Some Investigations on the Ionosphere during 2012–2014 in China

In this national biannual report, we will outline some recent progresses in ionospheric studies conducted by Chinese scientists since 2012. The mentioned aspects include: the solar activity control of the ionosphere; couplings between the ionosphere, lower atmosphere and plasmasphere;ionospheric climatology and disturbances; ionospheric irregularities and scintillation; models, data assimilation and simulations; unusual phenomena of the ionosphere; possible seismic signatures presented in ionospheric observations, and some methodology progresses. These progresses will enhance our ability to observe the ionosphere, provide more reasonable understanding about the states of the ionosphere and underlying fundamental processes, and stimulate ionospheric modeling, forecasting and related applications.     

高精度地磁场模拟系统的设计与研究

根据地磁导航半实物仿真中磁场环境仿真需求,建立了高精度地磁场模拟系统,通过试验说明了系统中建立零磁空间的必要性并验证了磁屏蔽筒的屏蔽效果,同时对系统的准确性和实时性进行了试验研究。仿真结果表明,在考虑响应时间的前提下,系统能够准确实时地模拟飞行航迹上的地磁总场值,能够为地磁匹配导航半实物仿真提供真实可信的磁场仿真环境。     

影响卫星故障的空间天气分析

基于美国国家地球物理数据中心(NGDC) 2384例和中国19颗卫星的263例卫星故障信息, 结合1963-2012年小时平均的多种空间环境数据, 定量分析了三种卫星故障发生期间的空间要素特征, 探讨单粒子锁定(SEU)、表面充电致静电放电(ESD)和内部深层充电所致电子引起的电磁脉冲(ECEMP)与空间天气事件的可能联系, 得出以下主要结论. (1)大部分SEU和ECEMP发生于空间天气平静时, 但在其前后3日内地磁活动达到了磁暴水平, 相对来说比例最大的发生在Dst_min之后第3日 (48～72h). (2) ESD受地磁活动和高能电子通量影响明显. 与磁暴、相对论电子通量增强事件的季节性相对应, 两分点附近ESD和ECEMP的发生率高; 93.6% 的 ESD发生前后72h内地磁活动达到磁暴水平, 故障发生时间均匀分布在 Dst_min前0～48h 和后0～24h; 54.9%的ESD 发生时处于地磁暴期(Dst <-30nT), 以-50～-30nT的小磁暴水平居多; 40.6%的ESD发生于高能电子通量高水平期(≥ 103pfu, 1pfu =1cm-2·s-1·sr-1), 81.9%的ESD发生前后72h 内高能电子通量峰值≥ 103pfu, 发生率最高时段为电子通量峰值前 48～72h. (3)高能电子对中国同步轨道卫星的SEU影响明显, 42.5% 故障发生 时高能电子通量≥ 103pfu, 故障在峰值前48～72h和峰值后48～72h 的发生概率相当, 约为23.0%. (4)同步轨道卫星SEU受太阳质子事件的影响相对较大, 22.5%的中国同步轨道卫星故障发生前后72h内发生了太阳质子事件, 季节性不明显.      

基于MRPs/NPUPF的地磁/加速度计测量的姿态估计新方法

针对现有基于地磁/加速度计的姿态估计算法存在状态误差协方差阵的奇异值和需要准确已知当地地磁矢量的问题,提出了一种新的姿态估计基本方法。该方法采用修正罗德里格参数(MRPs)表示系统动态,消除了采用四元数法导致的状态误差协方差阵的奇异值问题;根据地磁场缓变的特性,将地磁矢量作为平稳过程加入到状态变量中,使得姿态估计不再需要准确已知当地地磁矢量。针对大初始误差和有色噪声对基本方法的影响,通过引入模型误差预测(NPF)和无迹粒子滤波(UPF)方法对其进行改进,提出了基于模型预测无迹粒子滤波(NPUPF)的地磁/加速度计的姿态估计新方法。仿真结果表明,NPUPF方法可在大初始误差和非高斯条件下实现高精度的姿态估计,提高了基于地磁/加速度计的姿态估计方法的可靠性和实用性。
     

高维寻优ICP算法及其在地磁辅助导航中的应用

利用地磁场特征进行辅助导航是目前组合导航技术的重要研究方向.地磁导航可采用基于ICP算法的匹配定位来限制推算定位或惯性系统时间增长带来的位置误差.ICP算法使用的前提是初始误差较小,当初始误差较大时,最近点的计算容易落入伪目标点,导致该算法不再适用.针对ICP算法的这种缺陷,本文利用地磁场特征量的高维特性,提出在最近点...     

利用行星际监测数据进行地磁暴预报

利用全连接神经网络方法应用于地磁Dst指数的预报中.对ACE卫星探测的太阳风和行星际磁场及其变化对未来几小时的Dst指数的影响进行了统计分析,发现在这些行星际实测参数中,对Dst指数作用较为明显的是太阳风速度、太阳风质子密度和行星际磁场南向分量,同时,当前Dst指数实测值对今后几小时的Dst指数已有很强的制约作用.在统计分析的基础上,建立了全连接神经网络预报模型.由于采用了全连接神经网络结构,模式能够反映出太阳风、行星际磁场等参数与地磁Dst指数参数的复杂联系,可以自动建立输入参量的最佳组合方式,提高了预报精度.通过利用大量实测数据对神经网络模式进行训练,最终建立了利用优选的ACE卫星行星际监测数据提前2 h对Dst指数进行预报.通过检测,预报的误差为14.3%.      

冕洞特征参数与地磁暴强度及发生时间统计

地磁暴是空间天气预报的重要对象.在太阳活动周下降年和低年,冕洞发出的高速流经过三天左右行星际传输到达地球并引发的地磁暴占主导地位.目前地磁暴的预报通常依赖于1AU处卫星就位监测的太阳风参数,预报提前量只有1h左右.为了增加地磁暴预报提前量,需要从高速流和地磁暴的源头即太阳出发,建立冕洞特征参数与地磁暴的定量关系.分析了2010年5月到2016年12月的152个冕洞-地磁暴事件,利用SDO/AIA太阳极紫外图像提取了两类冕洞特征参数,分析了其与地磁暴期间ap,Dst和AE三种地磁指数的统计关系,给出冕洞特征参数与地磁暴强度以及发生时间的统计特征,为基于冕洞成像观测提前1～3天预报地磁暴提供了依据.      

2005年8月24日强磁暴事件对高层大气密度的扰动

对2005年8月24日发生的突发型强磁暴(Kp峰值达到9)事件,利用星载大气密度探测器在轨实时的连续探测数据进行了处理和分析.结果表明,此次强磁暴事件期间,引起560 km高度附近大气密度剧烈扰动,并存在着两种响应过程.一种是跟随地磁扰动程度变化的全球性大气密度涨落变化,响应时间滞后6h左右, 最大涨落变化比为2.5;另一种为磁暴峰期出现在高纬地区的大气密度突发性跃增,增变比高达5.5.后者存在着区域上的不对称性及时间上的突发性和增幅的差异.此次强磁暴峰期还同时出现了南北半球高纬地区的大气密度跃增双峰.同时还表明这种增变峰可能存在着由高纬向低纬地区迅速推移的现象,在中纬地区推移速度可达15°/h(纬度)左右.      

World grid of cosmic ray vertical cut-off rigidity for the last decade

Cosmic ray cut-off rigidity tables and maps over the world concerning the epochs 2010, 2015 and the current one 2020 have been constructed. These maps display the effective cut-off rigidity in every five degrees in latitude and in longitude at the altitude of 20 km above the surface of the international reference ellipsoid. The values of the geomagnetic cut-off rigidity were calculated in every 5° in latitude and in every 15° in longitude applying the well-known method of particle trajectory calculations resulted from the theory of the particle motion in the Earth's magnetic field. The applied software employed the 12th Generation of the International Geomagnetic Reference Field (IGRF 12) and trajectories were calculated at 0.01 GV intervals in order to determine the vertical cut-off rigidity for each location. Beyond the use of the calculated cut-off rigidity values as a basic reference of charged particle access to different geographical locations during quiet and/or more intense geomagnetic periods, these results can be used for a long- term forecasting of the geomagnetic conditions variations.     

Effects of variations of geomagnetic field on VLF waves induced by beating of two HF waves

Beat wave (BW) high frequency (HF) ionospheric heating experiments were conducted to generate very low frequency (VLF) waves. The VLF waves were registered with a VLF receiver located ～15?km east of the European Incoherent Scatter (EISCAT) heating facility in Tromsø, Norway. A fluxgate magnetometer was used to monitor auroral electrojet current, and ionospheric conditions were measured using a Dynasonde. Correlation coefficients between VLF amplitudes and the deviation of geomagnetic north–south components were calculated. Experimental results show that strong and positive correlation exists the majority of the time, but sometimes no correlation or even a negative correlation occurred. This is consistent with similar past experiments that took place with exclusively AM generation. These results therefore support the conclusion that BW generation of VLF waves is no different than with AM, likely occurring in the D or lower E ionospheric region.