospheric sporadic-E layer critical frequency based on the COSMIC radio occultation data

Ionospheric sporadic E layer refers to localized thin irregularity with enhanced plasma density appearing in the height range of ionospheric E layer (～90–130?km). The much higher electron density in the sporadic E layer than the background ionosphere would cause sudden TEC enhancement in the occultation TEC profile. A wavelet decomposition and reconstruction method is applied to extract the TEC fluctuation in this paper, and then $S_{\text{max}}$ index is defined to represent the intensity of the sudden TEC enhancement. $S_{\text{max}}$ index is compared with sporadic E critical frequency ($\mathit{foEs}$) observed by the ionosonde. The results show a well linear correlation between them with mean correlation coefficient about 0.7. Thus, an empirical linear model is established to inverse the $\mathit{foEs}$. The monthly/hourly mean values and global distribution of sporadic E intensity and occurrence ratio are calculated using this method based on the COSMIC occultation data from 2007 to 2011. The statistical analysis results indicate that it is feasible to inverse the $\mathit{foEs}$ based on the occultation TEC profile data and the inversion results can be applied to the long-term global variations of sporadic E investigations.     

Electron density retrieval from occulting GNSS signals using a gradient-aided inversion technique

In the coming years, opportunities for remote sensing of electron density in the Earth’s ionosphere will expand with the advent of Galileo, which will become part of the global navigation satellite system (GNSS). Methods for accurate electron density retrieval from radio occultation data continue to improve. We describe a new method of electron density retrieval using total electron content measurements obtained in low Earth orbit. This method can be applied to data from dual-frequency receivers tracking the GPS or Galileo transmitters. This simulation study demonstrates that the method significantly improves retrieval accuracy compared to the standard Abel inversion approach that assumes a spherically symmetric ionosphere. Our method incorporates horizontal gradient information available from global maps of Total Electron Content (TEC), which are available from the International GNSS Service (IGS) on a routine basis. The combination of ground and space measurements allows us to improve the accuracy of electron density profiles near the occultation tangent point in the E and F regions of the ionosphere.     

武汉地区电离层电子浓度总含量的统计经验模式研究

由武汉电离层观象台一个太阳黑子周期（1980-1990年）的实测电离层电子浓度总含量（TEC）资料，统计分析得出了武汉地区的一个TEC经验模式，模式很好地再现了武汉地区的TEC观测值，其预测误差在太阳活动高年稍太，低年较小；在春秋两季稍大，冬夏两季较小；在当地时间白天和傍晚稍大，夜间和早晨较小。此外，与国际参考电离层模式IRI的计算结果比较，本模式预测的TEC值更接近于实际观测结果，同时，本文也初步探讨了TEC的半年变化特征和冬季异常现象。     

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.      

利用RDSS系统测量数据提取电离层TEC参数的研究

提出了一种基于无线测定卫星业务(RDSS)系统观测数据提取电离层TEC参数的方法,利用此方法计算分析了2006年5月地面中心地区电离层垂向TEC的日变化趋势.研究结果表明,利用RDSS系统观测数据提取的电离层垂向TEC,在北京时间每日凌晨0400时左右达到最小值,在午后1400时左右达到最大值,符合电离层TEC参数受太阳活动影响较大的物理规律.结果说明研究方法是可行且有效的,文章还对可能存在的误差进行了探讨.      

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.      

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。