低功耗电离层垂测仪系统及在银川地区的试验

研制了一台低功耗电离层垂测仪，该系统采用新型Delta天线、可变接收时长和类巴克码脉冲编码设计，安装在宁夏银川地震监测试验场。2021年8月开展了全天连续观测试验，观测获得的科学数据验证了垂测仪的探测能力和探测效率。试验结果表明：F₂层临界频率日变化与银川地区太阳高度角日变化趋势存在一定的正相关性；采用图像处理技术实现了原始频高图中O/X波自动分离，获得两极化波临界频率之差约为0.7MHz，与银川当地0.5倍磁旋频率0.7 MHz基本一致。该电离层垂测仪系统运行稳定，试验数据可靠，对后续星地联合多维度探测和信号处理具有一定的算法参考和数据积累意义。     

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。     

基于地磁坐标和Kriging技术的高纬地区f0F2重构方法

为能够在高纬区域获取高精度电离层参数特性结果,提出了基于地磁坐标的高纬度区域电离层F₂层临界频率（f₀F₂）的重构方法.该方法确定了基于地磁坐标的变异函数,通过求解改进Kriging方程得出估计值.方法的确定取决于对2种坐标系、2类电离层距离计算方法以及尺度因子的选取.通过对俄罗斯6个垂直探测站在太阳活动高年（2013年）和低年（2017年）的f₀F₂历史观测数据使用月中值进行交叉验证,证明了引入地磁坐标和利用球面距离计算方法对高纬度地区进行重构能够达到最优效果.相比现有方法,其整体标准误差和绝对误差均有所降低.上述研究证实了该方法的有效性,对电子信息系统的可用频率预测以及通信效能保障具有重要意义.      

135.6nm夜气辉峰值电子密度反演算法及误差

根据夜间135.6nm大气辉光光强与F₂层峰值电子密度N_mF₂平方成正比的物理机制,在前期夜间135.6nm气辉辐射激发模型研究的基础上建立了峰值电子密度的反演算法,把全球经纬度分成若干格点,每个格点的电离层及中性成分信息分别由IRI2000和MSISE90提供,将电离层及中性成分廓线输入夜气辉辐射激发模型,计算每个格点135.6nm气辉的辐射强度,然后将各个格点的135.6nm气辉辐射强度与电离层廓线输入的N_mF₂平方拟合得到气辉强度与N_mF₂的转换因子.利用此方法可获得不同地方时、季节和太阳活动周期的转换因子组成查算表,进而根据实际探测的135.6nm气辉辐射强度反演相应时空的N_mF₂.最后对该算法的反演误差进行了综合分析,为该算法适用的时空特性提供重要理论支撑.      

电离层Es对HF和VHF传播信号的影响

Es层是存在于电离层中的电子密度非常高的偶发E层（Sporadic E）,其电子密度可达常规E层的100倍.电离层Es能够反射原本穿透F层的VHF低频段（30~150MHz）无线电波,而且对HF高频段（10~30MHz）无线电波传播具有显著影响.运用垂测和斜测观测数据,研究HF频段Es层电波传播特征,得到了不同类型及不同高度Es层的衰减系数.根据f₀E_s的日变化规律,可得HF频段衰减系数的日变化规律,进而分析并得到Es层对短波传播的影响.不存在电离层Es时,通常无法通过电离层实现VHF超远距离通信.为了对VHF链路通过电离层Es的传播衰减进行定量分析,根据EBU多条链路的观测结果,拟合并建立了电离层Es衰减模型.将该模型、ITU模型和观测数据进行对比,发现本文建立的模型准确度更高.利用建立的模型,对电离层Es不同临频f₀E_s条件下接收信号场强和电压随传播距离的变化进行了计算,结果可为VHF链路设计及建立提供参考.      

太赫兹火星大气临边探测仿真研究

对火星大气进行连续高分辨率观测是研究火星大气物理和化学过程的重要手段.太赫兹临边探测技术通过测量火星大气中的风和光化学循环中的重要气体（CO,O₃,H₂O,H₂O₂等）提高对火星的认知.针对火星大气遥感的探测需求,分析了300～1000GHz频段的频谱特征.针对探测卫星对于载荷质量、功耗等参数的要求,提出一个560GHz频段的火星大气太赫兹临边探测仪设计方案,并利用辐射传输模型ARTS中的行星工具箱进行仿真.仿真结果显示:火星大气温度的反演精度优于4K,其中45km高度以下优于2K;H₂O丰度的反演精度在90km以下优于50%,30km以下优于2%;H₂O₂的反演精度在40km以下优于50%;O₃的反演精度在50km以下优于60%;大气风速度的反演精度在65km以上优于5m·s-1,最高可以达到2m·s-1.研究结果表明,利用太赫兹波段的吸收谱线可以很好地探测火星大气中各成分的丰度、变化趋势以及中高层大气的风,可为后续火星表面及大气探测提供参考.      

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.      

曲靖地区电离层多参数变化特征

利用电波环境观测网曲靖站电离层垂直探测仪数据（2008－2018）,分析了该站电离层多参数（包括f_min,f₀E_s,h'E_s,f₀E,f₀F₁,f₀F₂,h'F,MUF(3000)F₂等）随太阳活动、季节、地方时的变化特征。结果表明,f_min,f₀E_s,h'E_s随太阳活动变化不明显,f₀E,f₀F₁,f₀F₂,h'F,MUF(3000)F₂与太阳活动变化具有相关性,f₀F₂经常发生日落增强现象,同时各自具有独立性;与拉萨、乌鲁木齐地区f₀F₂,h'F,f₀E_s变化特征对比,发现地方时与月份变化趋势相同,但是极值出现的位置有所不同,这可能与各地区的地理纬度和地形等因素有关;h'F夜间大于白天,在日出日落时段有突然上升现象,冬季的h'F一般都小于其他季节;MUF(3000)F₂与f₀F₂的变化特征相似,白天值高于夜晚值,春秋分季高于夏冬季,太阳活动高年日落后MUF(3000)F₂一直维持较高值并持续到03:00－04:00 LT。      

基于活动区面积统计的F10.7指数预报方法

太阳10.7cm射电流量（F_10.7）是反映太阳整体活动的重要指标,其主要源头是日面活动区.F_10.7指数与日面活动区具有显著的相关性,且不同面积的活动区与F_10.7并不遵循相同的线性关系.为进一步提高F_10.7预报的准确性,利用日面活动区面积与F_10.7的相关性,依据面积大小分类,提出F_10.7的预报公式并进行验证.采用2008-2018年SWPC （Space Weather Prediction Center）公布的活动区面积数据和CSWFC （Canadan Space Weather Forecast Center）公布的F_10.7实测数据计算预报公式系数,利用高年（2003年）和低年（1997年）的F_10.7预报验证其结果.研究结果表明,预报结果与实测值的相关系数分别为0.9318和0.9295,二者皆优于SWPC同时期的预报结果（相关系数分别为0.9186和0.8771）.本研究首次基于活动区的变化预测了F_10.7,提高了F_10.7预测的准确性.      

玉树地震前的电离层异常现象分析

分析了玉树地震前地基电离层探测临界频率、GPS TEC和卫星探测原位等离子体参量等多个参数的扰动变化信息, 研究了不同高度异常变化的时空关联性. 分析发现, 在地震前一天的4月13日, 多个电离层参量出现同步扰动异常, 电离层临界频率f₀F₂异常相对滑动中值增大40%, 异常空间上存在从震中东南向西南漂移的特性; GPS TEC异常增强15TECU (1TECU=1016m-2)左右, 分布于震中南部经度15°范围内, 且有明显的磁共轭效应; DEMETER观测的原位氧离子密度N_i(O+) 4月13日为1-4月中最强的一天, 异常分布偏向赤道区, 但仅局限在30°-50°左右的经度范围内. 综合三个参量的异常特征发现, 无论是空间的局地性还是时间上的密切关联均反映这次电离层扰动可能与玉树地震孕育有关. 结合其他观测信息, 进一步探讨了这次地震孕育过程的地震电离层耦合机理.      

短波射线追踪技术中的电离层混合建模方法

在国际参考电离层模型和多层准抛物模型的基础上,提出了一种混合应用两种模型进行电离层建模的新方法.利用射线追踪技术,分别对混合模型和传统国际参考电离层模型下短波射线在电离层中的轨迹进行了仿真,得到了电波群路径.通过与实测电波群路径的对比,结果表明:对中国中纬度地区在电离层混合模型下的射线追踪精度优于传统国际参考电离层模型下的射线追踪精度,同时混合建模方法降低了多层准抛物模型对输入条件的要求,扩展了多层准抛物模型在射线追踪技术中的应用范围.     

Effects of a “day-time” substorm on the ionosphere and radio propagation

Propagation mechanisms of lateral (non-great-circle) signals on a high-latitude HF radio path during magnetospheric substorms that occurred in the day-time have been considered. The path is equipped with oblique ionospheric sounding (OIS) from Murmansk to St. Petersburg. The OIS method gives the possibility to determine propagation modes, MOF (maximum observed frequency) values, signal delays, etc. Data of the CUTLASS radar, the IMAGE magnetometer system, the Finnish riometer chain, and the Tromso ionosonde were also used for the analysis. The main results are the following: (1) the lateral signal propagation takes place, as a rule, if the path midpoint is located near the irregularity region that moves sharply from high to low latitudes. The lateral signal propagation appearing during day-time is a new effect. (2) Formation of dense field-aligned irregularities during a substorm leads to decreasing F2MOF values on radio paths. These results can be useful for problems of radiolocation, HF communications and navigation.     

高频通信最大可用频率的自适应预报

引入Volterra级数自适应混沌预报方法, 实现了高频通信最大可用频率的自适应预报. 基于青岛至新乡2007年3月和2012年3月最大可用频率观测数据, 通过不同太阳活动期单步预报、不同步长短期预报和不同训练样本长度预报结果的统计, 分析验证了方法的精确性、适应性和有效性. 分析结果表明, 采用Volterra级数自适应混沌预报方法进行超短期预测可以取得较好的预报结果, 适用于不同太阳活动期; 预测步长不大于1/12周期时, 预报均方根误差均小于0.79MHz, 与基于最大Lyapunov指数预报方法的结果对比表明, 该方法在观测数据少和信道时变特性强等情形下仍具有较高精度且应用简便. 其为高频频率预报技术的深入研究提供了基础.      

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.     

The GPS measured SITEC caused by the very intense solar flare on July 14, 2000

This work studies the sudden increases in total electron content of the ionosphere caused by the very intense solar flare on July 14, 2000. Total electron content (TEC) data observed from a Global Positioning System (GPS) network are used to calculate the flare-induced TEC increment, δTEC_f, and variation rate, dTEC_f/dt. It is found that both dTEC_f/dt and δTEC_f are closely related with the solar zenith angles. To explain the observation results, we derived a simple relationship between the partial derivative of the flare-induced TEC, ∂TEC_f/∂t, which is a good approximation for dTEC_f/dt, and the solar zenith angle χ, as well as the effective flare radiation flux I_f, according to the well-known Chapman theory of ionization. The derived formula predicted that ∂TEC_f/∂t is proportional to I_f and inverse proportional to Chapman function ch(χ). This theoretical prediction not only explains the correlation of dTEC_f/dt and δTEC_f with χ as shown in our TEC observation, but also gives a way to deduce I_f from TEC observation of GPS network. Thus, the present work shows that GPS observation is a powerful tool in the observation and investigation of solar flare effects on the ionosphere, i.e., the sudden ionospheric disturbances, which is a significant phenomenon of space weather.     

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。      

Physical and model interpretation of HF radio propagation on the St. Petersburg–Longyearbyen (Svalbard) path

HF radio wave observations have been carried out with an oblique ionospheric sounding (OIS) method on the radio path from St. Petersburg to Longyearbyen (Svalbard), and experimental ionograms were obtained for December 2001. These ionograms have been analysed to investigate the impact of the main ionospheric trough (MIT) and magnetic disturbances on the signals on this path. The observations during weakly disturbed (K_р = 2) magnetic conditions on 14–15 December 2001 were compared with predictions from ray-tracing through a numerical model of the ionosphere. The ray-tracing computer program synthesizes the OIS ionograms by means of the “shooting method”. This method calculates trajectories of HF radio waves for different values of elevation angle and transmission frequency. There was a variety of calculated trajectories, from which we choose those which reach the receiver, and the selected paths provide a synthesis of the oblique ionograms. To simulate HF radio wave propagation, we apply a three-dimensional distribution of the electron density calculated with the mathematical model of the high-latitude ionosphere developed in the Polar Geophysical Institute (PGI). These numerical simulations permit us to interpret specific peculiarities of the OIS data such as abnormal propagation modes, increased delays of signals, enhanced MOF (maximum observed frequency) values etc. New results of the study are summarised as follows. (1) An unusual feature of the propagation along the path is the change of propagation mechanism during substorms on entering a path midpoint (or 1-hop reflection point) to the MIT. (2) Even weak substorms, having the distinguished intensities, lead to the appearance of different types of irregularities observed by the CUTLASS radar and therefore to the different propagation modes and F2MOF values. (3) The PGI model of the ionosphere was first used for ray-tracing at high latitudes. The model results are basically in a good qualitative agreement with experimental observations. This model provides the satisfactory agreement between the calculated and experimental F2MOF values while not correctly representing the fine structure of the experimental OIS ionograms at night. An agreement between the calculated and experimental data is better for day and evening hours than at night.     

卡尔曼滤波和自相关分析方法短期预报电离层f0F2的比较

电离层参数f₀F₂的预报是电离层研究的一个重要方向.本文选取2011年北京、长春、青岛和苏州四个常规观测站的f₀F₂数据,分别采用卡尔曼滤波、自相关分析法和国际参考电离层模型（IRI）对f₀F₂实施短期预报（提前1h预报）,并通过与实际观测数据的对比,对三种方法预报f₀F₂的性能进行了比较.研究结果表明,在磁平静时期,采用卡尔曼滤波方法进行f₀F₂预报的均方误差为0.532MHz,相对误差8.11%,比国际电离层参考模型的均方误差和相对误差分别降低1.47MHz和14.58%;采用自相关分析方法进行f₀F₂预报的均方根误差为0.967MHz,相对误差11.46%,比国际电离层参考模型的均方误差和相对误差分别降低1.035MHz和11.23%.比较结果说明二者对f₀F₂短期预报的精度相对于国际电离层参考模型均有大幅提升.对磁暴期间三种方法的预测性能做了进一步比较,试验结果表明卡尔曼滤波短期预报性能总体上优于自相关分析法,这为f₀F₂短期预报的方法选择提供了一定指导.