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.     

用Kriging方法构建中纬度区域电离层TEC地图

提出了中国中北部及周边(30°N～55°N,70°E～140°E范围内)区域电离层电子浓度总含量(TEC)地图(简称CNC TEC Map)的Kriging算法.比较了目前被广泛使用的电离层模型(Klobuchar,IRI和JPLGIM)与真实的TEC分布的符合情况;比较了常数漂移(普通Kriging方法)、线性漂移和二次漂移的Kriging方法;在三种不同的时间分辨率(5min,30min和120min)下,比较了Kriging算法、就近插值算法和多项式回归算法(5阶)绘制CNC TEC Map的效果.结果显示在本文研究区域内常用的电离层模型与真实TEC分布存在较大的区别;使用普通Kriging方法就可以较好的表示华北地区TEC分布;Kriging方法的结果优于其余两种插值算法,尤其是当时间分辨率提高到5 min时,Kriging算法的优势比较明显.     

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.     

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.     

2009年1月平流层爆发性增温期间全球电离层响应的研究

2009年1月平流层爆发性增温(Stratospheric Sudden Warming, SSW)事件是有记录以来最强、持续时间最长的一次主增温事件(Major Warming Event, MWE), 期间太阳活动和地磁活动均处于较低的水平, 因此非常有利于研究电离层对平流层增温事件的响应情况. 本文利用COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate)系统提供的掩星数据, 使用Kriging方法分别构建了此次SSW期间及平静期的电离层N_mF₂, h_mF₂和110～750km高度范围的垂直积分TEC (简称VTEC)地图, 同时从全球定位导航卫星系统服务组织(International GNSS Service, IGS)发布的全球电离层TEC地图(Global Ionospheric Maps, GIMs)中提取了日固坐标系(Sun-fixed, 地磁纬度和地方时)下全球TEC地图. 通过对比发现, SSW期间与平静期相比, 地磁纬度中低纬电离层参数存在早晨上升, 下午和夜间下降的现象. 利用OSTM/JASON-2卫星高度计观测值进行验证后的结果显示, 此前研究均未有提及的夜间时段电离层参数N_mF₂, h_mF₂和TEC (VTEC和IGS TEC)的下降现象的确存在.     

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GPSTEC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.     

利用北斗观测数据实时监测中国区域电离层变化

北斗卫星导航信号采用三个频点工作,可以利用伪距双频组差方法解算电离层电子含量,为实时监视中国区域电离层变化提供新的技术手段.中国中低纬度处于电离层赤道异常变化区,在北纬20°±5°区域时常发生较大梯度的电离层变化.利用北斗实时多频伪距和相位观测数据,采用相位平滑伪距方法计算电离层穿刺点电子含量,分析通过北斗系统GEO卫星监测的电离层周日变化特性;采用多面函数方法拟合中国区域1°×1°分辨率的电离层延迟量,每5min绘制一幅中国区域电离层图,观测区域所有电离层穿刺点拟合残差RMS为2.778TECU;分析北斗系统实时监测中国区域电离层异常情况,当发生电离层异常变化时,相邻两天的VTEC（Vertical Total Electronic Content）峰值相差约60TECU.     

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.     

基于极大验后推估理论的全球电离层地图预报

提出了一种基于极大验后估计理论的全球电离层预报方法,基于中国科学院电离层分析中心（CAS）提供的快速全球电离层地图（GIM）,实现了1天、2天和5天GIM的预报。以国际GNSS服务组织（IGS）最终GIM、Jason测高卫星提供的电离层观测信息及全球GNSS基准站实测电离层总电子含量（TEC）为基准,评估了2008－2017年CAS电离层预报GIM在全球大陆及海洋区域的精度,并与欧洲定轨中心（CODE）、欧洲空间局（ESA）和西班牙加泰罗尼亚理工大学（UPC）的预报GIM进行对比。在评估时段内,与IGS-GIM相比,CAS预报GIM精度为2.4~3.1 TECU;与测高卫星TEC相比,CAS预报GIM的精度为5.1~6.6 TECU;与全球基准站实测TEC相比,CAS预报GIM的电离层延迟修正精度优于80%。总体来看,CAS预报GIM与CODE预报GIM精度相当,显著优于ESA和UPC预报GIM。     

利用COSMIC数据研究顶部电离层O+扩散流的统计特征

从等离子体运动方程出发, 利用COSMIC星座的掩星数据, 借助相关经验模式, 计算了太阳活动低年顶部电离层O+场向扩散速度和扩散通量, 并分析了其全球分布和日变化特征. 结果表明, 白天等离子体扩散速度的方向随高度增加由向下(极向)逐步变为向上(赤道向), 方向转变的高度一般在hmF2+80 km以下. 在白天较高高度, 南北磁纬10º ~20 º存在着向上方向的最大扩散速度和扩散通量; 而在夜间, 南北磁纬30º~40 º存在向下方向的最大扩散速度和扩散通量. 在分点, 南北半球的扩散通量和扩散速度大致对称; 而在至点, 扩散通量存在着明显的南北半球不对称现象. 另外, 不同纬度的扩散速度有着不同的日变化特征.     

An improved approach to model ionospheric delays for single-frequency Precise Point Positioning

PPP with low-cost, single-frequency receivers has been receiving increasing interest in recent years because of its large amount of possible users. One crucial issue in single-frequency PPP is the mitigation of ionospheric delays which cannot be removed by combining observations on different frequencies. For this purpose, several approaches have been developed, such as, the approach using ionospheric model corrections with proper weight, the GRAPHIC (Group and Phase Ionosphere Calibration) approach, and the method to model ionospheric delays over a station with a low polynomial or stochastic process. From our investigation on the stochastic characteristics of the ionospheric delay over a station, it cannot be precisely represented by either a deterministic model in the form of a low-order polynomial or a stochastic process for each satellite, because of its strong irregular spatial and temporal variations. Therefore, a novel approach is developed accordingly in which the deterministic representation is further refined by a stochastic process for each satellite with an empirical model for its power density. Furthermore, ionospheric delay corrections from a constructed model using GNSS data are also included as pseudo-observations for a better solution. A large data set collected from about 200 IGS stations over one month in 2010 is processed with the new approach and several commonly adopted approaches for validation. The results show its significant improvements in terms of positioning accuracy and convergence time with a negligible extra processing time, which is also demonstrated by data collected with a low-cost, handheld, single-frequency receiver.     

A new method for improving the performance of an ionospheric model developed by multi-instrument measurements based on artificial neural network

There are remarkable ionospheric discrepancies between space-borne (COSMIC) measurements and ground-based (ionosonde) observations, the discrepancies could decrease the accuracies of the ionospheric model developed by multi-source data seriously. To reduce the discrepancies between two observational systems, the peak frequency (foF2) and peak height (hmF2) derived from the COSMIC and ionosonde data are used to develop the ionospheric models by an artificial neural network (ANN) method, respectively. The averaged root-mean-square errors (RMSEs) of COSPF (COSMIC peak frequency model), COSPH (COSMIC peak height model), IONOPF (Ionosonde peak frequency model) and IONOPH (Ionosonde peak height model) are 0.58 MHz, 19.59 km, 0.92 MHz and 23.40 km, respectively. The results indicate that the discrepancies between these models are dependent on universal time, geographic latitude and seasons. The peak frequencies measured by COSMIC are generally larger than ionosonde’s observations in the nighttime or middle-latitudes with the amplitude of lower than 25%, while the averaged peak height derived from COSMIC is smaller than ionosonde’s data in the polar regions. The differences between ANN-based maps and references show that the discrepancies between two ionospheric detecting techniques are proportional to the intensity of solar radiation. Besides, a new method based on the ANN technique is proposed to reduce the discrepancies for improving ionospheric models developed by multiple measurements, the results indicate that the RMSEs of ANN models optimized by the method are 14–25% lower than the models without the application of the method. Furthermore, the ionospheric model built by the multiple measurements with the application of the method is more powerful in capturing the ionospheric dynamic physics features, such as equatorial ionization, Weddell Sea, mid-latitude summer nighttime and winter anomalies. In conclusion, the new method is significant in improving the accuracy and physical characteristics of an ionospheric model based on multi-source observations.     

观测站稀疏地区的WAAS电离层时延网格修正算法

在改进的广域增强系统电离层时延网格算法的基础上,给出了针对观测量比较少的地区比较适用的电离层时延网格修正算法,并通过模拟数据和GPS实测数据与原方法进行了分析比较.结果表明,在观测站稀疏的情况下,本文的计算方法模式的精度比原方法有较大的提高.     

电离层效应的测时误差及其修正

电磁波经过电离层传播时会受到电离层折射的影响而产生延迟, 星载接收机探测到的时间是信号延迟之后的到达时间. 某次实验数据显示, 一些波段的瞬态电测辐射信号的群时延之差可达10⁵ns数量级, 这在对信号源进行时差定位时是不能直接运用的. 为有效消除电离层延迟的影响, 将双频修正法应用于某项工程中, 利用接收到的实验数据求解出电离层的TEC(电离层总电子含量), 并在此基础上对信号到达星载接收机的时间进行修正. 最后,对修正结果进行了验证, 给出了误差来源.     

Time delay of ionospheric TEC storms to geomagnetic storms and pre-storm disturbance events in East Asia

Using the TEC data at Beijing (39.61°N, 115.89°E)/Yakutsk (62.03°N, 129.68°E) stations of East Asia regions and relevant geomagnetic data from 2010 to 2017, we have studied the time delay of ionospheric storms to geomagnetic storms and compare it with our previous results of Taoyuan (25.02°N, 121.21°E) station (Zhang et al., 2020). The data shows a well-known local time dependence of the time delay, and seasonal dependences are different at these stations. In addition, there is no correlation between the time delay and the magnetic storm intensity /solar activity, except the time delay of negative storms has weakly negative dependence on the solar activity. Comparing with the results of Taoyuan station which is located at EIA region in East Asia, we find that the time delay increases nonlinearly as the latitude decreases due to different ionospheric backgrounds at these places. Moreover, the pre-storm disturbance events are found to have similar statistical characteristics as the pre-storm enhancement in Europe middle latitudes (Bure?ová and La?tovi?ka, 2007). By subtracting the common features of the pre-storm disturbance events, we preliminarily infer that auroral activity might be main driver of the pre-storm disturbance events.     

电离层TEC日落阶段涨落异常增强现象研究

重点报道了一种TEC伪距观测量的夜间抖动异常现象,分析了这种现象的观测特征,指出了夜间GPS伪距观测量的异常抖动,特别足日落后时段GPS伪距观测量的散开十分严重的现象不是个别的偶然现象.在考察了周围环境之后初步排除了这种现象是由周围地物引起的可能性,而进一步与电离层不均匀体(spread-F)的特征,特别是它发生率最大的地方时进行比较,认为这是一种电离层效应,由大尺度的电离层不规则结构造成的散射很可能是这种夜间散开的主要原因.木文仪就单站GPS观测资料认证了这种夜间强烈抖动的存在,分析了北京上空电离层中发生的不均匀体或各种扰动对GPS信号的可能影响及其观测特征,指出了夜间GPS伪距观测量的异常抖动,特别是日落后时段GPS伪距观测量的散开十分严重的现象,可以用于电离层不规则结构的研究.由于GPS没备比较简便、数据量大、精度高、适用于各种环境等特点,我们发展的单站GPS数据分析方法可能会对研究电离层TEC夜问涨落异常增加现象,包括地域、时间上的统计特性比较有利.     

GNSS single frequency ionospheric range delay corrections: NeQuick data ingestion technique

A study of the performance of the NeQuick model and the Klobuchar model for GNSS single frequency range delay correction on a global scale was done using data for moderate solar activity. In this study NeQuick was used in the way intended for Galileo. This study is to assess the performance of the two models at each ionospheric geographic region during moderate solar activity as previously published studies were concentrated only on high solar activity. The results obtained showed that NeQuick outperformed Klobuchar for the whole year at the three geographical regions of the ionosphere. In terms of monthly root mean square of mismodeling, NeQuick outperformed Klobuchar by 15 TECU or more at low-latitudes, 5 TEC or more at mid-latitudes, and 1 TECU or more at high-latitudes.     

自相关分析法用于电离层TEC的内插评估

基于2004年实测数据的统计分析,将自相关分析法用于电离层TEC的缺值内插,并进行精度评估.采用上海地区GPS综合应用网和中国地壳运动GPS监测网数据,解算成电离层垂直TEC,对缺值进行了时序内插及评估.结果表明,缺值段内的插值误差一般中间较大,两侧较小,插值误差远小于均方差.将自相关分析法内插结果与线性插值法、抛物线法、三次样条法内插结果进行对比,发现对于缺值较多、变化较复杂的缺值段,其插值精度有明显的提高.采用自相关方法进行内插后,有效减小了由于缺值而引起的局部跳跃变化,可以比较准确地研究TEC变化特性.