基于压缩感知的高精度地磁基准图构建方法

地磁基准图的构建是实现地磁匹配导航的基石。针对实测数据量较小时利用插值法构建的地磁基准图精度不理想的问题,将压缩感知理论应用到地磁信息采集中。结合地磁基准图的结构特点设计了以离散余弦变换作为稀疏基、单位矩阵作为观测矩阵,以压缩采样匹配追踪（CoSaMP）算法作为重构算法的基于压缩感知的高精度地磁基准图构建方法,并与三次样条插值、Kriging插值及PSO-Kriging插值法进行对比。实验结果表明:所提方法具有较高的重构精度和稳定性,与性能最好的PSO-Kriging插值法相比,在6.25%采样率下重构地磁基准图,所提方法使得峰值信噪比（PSNR）由66.97 dB提高至74.67 dB,绝对误差由25.47 nT减小至10.26 nT,均方根误差由28.57 nT减小至11.33 nT。      

基于稀疏表示和字典学习的地磁基准图构建方法

地磁匹配导航在导航制导领域具有重要作用，地磁基准图的构建精度决定了地磁匹配导航的有效性。针对现有地磁基准图构建精度难以满足实际应用需求的问题，提出了基于稀疏表示和字典学习的高精度地磁基准图构建方法。首先，利用矩谐分析(RHA)进行稀疏字典的初始化；其次，利用K-SVD算法对稀疏字典进行训练；最后，利用低分辨率和高分辨率基准图具有相同稀疏系数的特点重建高分辨率地磁基准图。实验结果表明:所提方法对地磁基准图具有更高的构建精度，对训练所需的数据集有更低的需求，同时对噪声有更好的鲁棒性。与PSO-Kriging插值法相比，在4倍放大倍数下峰值信噪比(PSNR)由26.31 dB提高至26.73 dB，结构相似度(SSIM)由0.498提高至0.524，均方根误差(RMSE)由14.96 nT减小至13.78 nT。      

基于径向基函数插值的气动弹性计算方法

动网格与界面数据传递方法是气动弹性计算的主要关键技术.将径向基函数（RBF,Radial Basis Function）插值引入气动弹性计算,介绍了径向基函数的概念并给出其应用于动网格及界面数据传递的基本方法.对AGARD 445.6机翼颤振问题进行了计算流体动力学（CFD,Computational Fluid Dynamics）/计算结构动力学（CSD,Computational Structure Dynamics）耦合计算,在不同的来流速度条件下得到了振动收敛、等幅谐振及振动发散的现象,临界颤振速度及颤振频率与实验数据符合良好,验证了径向基函数插值方法用于气动弹性计算的有效性.      

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.      

一种基于卷积神经网络的地磁基准图构建方法

地磁匹配导航技术是一种重要的辅助导航制导方法，地磁基准图的构建精度对地磁匹配制导的精准度起着决定性作用。针对现有地磁基准图构建精度难以满足实际地磁匹配导航需求的问题，提出了一种基于卷积神经网络的地磁基准图构建方法。首先，利用卷积层提取低分辨率基准图中的特征图像块；然后，利用基于学习的阈值收缩算法（LISTA）实现图像块的稀疏表示；最后，利用三通道的地磁信息得到重建后的高分辨率基准图。实验结果表明:所提方法对地磁基准图具有更高的构建精度，同时对噪声有更好的鲁棒性，各种客观评价指标均高于现有的超分辨率重建方法。      

地磁逐日比与新疆及周边地区强震关系

利用2009年1月1日至2019年12月31日新疆及周边区域12个地磁台站的地磁垂直分量日变幅数据,计算其日变幅逐日比,进而分析新疆及周边地区逐日比异常特征,研究其与磁暴和强震的关系.结果表明:强地震多发生在逐日比异常出现后半年,其中等待时间最短为20天,等待时间最长为220天,震中多位于异常集中区域或异常分界线及附近...     

地磁场与电离层异常现象及其与地震的关系

利用中国地磁台网与电离层台站资料,总结了大地震前出现的地磁低点位移、地磁日变异常及电离层f0F2(F2层临界频率)异常现象.对比研究了1997年11月8日玛尼7.5级与2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震前磁场与电离层异常分布及特征.结果显示,两次巨大地震前磁场与电离层短临异常时空分布特征有较好的一致性,震中周围出现日变异常、拉萨台出现电离层f0F2明显异常;震前约1个月出现地磁低点位移,其突变分界线通过震中地区.      

CME地磁扰动事件的模糊预报方法

以1997-2003年期间的73个日冕物质抛射(CME)激波扰动事件和模糊数学为基础,提出了一种预报地磁扰动的方法.该方法以CME事件爆发的日面经纬度、相关地磁扰动事件的渡越时间、地磁扰动指数、IPS观测的太阳风速度跃变量为基础,建立了预报CME地磁扰动事件的μθ,μφ,μT,μM,μ△v从属函数,考虑了CME初始速度对激波到达时间的影响.以这5个从属函数为基础并利用模糊数学对1996-2004年期间73个经行星际闪烁(IPS)观测认证的CME激波引起的地磁扰动事件进行了预报实验.实验结果表明,磁扰开始时间预报的相对误差,△Tpre/Tobs≤30%的事件占总事件数的91.78%,而△Tpre/Tobs＞30%的事件占总事件数的12.33%;磁扰幅度(∑Kp)大小的预报,其相对误差△∑Kp/∑Kpobs≤30%的事件占总事件数的60.27%,相对误差≥50%的事件占总事件数的12.33%.这表明该预报方法对空间灾害性事件地磁扰动的定量预报具有很大应用潜力.      

基于等值线约束的地磁匹配方法

地磁辅助导航是组合导航技术研究的新方向.简要介绍了地磁辅助导航的基本原理和发展现状,并重点对地磁匹配方法进行了研究.地磁匹配是利用地磁图进行定位的方法,位置输出可用于限制惯性导航系统的误差积累.提出了一种改进的基于等值线约束的相关匹配算法,能够有效消除导航系统的初始位置误差并能限制匹配过程中惯性导航系统的积累误差.仿真实验证明,该算法能有效提高相关匹配的实时性,并能把定位精度控制在地磁数据网格间距以内.该算法对航向误差具有一定的适应性.      

地磁场模型简化计算方法

为了实现地磁导航在近地轨道卫星上的应用,需要解决传统的高斯球谐函数递推法在计算地磁场强度时存在方法复杂、计算量大、实时性难以保证等问题.针对上述问题,提出一种用地球磁场估计函数代替球谐函数的地磁场强度计算方法.该方法利用伪地心下的磁偶极子模型代替主磁场模型,通过多项式拟合离线得到高度范围内固定经纬度网格点的伪中心距系数,进而利用插值法和偶极子模型得到任意点的地磁场强度.仿真结果表明,轨道高度为300～500km,经纬度网格间隔为0.5°时,地球磁场估计函数法的导航精度与地球主磁场模型WMM精度一致的同时,降低了计算负担,提高了算法计算效率.      

基于半实物仿真的地磁导航等值线匹配算法评估

影响地磁导航匹配算法性能的因素很多,而现阶段算法的评估完全依靠计算机仿真,其可信性有待进一步验证.以等值线(ICCP)算法为研究对象,首先从理论上分析影响算法性能的因素;然后搭建了地磁匹配导航半实物仿真系统,通过引入磁场仿真环境和磁传感器,提高了仿真的可信度;最后从测量噪声、匹配长度、匹配区域和惯导误差4个方面对ICCP 匹配算法的性能进行半实物仿真试验分析.仿真结果表明,通过半实物仿真试验可以对算法的抗干扰性、算法匹配长度的确定、匹配区域的选择以及惯导误差的影响做出有效评估,从而推动地磁匹配导航及匹配算法的工程化进程.      

基于方向和距离的双因子定权的地磁数据通化方法

针对地磁数据通化处理中传统使用的直接平均法、反距离加权平均法和纬度差加权平均法在定权时存在的缺陷,并根据地磁场强度与纬度变化关系密切这一特点,提出了基于方向和距离的双因子定权方法,即在定权时不仅考虑了地磁台站之间的距离在权值中的贡献,而且在权值分配中加入了地磁台站在纬度和经度方向的影响,从而改进了通化结果的精度,为卫星、航空和海洋磁力测量数据提供更加准确的日变改正值。采用Intermagnet网站提供的地磁台站测量数据对所提定权方法的有效性进行了测试。实验结果表明:所提定权方法计算结果精度优于传统定权方法,为实施地面磁力测量存在困难地区的地磁数据日变改正提供了一种更优的定权方法,具有较好的应用前景。      

Enhancement of solar wind low-energy energetic particles as precursor of geomagnetic disturbance in operational geomagnetic forecast

A study of the relationship between solar wind low-energy energetic particles using data from the Electron, Proton, and Alpha Monitor (EPAM) onboard the Advanced Compositional Explorer spacecraft (ACE) and geomagnetic activity using data from Canadian magnetic observatories in Canada’s polar cap, auroral zone, and subauroral zone was carried out for a period spanning 1997–2005. Full halo coronal mass ejections (CMEs) were used to gauge the initial particle enhancements and the subsequent geomagnetic activity. It was found that maximum geomagnetic activity is related to maximum particle enhancements in a non-linear fashion. Quadratic fit of the data results in expressions that can be easily used in an operational space weather setting to forecast geomagnetic disturbance quantitatively. A superposed epoch analysis shows increase in particle flux level starts hours before geomagnetic activity attains its peak, affirming the precursory nature of EPAM particles for the impending geomagnetic impact of CME. This can supplement the decision process in formulating geomagnetic warning after the launch of CME from the Sun but before the arrival of shock at Earth. The empirical relationships between solar wind low-energy energetic particles and geomagnetic activity revealed in this statistical study can be easily codified, and thus utilized in operational space weather forecast to appraise the geoeffectiveness of the CME and to provide a quantitative forecast for maximum geomagnetic activity in Canada’s polar cap, auroral zone, and subauroral zone after the occurrence of a CME.     

Prediction tests by using “ISF” method for the geomagnetic disturbances

A so-called “ISF” prediction method for geomagnetic disturbances caused by solar wind storms blowing to the Earth is suggested. The method is based on a combined approach of solar activity, interplanetary scintillation (I) and geomagnetic disturbance observations during the period 1966–1982 together with the dynamics of solar wind storm propagation (S) and fuzzy mathematics (F). It has been used for prediction tests for 37 geomagnetic disturbance events during the descending solar activity phase 1984–1985, and was presented in 33rd COSPAR conference. Here, it has been improved by consideration of the three dimensional propagation characteristics of each event, the search for the best radio source and the influence of the southward components of interplanetary magnetic fields on the geomagnetic disturbances. It is used for prediction tests for 24 larger geomagnetic disturbance events that produced space anomalies during the period 1980–1999. The main results are: (1) for the onset time of the geomagnetic disturbance, the relative error between the observation, T_obs, and the prediction, T_pred, ΔT_pred/T_obs  10% for 45.8% of all events, 30% for 78.3% and >30% for only 21.7%; (2) for the magnetic disturbance magnitude, the relative error between the observation, ∑K_p,obs, and the prediction, ∑K_p,pred, Δ∑K_p,pred/∑K_p,obs  10% for 41.6% of all events, 30% for 79% and 45% for 100%. This shows that the prediction method described here has encouraging prospects for improving predictions of large geomagnetic disturbances in space weather events.     

Signatures of strong geomagnetic storms in the equatorial latitude

Ionosonde data from two equatorial stations in the African sector have been used to study the signatures of four strong geomagnetic storms on the height – electron density profiles of the equatorial ionosphere with the objective of investigating the effects and extent of the effects on the three layers of the equatorial ionosphere. The results showed that strong geomagnetic storms produced effects of varying degrees on the three layers of the ionosphere. Effect of strong geomagnetic storms on the lower layers of the equatorial ionosphere can be significant when compared with effect at the F2-layer. Fluctuations in the height of ionization within the E-layer were as much as 0% to +20.7% compared to −12.5% to +8.3% for the F2-layer. The 2007 version of the International Reference Ionosphere, IRI-07 storm-time model reproduced responses at the E-layer but overestimated the observed storm profiles for the F1- and F2-layers.     

Local empirical model of ionospheric variability

The paper presents an analysis of the ionospheric variability as a function of local time, month, and geomagnetic activity level. The 2003–2020 dataset of peak electron densities (NmF2) from the Irkutsk DPS-4 Digisonde (52.3°N, 104.3°E) was converted into the dataset of the NmF2 disturbances (ΔNmF2) representing the relative (percentage) deviations of the NmF2 from the 27-day running median. The ΔNmF2 dataset was used to calculate root mean square values of ΔNmF2 (σNmF2) by 27-day running averaging. These σNmF2 values were considered as a measure of ionospheric variability. The σNmF2 as function of local time, day of year, and year was the input for building the local empirical model of ionospheric variability based on the linear regression of σNmF2 on the 27-day average daily Ap-index of geomagnetic activity. The paper demonstrates the diurnal-seasonal variations in σNmF2 under low geomagnetic activity (linear regression intercept) as well as the rate of increase/decrease in σNmF2 with increasing Ap (linear regression slope). The obtained diurnal, seasonal, and geomagnetic activity behavior of σNmF2 is compared with previous studies of ionospheric variability.     

磁异常干扰下基于约束策略的仿生导航方法

地磁场异常将会在导航空间中形成极值区域,扰乱磁趋性运动行为,容易造成基于搜索的地磁仿生导航方法陷入局域极小,使得载体迷失航向难以逃离异常区域,最终导致导航失败。针对这一问题,提出了一种基于行为约束策略的导航搜索方法,通过约束搜索行为强制载体扩大探索范围,进而摆脱异常区域干扰,促使载体进入正常地磁场环境。利用磁趋性统计特征与多目标函数的收敛状态构建行为约束的触发及终止条件,将磁趋性历史数据中较好的样本作为约束行为,实施导航搜索行为约束。伴随载体的移动,实现对进化种群的时序更新,最终引导载体到达目标位置,完成导航任务。仿真结果表明,该方法能够有效克服磁场异常环境对地磁仿生导航的干扰,完成导航任务,并能够有效提高远程自主导航的成功率。