电离层不规则结构对GPS性能的影响

电离层不规则结构的存在可引起无线电信号的幅度和相位发生随机起伏, 这 种电离层闪烁现象会影响全球定位系统(Global Positioning System, GPS)的 性能, 降低定位精度, 严重时导致信号失锁. 电离层不规则结构对GPS性能的 影响涉及电离层物理、接收机设计和表征卫星几何分布的精度衰减因子(Dilution of Positioning, DOP)等多方面因素. 本文通过对表征电离层不规则结构参数 的分析, 根据GPS接收机跟踪环路和闪烁信号模型, 综合研究了电离层闪烁对 GPS接收机载波跟踪环和码跟踪环跟踪误差的影响; 结合实际观测, 评述 了电离层不规则结构对单频和双频GPS接收机定位性能的影响, 在此基础上 提出了有待深入研究的问题及具体建议.      

通过GPS测量数据研究电离层电子总含量的逐日变化

提出了一种直接通过双频GPS伪距测量数据导出接收站附近垂直TEC的方法,这种方法不需要事先知道卫星和接收机电路时延的精确值,前者可在换算过程中自洽地加以修正,而接收机时钟误差则利用IRI模式的夜晚平均值作为参考来订正,这一订正存在一定的绝对误差,但不会影响逐日相对变化,却使数据处理过程大为简化.得到的垂直TEC为天顶周围60锥角内的平均值,能够相当好地反映电离层电子总含量的周日变化.一个计算实例显示了连续三天北京地区TEC的日变化情况,证实了这一方法的实用性.文中还提出一个新概念或问题,即GPS卫星仰角很小时,通常认为多径效应造成大的误差,本文的一些实例似乎表明,这种多径效应的概念应当包括电离层不规则结构的贡献.     

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信距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伪距观测是的异常抖动，特别是日落后时段GPS伪距观测量的散开十分严重的乐是个别的偶然现象，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。本文仅就单站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设备比较简便，数据量大，精度高，适用于各种环境等特点，我们发展的单站数据分析方法可能会对研究电离层TEC夜间涨落异常增加现象，包括地域，时间上的统计特性比较有利。     

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.      

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GPS信号的电离层S4指数计算方法研究

电波穿越电离层时,由于受到电离层不均匀结构的影响,电波的幅度、相位、时延等有时会发生快速抖动,这就是所谓的电磁波电离层闪烁现象.电离层闪烁会影响卫星通信系统的质量和导航系统的精度.本文分析了GPS信号研究电离层闪烁的基本原理,讨论了电离层闪烁监测中S4指数的计算方法及其修正方法.通过数据模拟,评估了原始S4指数计算方法及其修正方法的性能特点.针对原始S4指数计算方法及修正方法的不足,提出了一种新的修正方法,并采用实测GPS数据对上述方法进行了检验.结果表明,上述方法是有效的和可靠的.      

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.      

基于GPS的广州地区电离层不规则体纬向漂移速度计算分析

利用广州站组建的两台短间距GPS电离层闪烁监测仪的观测数据, 分别对GPS卫星信号强度用功率谱和短间距台链互相关性两种方法计算了3次闪烁事件电离层不规则体的漂移速度. 分析结果表明, 同一不规则体会引起两台站闪烁事件的同时发生, 两种方法测量不规则体漂移速度通常在50～160m/s之间, 平均大小均在120m/s左右, 且纬向漂移速度在闪烁初期起伏较明显, 速度随闪烁时间有下降的趋势, 夜间纬向漂移方向由西向东, 广州地区漂移速度特性符合低纬其他地区不规则体漂移速度特征, 两种计算方法合理有效.      

磁暴期间中国中低纬电离层不规则体与扰动分析

2017年9月8日发生了一次强磁暴,Kp指数最大值达到8.利用区域电离层格网模型（Regional Ionosphere Map,RIM）和区域ROTI（Rate of TEC Index）地图,分析了磁暴期间中国及其周边地区电离层TEC扰动特征和低纬地区电离层不规则体的产生与发展情况,同时利用不同纬度IGS（International GNSS Service）测站BJFS（39.6°N,115.9°E）,JFNG（30.5°N,114.5°E）和HKWS（22.4°N,114.3°E）的GPS双频观测值,获取各测站的ROTI和DROT（Standard Deviation of Differential ROT）指数变化趋势.结果表明:此次磁暴发生期间电离层扰动先以正相扰动为主,主要发生在中低纬区域,dTEC（differential TEC）最大值达到14.9TECU,随后电离层正相扰动逐渐衰减,在低纬区域发生电离层负相扰动,dTEC最小值达到-7.2TECU;在12:30UT-13:30UT时段,中国南部低纬地区发生明显的电离层不规则体事件;相比BJFS和JFNG两个测站,位于低纬的HKWS测站的ROTI和DROT指数变化更为剧烈,这表明电离层不规则体结构存在纬度差异.      

基于星载AIS数据的TEC测量方法

基于星载船舶自动识别系统（AIS），提出一种计算全球电离层电子总含量（TEC）的方法。通过在卫星上搭载两个相互垂直的线极化天线，测量AIS信号穿过电离层时的法拉第旋转角，再通过法拉第旋转角与TEC的关系估算TEC。基于天拓五号卫星的AIS数据进行了实验验证，并分析了硬件设备误差和观测参数误差对结果造成的影响。实验表明，本方法测量出的TEC值与基于全球定位系统（GPS）测量的TEC值差值平均为0.762 TECU，证明了此方法的可行性。与现有的TEC测量方法相比，该方法只需利用现有的AIS系统，无需部署地面站，可大幅提高数据更新速率。      

不同太阳活动条件下电离层形态对估算GPS系统硬件延迟的影响

利用两个中纬度台站GPS观测数据提取的GPS卫星硬件延迟,分析了不同太阳活动情况下估算的硬件延迟稳定性和统计特征,结合同期电离层观测数据,研究了电离层状态对硬件延迟估算结果的影响.研究结果表明,基于太阳活动高年(2001年)GPS观测数据估算的硬件延迟稳定性要低于太阳活动低年GPS观测数据的估算结果,利用2001年GPS数据估算的卫星硬件延迟年标准偏差(RMS)平均值约为1TECU,而2009年GPS数据估算的卫星硬件延迟年标准偏差平均值约为0.8TECU.通过对2001年和2009年北京地区电离层F₂层最大电子密度(N_mF₂)变化性分析,结合GPS硬件延迟估算方法对电离层时空变化条件的要求,认为硬件延迟稳定性与太阳活动强度的联系是由不同太阳活动条件下电离层变化的强度差异引起的.      

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GPS TEC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。     

利用人工神经网络提前1h预报电离层TEC

提出了一种利用人工神经网络提前1h预报电离层TEC的简便方法. 考虑到实际工程应用要求, 没有使用其他空间天气参数, 而是选择电离层TEC观测数据本身作为输入参数. 输入参数为当前时刻TEC、一阶差分、相对差分和时间, 输出参数为预报时刻TEC. 利用文中介绍的GPS/TEC处理方法解算厦门站2004年电离层TEC观测数据, 对预报方法进行评估, 全年平均相对误差为9.3744%, 预报结果与观测值相关性达到了0.96678. 结果表明, 利用人工神经网络方法提前1h预报电离层TEC有很好的应用前景.      

Higher order ionospheric propagation effects on GPS radio occultation signals

With the increasing number of remote sensing satellites using the GPS radio occultation technique for atmospheric sounding, the estimation of higher order ionospheric effects and their mitigation have become relevant and important. Due to long ionospheric limb paths, GPS signals are strongly affected by ionospheric refraction during radio occultation. Standard dual-frequency GPS measurements may be used to estimate the first order term of the refractive index. However, non-linear terms such as the second and third order ionospheric terms and ray path bending effects are not considered in occultation measurements so far. Analysing selected CHAMP–GPS occultation events different higher order ionospheric terms are estimated and their effects on dual-frequency range estimation and total electron content (TEC) estimation are discussed. We have found that the separation between the GPS L1 and L2 ray paths exceeds the kilometer level during occultation for a vertical TEC level of more than 160 TEC units. Corresponding errors in the GPS dual-frequency range estimation and TEC estimation are found to exceed the meter and 10 TEC units level, respectively.     

WAAS系统中电离层折射校正的新方法及计算结果

电离层介质的色散性是影响电磁波信号进行卫星导航定位精度的重要因素之一.配合北斗二代分系绩研制任务,提出了一种新的电离层折射校正算法,并利用2000年7月1日到3日的双频GPS观测数据对6个用户站进行试算,进一步将试算所得均方根误差和电离层网格算法得到的误差进行比较.结果表明,对于中纬区域的用户站,估算的TEC误差约为0.5 m左右;而低纬用户误差相对增大,为1 m左右.文中给出的算法与电离层网格模型所提供的精度相差不多,在未来中国自主的卫星增强系统中采用新方法进行电离层进行修正是可行的及有效的.      

Ionospheric effects of the solar flares as deduced from global GPS network data

Results derived from analysing the ionospheric response to faint and bright solar flares are presented. The analysis used novel technology of a global detection of ionospheric effects from solar flares as developed by the authors (Afraimovich, 2000a; Afraimovich, 2000b), on the basis of phase measurements of the total electron content (TEC) in the ionosphere using an international GPS network. The essence of the method is that use is made of appropriate filtering and a coherent processing of variations in the TEC which is determined from GPS data, simultaneously for the entire set of visible GPS satellites at all stations used in the analysis. This technique is useful for identifying the ionospheric response to faint solar flares (of X-ray class C) when the variation amplitude of the TEC response to separate line-on-sight (LOS) is comparable to the level of background fluctuations. The dependence of the TEC variation response amplitude on the flare location on the Sun is investigated.     

Global characteristics of ionospheric electric fields and disturbances during the first hours of magnetic storms

The ionospheric plasma density can be significantly disturbed during magnetic storms. In the conventional scenario of ionospheric storms, the negative storm phases with plasma density decreases are caused by neutral composition changes, and the positive storm phases with plasma density increases are often related to atmospheric gravity waves. However, recent studies show that the global redistribution of the ionospheric plasma is dominated primarily by electric fields during the first hours of magnetic storms. In this paper, we present the measurements of ionospheric disturbances by the DMSP satellites and GPS network during the magnetic storm on 6 April 2000. The DMSP measurements include the F region ion velocity and density at the altitude of ∼840 km, and the GPS receiver network provides total electron content (TEC) measurements. The storm-time ionospheric disturbances show the following characteristics. The plasma density is deeply depleted in a latitudinal range of ∼20° over the equatorial region in the evening sector, and the depletions represent plasma bubbles. The ionospheric plasma density at middle latitudes (20°–40° magnetic latitudes) is significantly increased. The dayside TEC is increased simultaneously over a large latitudinal range. An enhanced TEC band forms in the afternoon sector, goes through the cusp region, and enters the polar cap. All the observed ionospheric disturbances occur within 1–5 h from the storm sudden commencement. The observations suggest that penetration electric fields play a major role in the rapid generation of equatorial plasma bubbles and the simultaneous increases of the dayside TEC within the first 2 h during the storm main phase. The ionospheric disturbances at later times may be caused by the combination of penetration electric fields and neutral wind dynamo process.     

Ionospheric disturbance associated with radiation accidents of Fukushima I nuclear power plant damaged by the M9.0 2011 Tohoku Earthquake

Transient ionospheric disturbances in the total electron content (TEC) are examined before and after the M9.0 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake to find ionospheric responses to the radiation caused by Fukushima I nuclear power plant accident, which was damaged by the earthquake and tsunamis. The TEC is derived from records of a ground-based receiving network of GPS Earth Observation Network (GEONET) in Japan. Both small enhancement and disturbance of TEC were detected over the nuclear power plant after the radiation was suddenly enhanced on March 14 of 2011, while similar signatures were not detected in the other sudden radiation enhancements. Further, no continuous enhancement and disturbance lasting for more than an hour were observed over the nuclear power plant. Therefore, the results indicate that radioactive materials may not cause the ionospheric disturbance or disturb the ionosphere in highly specific circumstance even if such effects exist.