CAS-DIS数字电离层测高仪系统研制

提出了将射频直接采样数字化的接收方式应用于数字电离层测高仪系统的设计方案, 并详细介绍了该方案在CAS-DIS (Chinese Academy of Sciences, Digital Ionosonde)电离层测高仪系统的应用, 给出了CAS-DIS电离层测高仪在中国武汉电离层探测标校试验场和武汉-北京斜向电离层探测系统中的实验结果. 观测结果表明, 采用本文提出的数字化方案设计的电离层测高仪系统性能优越, 且可以分别工作在垂直和斜向探测模式, 满足了电离层探测的多种应用需求.     

一种数字电离层测高仪系统中O波与X波的分离方法

电离层测高仪系统中,O波与X波的分离非常重要.本文提出一种新的O波与X波分离的实现方法,根据电离层回波的极化特性,通过在接收电路上采用数字方法合成圆极化波的方式,实现了对O波与X波的有效分离.与现有DPS-4测高仪系统采用模拟域电信号合成圆极化波的方法相比,本文方法通过在数字下变频处理过程中引入±90°相移,消除了在模拟域电信号合成方法中相移器的带宽限制和非线性问题.另外,该方法在实现发射和接收信号的极化状态转换时不需要连续切换多个模拟开关,从而提高了整个系统的稳定性.     

电离层数字测高仪被动接收观测模式研究

利用CADI(Canadian Advanced Digital Ionosonde)电离层数字测高仪平台,实现了新的电离层数字测高仪被动接收观测模式.利用新开发的观测模式,在观测台站开展了一系列实验观测研究,经过信号处理和信息提取,获得了电离层特征参量f0F2回归方程,高频信道背景噪声分布,电离层D层对电波的吸收等电离层探测信息.实验观测结果表明,所获取的f0F2与主动探测结果相关性在0.84以上,高频信道背景噪声分布以及电离层D层吸收状况与电离层实际分析结果相吻合.     

基于FPGA的高性能电离层测高仪数控系统设计

为建立天地一体化电磁观测系统,实现电离层等的实时准确观测,为地震机理的研究与地震预报工作提供科学有效的数据,提出了一种高性能电离层测高仪数控系统设计方案将应用于电磁卫星的地面同步验证系统中,给出了数控系统的时序控制单元、发射单元和接收单元等的具体实现.在收发延迟可变的雷达时序控制下,发射单元利用直接数字合成技术产生1～30MHz的脉冲信号,40位类巴克码对脉冲信号进行二进制相位调制编码,随后交替发射正交极化波;接收单元利用高速模数转换器实现信号的数字化,采用FPGA技术进行下变频处理.本数控系统的设计可直接获取回波信号的极化信息,高度分辨率为1.5km,探测周期小于2min.实验结果表明,该数控系统方案切实可行.     

高精度多普勒频高图的获取和分析

电离层高频反射回波的多普勒频移是研究电离层扰动的一个重要参数.在数字测高仪探测中,高分辨率的多普勒频移一般在漂移测量中获得,但这种测量方式探测的频点少,不能获得扰动的高度剖面;而在频高图模式下,虽然工作的频点多,能够获得电子浓度的高度剖面的信息,但探测的多普勒频移的分辨率低,无法用来精确检测电离层扰动.实际的电离层高频回波一般为窄带信号,由此本文中提出了一种新的分析方法,利用DGS-256数字测高仪频高图模式下记录的16个多普勒通道的数据,通过反傅里叶变换还原成时域信号,采用最小二乘法估计相邻时间点的相位差,获得高精度多普勒频高图.作为实例,利用该方法分析武汉电离层观象台数字测高仪观测站的观测数据,得到了多频点的多普勒频移曲线.结果表明:在DGS-256数字测高仪频高图模式下能够得到高精度多普勒频高图,这在电离层扰动探测和研究中很有意义.     

1984年4月份兰州地区电离层行波扰动的观测结果及初析

１９８４年４月份兰州地区电离层行波扰动的观测结果及初析张秀菊（中国电波传播研究所,新乡,４５３００３）关键词高频返回探测,多普勒频率,电离层行波扰动１９８４年４月我们利用高频返回探测系统在新乡一西北（反射点在兰州地区）电路上多次测到电离Ｆ层的行波扰动...     

夜间135.6 nm气辉反演的电离层f0F2与测高仪观测比较研究

在夜间电离层,气辉135.6 nm谱线主要由F层的O⁺和电子的辐射复合过程以及O⁺和O^–的中性复合过程激发,该谱线强度和电离层峰值电子密度Nm F₂存在很强的相关性。利用夜气辉135.6 nm辐射强度与F₂层峰值电子密度Nm F₂的平方成正比的物理模型,建立了在不同经纬度、地方时、季节和太阳活动下均适用的反演算法。通过DMSP卫星上搭载的紫外光谱成像仪(SSUSI)实际观测的135.6 nm气辉辐射强度来反演相应时空的电离层F₂层临界频率f₀F₂,并将其与地基测高仪探测结果做了综合对比。结果表明,在太阳活动高年(2013年),相对误差小于等于20%的数据占比93.0%,平均相对误差约为7.08%;在太阳活动低年(2017年),相对误差小于等于20%的数据占比80.8%,平均相对误差约为12.64%。最后,对该算法在太阳活动高低年的反演精度差异进行了分析。     

中国上空夜间电离层等离子体泡群演化过程的多设备观测

利用子午工程富克站（19.5°N, 109.1°E）全天空气辉成像仪、VHF雷达、三亚站（18.4°N, 109.6°E）数字测高仪及C/NOFS卫星观测数据,对2014年3月30日中国上空的等离子体泡进行了研究。结果表明,当天夜间观测到一个等离子体泡群,约由9个等离子体泡组成,发生在日落后,一直持续到午夜后。其自西向东运动,南北向最大尺度超过1200 km,东西向绵延超过1400 km,在演化中部分结构融合在一起。等离子体泡被气辉成像仪观测到的同时,数字测高仪及VHF雷达观测到了相应扩展F及羽毛状不规则结构。同时,C/NOFS卫星检测到相应电子密度耗散。这表明,该等离子体泡同时被地基光学观测、无线电探测及C/NOFS卫星观测到。研究结果给出了多仪器同时观测到的等离子体泡群演化过程,丰富了多仪器融合研究电离层不规则体的内容。     

低纬电离层等离子体块相关等离子体泡演化期间的虚高变化

针对东亚地区地磁低纬度南北半球Vanimo台站（地理2.7°S,141.3°E;地磁 11.2°S,146.2°W）和海南台站（地理19.5°N,109.1°E;地磁9.1°N,179.1°W）上空的3个电离层等离子体块与等离子体泡相关联的事件,利用地面台站的电离层测高仪连续观测数据,研究等离子体泡演化期间的电离层虚高变化。结果表明：以往提出的等离子体块出现约2 h之前等离子体垂直漂移速度从向上（东向电场）转为向下（西向电场）的观点,本文的3个事例均与之不符,或者距反转时间很远（约6 h）,或者由向下转为向上。在等离子体块形成时间点前的1 h内,均有突发的等离子体堆积的运动趋势,或是下降运动速度突然变慢,或是从下降转为向上运动,或是上升运动速度突然加快。这一堆积现象与等离子体块现象相关性更好,也不仅限于漂移速度从向上转变为向下。

     

基于多仪器观测的中国中纬区域MSTID长距离传播事件研究

电离层等离子体不规则结构通常会影响星地卫星的通信、导航及定位等,因此研究不规则体的结构特征和演化过程具有非常重要的科学意义和应用价值。中尺度电离层行进式扰动（MSTID）是一种常发于F层的电离层扰动,其演化过程十分复杂。本文利用伊春和兴隆台站全天空气辉成像仪、Swarm卫星、佳木斯高频雷达以及漠河和十三陵台站数字测高仪观测数据,对2018年10月17日夜间出现在中国东北区域上空的MSTID事件进行分析。该MSTID事件传播时间较长,在气辉观测中持续时间超过4 h（12:02－16:23 UT）,其波长范围为176.3～322.5 km,波速范围为67.0～154.1 m·s^–1。研究结果显示,该MSTID可能产生于较高的纬度,自东北向西南往中纬传播,依次经过伊春和兴隆台站的气辉观测区域。     

台风激发的声重力波的可探测性研究

通过对北京大学高频多普勒台站(39.4°N,116.2°E)多年的观测资料及相关台风资料的统计分析,着重研究了高频多普勒探测手段对由台风引起的扰动电离层响应的可探测性问题.通过对台风登陆前后的高频多普勒观测记录的细致分析及与宁静条件下记录的对比研究,表明高频多普勒观测手段可以很好地探测由台风激发的声重力波,尤其是对台风登陆前后所激发的扰动具有较高的可探测性.在所分析的24次台风事件中有明显扰动记录的高达22次(22/24).结合观测事实与Huang等的统计结果(2/12)进行了比较,并进行了可能的原因分析.通过数值模拟的方法对观测到的主要扰动的非线性传播过程进行了模拟再现,结果基本上与观测结果及线性传播理论一致.确认了一般情况下高可探测性这一事实,但同时也表明可探测性和台风激发源与探测位置及中尺度TIDs在电离层中的传播模式有密切关系.     

Investigation into impact of tropical cyclones on the ionosphere using GPS sounding and NCEP/NCAR Reanalysis data

Ionospheric response to tropical cyclones (TCs) was estimated experimentally on the example of three powerful cyclones – KATRINA (23–31 August 2005), RITA (18–26 September 2005), and WILMA (15–25 October 2005). These TCs were active near the USA Atlantic coast. Investigation was based on Total Electron Content (TEC) data from the international network of two-frequency ground-based GPS receivers and the NCEP/NCAR Reanalysis data. We studied the spatial–temporal dynamics of wave TEC disturbances over two periods of ranges (02–20 min and 20–60 min). To select the ionospheric disturbances which were most likely to be associated with the cyclones, maps of TEC disturbances were compared with those of meteorological parameters.     

数字计量发展现状及关键技术研究

计量产业为各行各业中数据的测量提供手段并且保障数据的正确性。在当今的数字化浪潮中,为了更好的发挥计量产业的重要作用,需要进行由传统计量向数字时代计量的重大变革,即完成计量产业的数字化转型,简称数字计量。数字计量的核心内涵是应用相应的数字化技术,实现测量数据和测试报告以及校准证书的数字化、检定校准规程规范机器可读、计量标准装置数字孪生、校准检定检测操作自动化和智能化,构建数字化量值传递溯源链,以数字方式传递测量信任和量值统一。在世界范围内,权威机构相继颁布了实现数字计量的指导文件,引领全球数字计量变革的走向。     

Study of the ionosphere during a magnetospheric storm using data on the ground and in space

For the magnetospheric storm of May 14–16, 1997 geophysical data of satellites DMSP and IMP-8 are compared with data of radio propagation on the high-latitude HF radio path of Heiss Island – St. Petersburg and data from European ionosondes. Peculiarities of variations of the operational frequencies range MOF–LOF (maximum and lowest observed frequencies) on the path were considered. The range has been determined by the method of oblique ionospheric sounding (OIS). The latter is more informative for observations during a magnetic storm compared to the vertical sounding method. Nevertheless, an analysis of variations of the critical frequency of the ionospheric F2 layer from the chain of European ionosondes was carried out. For interpretation of results, data of magnetospheric parameters, AE-indexes and riometer data were used. The variations of both frequency range on the path and critical frequencies of the F2 layer through the ionosondes chain during the disturbed period had certain regularities of behaviour. These regularities are being explained from the physical point of view. The analysis of the satellite DMSP data has showed that a magnetospheric disturbance causes displacement equatorward of precipitation and some growth of its width and energy.     

昆明MF雷达及初步探测结果

MF雷达是中层大气风场及低电离层电子密度观测的重要手段. 简要介绍了新建昆明MF雷达设备的工作原理、结构及工作模式, 并对观测结果进行初步分析. 对2009年1月观测数据的分析表明, 该月纬向风场最大可达80 m/s, 经向风场则较小, 一般不超过40 m/s, 且二者均呈现一定波动性. 相应的LS谱及谐波拟合分析表明,周日潮汐是80~100 km高度大气风场的主要扰动成分, 其振幅随高度改变, 相位向下传播, 且周日潮汐经向分量相位超前于纬向分量相位. 此外, 分析了MF雷达白天的电子密度观测结果, 并与IRI2000进行比较, 发现两者在变化趋势上有非常好的一致性, 但雷达观测结果小于IRI2000给出的参考值.     

Case studies of height structure of TID propagation characteristics using cross-correlation analysis of incoherent scatter radar and DPS-4 ionosonde data

The height structure of TID characteristics is studied on the base of the electron density profiles measured by two beams of the incoherent scatter radar and DPS-4 ionosonde. The height profiles of the TID propagation characteristics are obtained by means of cross-correlation and spectrum analysis of the radar and ionosonde data. The noticeable height variability of the TID parameters is observed. The variability is explained by interference of several TIDs. The obtained TID propagation characteristics are compared with known results of the TID studies.     

Performance evaluation of IRI-2007 at equatorial latitudes and its Matlab version for GNSS applications

International Reference Ionosphere (IRI) model is the widely used empirical model for ionospheric predictions, especially TEC which is an important parameter for radio navigation and communication. The Fortran based IRI-2007 does not support real-time interactive visualization and debugging. Therefore, the source code is converted into Matlab and is validated for the purposes of this study. This facilitates easy representation of results and for near real-time implementation of IRI in the applications including spacecraft launching, now casting, pseudolite based navigation systems etc. In addition, the vertical delay results over the equatorial region derived from IRI and GPS data of three IGS stations namely Libreville (Garbon, Africa), Brasilia (Brazil, South America) and Hyderabad (India, Asia) are compared. As the IRI model does not account for plasmasphere TEC, the vertical delays are underestimated compared to vertical delays of GPS signals. Therefore, the model should be modified accordingly for precise TEC estimation.