地磁暴期间北半球高纬度地区电离层变化特征及对精密定位的影响

基于加拿大地区高纬度电离层观测网的电离层闪烁观测数据,分析了2018年8月26日地磁暴事件引发的北半球高纬度地区电离层总电子含量(TEC)异常变化、TEC变化率指数(ROTI)及电离层相位闪烁的变化特征.结果表明:加拿大地区最大异常值约6 TECU,磁暴引发全球电离层TEC异常峰值高达20 TECU;加拿大地区电离层相...     

基于深度学习递归神经网络的电离层总电子含量经验预报模型

利用行星际太阳风参数与太阳活动指数、地磁活动指数、电离层总电子含量格点化地图数据,首次基于一种能处理时间序列的深度学习递归神经网络（Recurrent Neural Network,RNN）,建立提前24h的单站电离层TEC预报模型.对北京站（40°N,115°E）的预测结果显示,RNN对扰动电离层的预测误差低于反向传播神经网络（Back Propagation Neural Network,BPNN）0.49～1.46TECU,将太阳风参数加入预报因子模型后对电离层正暴预测准确率的提升可达16.8%.RNN对2001和2015年31个强电离层暴预报的均方根误差比BPNN低0.2TECU,将太阳风参数加入RNN模型可使31个事件的平均预报误差降低0.36～0.47TECU.研究结果表明深度递归神经网络比BPNN更适用于电离层TEC的短期预报,且在预报因子中加入太阳风数据对电离层正暴的预报效果有明显改善.      

基于因果卷积与LSTM网络的电离层总电子含量预报

电离层总电子含量（TEC）不仅是分析电离层形态的关键参数之一,同时为导航及定位等空间应用系统消除电离层附加时延提供重要支撑。由于电离层TEC的时空变化特征,本文融合因果卷积和长短时记忆网络,以太阳活动指数F_10.7、地磁活动指数Dst和电离层TEC历史数据作为特征输入,构建深度学习模型,实现提前24 h预报电离层TEC。进一步利用2005－2013年连续9年的CODE TEC数据,全面评估了模型在北京站（40°N,115°E）、武汉站（30.53°N,114.36°E）和海口站（20.02°N,110.38°E）的预报性能。结果显示不同太阳活动条件下三个站的TEC值与真实测量值的相关系数都大于0.87,均方根误差大都集中在0～1 TECU以内,且模型预报精度与纬度、太阳、地磁活动程度、季节变化相关。与仅由长短时记忆网络构成的预报模型相比,本实验模型均方根误差降低了15%,为电离层TEC预报模型的实际应用提供了参考。      

2008—2009年电离层对重现型地磁活动的响应

利用2008—2009年的GPS TEC数据,分析了电离层对冕洞引起的重现型地磁活动的响应. 结果表明,在太阳活动低年,电离层TEC表现出与地磁 ap指数（采用全球3h等效幅度指数ap来表征）和太阳风速度相似的9天和13.5天短周期变化,表明TEC的这种短周期特性主要与重现型地磁活动相关. 地磁纬度和地方时分析表明,夜间高纬地区正负相扰动明显,中低纬地区则以正相扰动为主,较大的TEC变幅主要发生在南北半球高纬地区,夜间南半球高纬地区TEC变化相对ap指数变化有相位延迟. 白天中低纬地区正负相扰动明显,TEC短周期变化与ap指数变化相位基本一致. 2008年TEC的9天和13.5天周期变化幅度大于2009年.      

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.      

太阳活动对电离层TEC变化影响分析ormalsize

为研究太阳活动对电离层TEC变化的影响,从整体到局部分析了2000—2016年的太阳黑子数、太阳射电流量F_10.7指数日均值与电离层TEC的关系,并重点分析了2017年9月6日太阳爆发X9.3级特大耀斑前后15天太阳活动与电离层TEC变化的相关性.结果表明:由2000—2016年的数据整体看来,太阳黑子数、太阳F_10.7指数、TEC两两之间具有很强的整体相关性,但局部相关性强弱不均;此次耀斑爆发前后太阳黑子数、太阳F_10.7指数和TEC具有很强的正相关特性,太阳活动对TEC的影响时延约为2天;太阳活动对全球电离层TEC的影响不同步,从高纬至低纬约有1天的延迟,且对低纬度的影响远大于中高纬度.太阳活动是影响电离层TEC变化的主要原因,但局部也可能存在其他重要影响因素.      

太阳活动对电离层TEC变化影响分析

为研究太阳活动对电离层TEC变化的影响,从整体到局部分析了2000-2016年的太阳黑子数、太阳射电流量F_(10.7)指数日均值与电离层TEC的关系,并重点分析了2017年9月6日太阳爆发X9.3级特大耀斑前后15天太阳活动与电离层TEC变化的相关性.结果表明:由2000-2016年的数据整体看来,太阳黑子数、太阳F_(10.7)指数、TEC两两之间具有很强的整体相关性,但局部相关性强弱不均;此次耀斑爆发前后太阳黑子数、太阳F_(10.7)指数和TEC具有很强的正相关特性,太阳活动对TEC的影响时延约为2天;太阳活动对全球电离层TEC的影响不同步,从高纬至低纬约有1天的延迟,且对低纬度的影响远大于中高纬度.太阳活动是影响电离层TEC变化的主要原因,但局部也可能存在其他重要影响因素.     

基于NTCM-BC模型的全球卫星导航系统单频电离层延迟修正

选择NTCM-BC模型作为单频电离层延迟修正模型,通过非线性最小二乘拟合的方法,利用提前一天预测的电离层图（COPG文件）,计算得到NTCM-BC模型修正系数;利用Klobuchar模型和IGS发布的GIM数据对NTCM-BC模型进行比较和分析.对太阳活动高、中、低年实测数据的分析结果表明:全球平均水平上,NTCM-BC模型的电离层延迟修正性能明显优于Klobuchar模型,NTCM-BC模型的TEC平均误差和均方根误差比Klobuchar模型分别下降了41%和30%;模型的TEC计算误差与太阳活动剧烈程度成正相关,即太阳活动高年模型误差较大,太阳活动低年误差相对较低.相较于磁静日,磁扰日期间Klobuchar模型和NCTM模型的误差均有一定程度的增加.此外,模型的电离层修正误差同时存在明显的纬度、季节和地方时差异.      

一次中等磁暴期间全球电离层TEC及ROTI指数变化分析

地磁暴发生时,电离层会有偏离平均水平的强烈扰动.基于全球电离层TEC及其时间变化率ROTI(Rate of TEC Index)数据,对2014年8月一次中等强度磁暴期间的全球电离层影响进行了分析,探讨了磁暴所引发电离层暴的可能机制.研究发现,本次磁暴伴随有明显的电离层暴效应.磁暴期间:南半球电离层以正相暴为主,北半球电离层暴则整体表现为短暂正相暴后长时间强的负相暴;电离层在北半球的下降比南半球强,并且这种下降持续了约一周时间;低纬区域电离层变化幅度明显小于中纬区域,高纬区域则主要表现为负暴效应;赤道北驼峰出现了明显的南移现象,直至磁赤道两侧双驼峰结构消失.对磁暴期间三个不同扇区的电离层ROTI变化的分析表明:欧洲-非洲扇区磁暴前有电离层闪烁发生,磁暴发生后消失,而东亚-澳大利亚及美洲扇区则无此现象出现.研究结果表明,此次磁暴期间的电离层变化存在明显的时间和空间差异.     

一次中等磁暴期间全球电离层TEC及ROTI指数变化分析

地磁暴发生时,电离层会有偏离平均水平的强烈扰动.基于全球电离层TEC及其时间变化率ROTI(Rate of TEC Index)数据,对2014年8月一次中等强度磁暴期间的全球电离层影响进行了分析,探讨了磁暴所引发电离层暴的可能机制.研究发现,本次磁暴伴随有明显的电离层暴效应.磁暴期间:南半球电离层以正相暴为主,北半球电离层暴则整体表现为短暂正相暴后长时间强的负相暴;电离层在北半球的下降比南半球强,并且这种下降持续了约一周时间;低纬区域电离层变化幅度明显小于中纬区域,高纬区域则主要表现为负暴效应;赤道北驼峰出现了明显的南移现象,直至磁赤道两侧双驼峰结构消失.对磁暴期间三个不同扇区的电离层ROTI变化的分析表明:欧洲-非洲扇区磁暴前有电离层闪烁发生,磁暴发生后消失,而东亚-澳大利亚及美洲扇区则无此现象出现.研究结果表明,此次磁暴期间的电离层变化存在明显的时间和空间差异.     

基于IGS电离层TEC格网的扰动特征统计分析

电离层总电子含量（TEC）是研究空间天气特性的重要参量,通过分析电离层TEC,可以了解空间环境的变化特征.利用IGS提供的1999—2016年全球电离层TEC格网数据,按照地磁纬度将全球划分为高、中、中低、低磁纬四个区域,计算不同区域的电离层扰动;利用大量统计数据选取电离层扰动事件的判定阈值,分析电离层扰动与太阳活动、时空之间的关系;计算电离层扰动指数与地磁活动之间的相关系数.结果显示:电离层扰动与太阳活动变化具有较强的正相关特性.在太阳活动低年,电离层扰动事件发生的概率约为1.79%,在太阳活动高年发生扰动的概率约为10.18%.在空间分布上,无论是太阳活动高年还是低年,高磁纬地区发生扰动事件的概率均大于其他磁纬出现扰动事件的概率.计算得到的中磁纬和中低磁纬地区电离层扰动指数与全球地磁指数Ap的相关系数分别为0.57和0.56,说明电离层扰动指数与Ap具有较好的相关关系;高磁纬电离层扰动指数与Ap的相关系数为0.44;低磁纬扰动指数与Ap的相关系数为0.39.以上结果表明,不同区域电离层扰动与全球地磁指数Ap的相关性不同,测定区域地磁指数可能会提高与电离层扰动的相关性.      

磁暴期间全球TEC扰动特性分析

磁暴期间白天电离层总电子含量（TEC）大幅度扰动.TEC扰动与磁暴发生时的世界时（UT）有关.利用7年的数据对TEC对磁暴的响应进行统计研究.结果显示,磁暴期间白天TEC增大明显,且在午后TEC的增大比例有一个高峰.在18:00UT-04:00UT,南美地区与其他地区相比TEC增长较大,这可能与白天的光照有关.为了研究TEC变化与磁暴的关系,结合同样时间段的Dst指数,把TEC数据分为磁暴日（Dst<-100nT）和平静日（Dst>-50nT）.研究发现,将TEC前移2h,低纬日侧地区TEC增大值随着世界时的变化与Dst变化的负相关性较好,相关系数为-0.75.在中纬度地区,将TEC扰动前移1h,相关系数为-0.61.这可能是行进式大气扰动携带着赤道向的子午风,由极区向低纬传播引起.可以认为,TEC的变化可能是由磁暴引起的.在高纬地区,TEC增大值随着世界时的变化与Dst变化的相关性较差.这可能是由于太阳高度角较低,光辐射通量较小,导致电子密度的增加不明显.      

45°(N)纬度带的Klobuchar like电离层延迟季节修正模型与评估

电离层延迟是全球卫星导航系统（GNSS）的主要误差源之一。对于装配GNSS单频接收机的航空器,选择简单有效的Klobuchar广播电离层模型来改正电离层延迟误差,其修正率为50%～60%。针对45°（N）纬度带,提出了更高电离层修正需求。考虑到季节因素对中高纬度地区电离层的显著影响,利用GIMs（Global Ionospheric Maps）分析了昼夜中TEC（Total Electron Content）的峰值和谷值随季节（年积日）的变化,建立了一种适用于45°（N）纬度带的Klobuchar like电离层模型。该模型不增加广播模型系数,新模型的夜间和VTEC高峰时电离层修正率分别达到了82%和80%,表明在穿刺点集中的45°(N)纬度地区使用该模型可以更精确地描述该地区的电离层,帮助航空器实现更高精度的定位。     

Statistical seismo-ionospheric precursors of M7.0+ earthquakes in Circum-Pacific seismic belt by GPS TEC measurements

The Circum-Pacific seismic belt is the region heavily affected by earthquakes in the world. The relationship between earthquake (e.g., the geographic location, occurrence time, magnitude, and focal depth) and ionospheric anomalies in the belt was investigated using 100 M7.0+ earthquakes during 2006–2015. The ground-based GPS measurements and global ionosphere map (GIM) data were used for the analyses of the ionospheric variations preceding the earthquakes. The results indicated that the occurrence rate of total electron content (TEC) anomalies was proportional to the magnitude and inversely proportional to the focal depth to a certain degree, and the occurrence frequency of anomalies had a rising trend with the days getting close to the main shock. The occurrence rate of TEC anomalies in the Southern hemisphere was larger than that in the Northern hemisphere. Besides, the spatial characteristics of TEC anomalies showed that the anomalies in low-middle latitudes did not coincide with the epicenter, sometimes the anomalies were also observed in the corresponding conjugated region. However, the TEC anomalies in the high latitude usually appeared around the epicenter and within the seismogenic zone while no TEC anomalies appeared in the conjugated area. These results may have potential applications to the earthquake prediction in the Circum-Pacific seismic belt.     

Prediction of total electron content using the International Reference Ionosphere

The International Reference Ionosphere (IRI) is a model of the ionosphere, based on experimental data, which has been proposed as a standard ionospheric model. As such, it should be tested extensively to determine its range of validity. One of the ways in which the electron denisty profile given by the IRI, especially above the peak of the F layer, can be tested is to compare calculated and observed values of total electron content (TEC). We have therefore studied the discrepancies between calculated and observed values of TEC recorded at 15 stations covering a wide range of longitudes and latitudes, mainly in the northern hemisphere, and mainly for high levels of solar activity. W have found that the IRI produces reasonably accurate values of TEC at mid and high latitudes, but that it greatly underestimates the daytime values of TEC at low latitudes. We conclude therefore that the daytime electron density profile given by the IRI is reasonably accurate at mid and high latitudes, at least above the peak of the F2 layer. The situation at low latitudes clearly requires more work, and we have suggested two possible lines of study. The generally low discrepancies at night indicate that the night-time electron density profiles given by the IRI correspond fairly closely to the actual profiles.     

基于陆态网的区域电离层TEC空间变化特性分析

为研究中国陆态网区域电离层TEC在空间小尺度、高分辨率情况下的变化特性及适用精度范围,利用陆态网260个GNSS连续运行观测站数据,解算并生成2016-2017年731天陆态网区域电离层RIM格网,并进行精度验证.在同一RIM格网中,分别在经度和纬度方向上对间隔不同经纬度的TEC格网点作差分析.结果表明:陆态网区域内经度方向上TEC最大变化率和平均变化率分别为0.30TECU·（°）-1和0.11TECU·（°）-1;经度间隔1°时,TEC差值小于2TECU,且随着经度间隔的增大,其TEC差值也随之增大,并表现出一定的半年和周年变化规律;纬度方向上TEC最大变化率和平均变化率分别为1.7TECU·（°）-1和0.46TECU·（°）-1;陆态网区域内电离层TEC随纬度减小而增大,纬度间隔1°时,99.4%的TEC差值小于4TECU,且随着纬度间隔的增大,其TEC差值也随之增大,并表现出一定的半年和周年变化规律;间隔相同情况下,纬度方向上TEC的变化比经度方向上大.