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.     

Using the Global Navigation Satellite System and satellite altimetry for combined Global Ionosphere Maps

For deriving global maps of the Total Electron Content (TEC) from space geodetic techniques usually observations from the Global Navigation Satellite System (GNSS) are taken. However, the GNSS stations are inhomogeneously distributed, with large gaps particularly over the sea surface.     

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.     

一种基于GNSS数据的全球电离层不规则结构活动表征方法

针对如何利用GNSS（Global Navigation Satellite System）数据进行电离层扰动监测的问题,提出了一种基于GNSS数据表征全球电离层扰动的方法。利用大约400个GNSS地面站点的观测数据,计算总电子含量（Total Electron Content,TEC）变化率的标准差——ROTI（Rate of TEC Index）。将该计算结果作为扰动观测量,在纬度与经度的网格上投影形成1 h分辨率的ROTI地图。ROTI地图能够体现几千米到几十千米的电离层不规则体,分析2015年3月期间电离层平静和扰动剧烈时ROTI地图发现,这种大尺度的不规则体主要分布在高纬和低纬区域,磁暴期间ROTI地图会出现数值和扰动面积上的变化,ROTI地图在一定程度上能够表现全球电离层不规则结构的扰动。在此基础上提出了新的全球ROTI扰动指数(Global ROTI index, GROTI),分析结果表明高纬区域的GROTI与地磁指数Kp及AE指数存在良好的相关性。