电离层多源数据同化方法研究

多源数据同化是实现电离层天气现报和预报的重要途径.选择参数化电离层模型作为背景模型,基于地基全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)观测以及第二代气象/电离层气候卫星探测系统(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate 2,COSMIC 2)掩星测量,利用经验电离层模型NeQuick计算得到多源观测数据,结合水平和垂直方向分离的高斯型协方差矩阵及卡尔曼滤波方法实现了中国区域电离层多源数据同化反演.同化结果表明,多源数据同化方法能将观测资料有效地同化到背景模式中从而获得较好的同化结果.与背景模式相比,同化后得到的电离层总电子含量及电子密度误差均显著下降.     

一种融合天地基多源数据的电离层反演方法

数据融合是观测数据稀疏条件下电离层精确反演的重要技术途径.文中提出了一种融合天地基多源数据的电离层反演方法.选择地基GNSS、低轨卫星(Low Earth Orbiting,LEO)掩星、卫星信标及垂测仪等手段为观测系统,国际参考电离层(International Reference Ionosphere,IRI)为背景模型,利用改进的克里格插值及乘法代数重构方法实现多源数据的有效融合.以中国区域为例,观测系统模拟试验的结果表明:文中提出的方法能将各类观测资料有效地融合到背景模式中,反演得到的总电子含量及电子密度误差相比经验模型均有显著降低;在地基GNSS观测的基础上,融入地基垂测与天基掩星可有效提升电子密度的反演精度.相关研究结果可为中国现有电离层观测系统的优化提供科学依据.     

一种近实时全球电离层数据同化和预报系统的构建与实现

电离层天气变化正成为目前空间天气预报最重要的内容之一,建立一个可靠的、精确的电离层特征参量现报和预报系统对空间科学研究及军民用无线电信息系统保障均具有重要价值。基于国际GNSS服务组织(International GNSS Service, IGS)的地基GNSS和全球电离层无线电观测站(Global Ionospheric Radio Observatory, GIRO)数字测高仪的实时数据,以国际参考电离层(International Reference Ionosphere, IRI)模型为背景模型,采用高斯-马尔可夫-限带卡尔曼滤波同化技术,结合超大规模矩阵稀疏存储与处理方法,在云计算平台上构建完成了近实时全球电离层数据同化和预报系统(near-Real-Time Global Ionospheric Data AssiMilation and forecasting system, RT-GIDAM)。该系统具备了全球电离层TEC和电子密度的近实时(延时约5 min)、较高空间(5°×2.5°)和时间分辨率(15 min)的同化和预报功能,可为空间物理研究及相关无线电系统应用...     

基于地基GNSS和COSMIC掩星数据吸收的三维电离层电子密度重构方法

精确给出电离层的实时变化信息对现代通信和卫星导航等系统可靠应用具有非常重要的意义.为提高电离层经验模型电子密度的输出精度，提出了一种基于地基GNSS和COSMIC掩星数据吸收的三维电离层电子密度重构的新方法.以最新版国际参考电离层模型IRI-2016为背景模型，选择IG指数与Rz指数作为驱动量，采用Brent算法分两步实现了地基GNSS和COSMIC掩星数据的吸收.与欧洲区域8个垂测站实测数据的对比表明:数据吸收后模型重构的电离层N_mF₂的绝对平均误差和标准差分别下降了33%和29%；电离层h_mF₂的重构误差则分别下降了约55%和30%.对比结果验证了所提方法的精度和有效性.     

一种联合地基GNSS和测高仪数据的电离层层析成像新算法

电离层层析成像(computerized ionospheric tomography, CIT)技术是获取区域大范围电离层三维结构非常重要的手段之一. 针对单独使用地基GNSS进行三维CIT的不足,提出了一种联合地基GNSS和测高仪数据的三维CIT方法,其综合了测高仪探测电离层垂直分辨率较高和地基GNSS水平分辨率较高的优点,以测高仪数据驱动更新IRI模型,将更新后的IRI模型作为背景电离层模型,再利用改进的代数重建迭代(algebraic reconstruction technique, ART)算法结合地基GNSS TEC数据进行CIT;基于IGS、中国陆态网地基GNSS台站及全球电离层无线电观测网（global ionospheric radio observatory, GIRO）测高仪数据实现了中国及周边区域三维CIT,分别采用Madrigal TEC数据和中国区域独立的测高仪数据对CIT获取的TEC和电子密度进行评估. TEC精度评估结果表明,CIT算法的TEC平均误差和标准差相比IRI模型及CODE GIM数据均有明显降低;电子密度评估结果表明,单纯依赖地基GNSS进行CIT可以提升f_oF₂的精度但无法有效提升h_mF₂的精度,而联合测高仪数据后,电离层f_oF₂和h_mF₂的重构精度均有明显提升,其中h_mF₂的平均误差和标准差从20.6 km和16.5 km下降为14.8 km和11.7 km,说明测高仪数据对CIT垂直分辨率的提升作用明显.     

导航、电子对抗、制导

TN96 01041479奥斯特/GPS掩星与地面留达联合观测电离层电子密度的初步结果/张训械(中和阵完武汉物理与数学研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室)弃全球定位系统一2000,25(3).一1一5文章给出了1 999年10月奥斯特ZGPS掩星与日本MU雷达和数字测高仪的联合观恻结果.奥斯特掩星反演得到的电子密度剖面与地面雷达观测的进行了比较,结果表明:天基和地基雷达观测的电子密度是一致的.文章还给出利用G PS的单频信号反演电离层电子密度剖面技术和3维射线追踪技术模拟掩星结果.图4参8(许)TN96〔)飞()414吕lj上海地区G PS/STORM试验与结果…     

空间目标监视雷达大气折射修正技术研究

无线电波在大气层中传播时,大气介质的不均匀分布会对电波产生折射效应,从而影响雷达的探测精度。对于航天目标的雷达探测,影响无线电波的介质主要是电离层。本文利用实时TEC数据同化的方式,建立了电离层电子密度现报模型,实现了电离层折射率剖面的实时构建。在此基础上,利用射线描迹法完成了航天目标雷达探测的折射误差修正。结果表明,相对于单纯使用电离层经验模型-国际参考电离层(International Reference Ionosphere, IRI)模型,利用电离层同化现报模型建立的电离层折射率剖面可大大提高折射误差修正的精度。     

天地基综合观测的东日本大地震电离层异常分析

介绍了地震电离层前兆的主要特性,并给出了掩星电离层电子密度峰值位置的标高估计技术。利用天地基电离层观测数据,综合分析了2011年3月11日日本9.0级大地震发生前的电离层异常变化,发现地震前3天内电离层f0F2异常扰动、相对垂直总电子含量(VTEC)扰动以及电子密度峰值处标高(Hs)增加等多种异常现象。分析了地磁活动和太阳活动等因素后,认为其可能与地震有一定关联,表明电离层异常变化对于地震短期预报具有重要参考意义。     

P 波段雷达成像电离层效应的地面观测与校正

对于高分辨率星载P 波段SAR 系统,电离层效应对P 波段SAR 会带来一系列较为严重的误差,这些误差与电波频率和电离层积分电子总量(TEC)值关系密切,并使得图像质量下降。为了获得高质量的图像,必须对电离层误差进行校正。该文基于电离层导致的匹配滤波失配的数学模型,指出获得准确的电离层TEC 是校正的关键,提出了一种高精度的基于SAR 回波相位反演电离层TEC 的测量方法,并利用地基P 波段雷达对空间目标进行穿透电离层步进频ISAR 观测验证,实测数据处理结果表明,该方法有效提高了电离层TEC 测量精度,改善了ISAR成像质量,可适于低频段星载SAR 系统的电离层效应测量与校正应用。      

基于COSMIC掩星观测的顶部电离层标高特征分析

顶部电离层是指F2层电子密度最大值所在高度以上的电离层区域。掩星观测能够提供地面到低轨卫星轨道高度处的整个电离层电子密度剖面,对于顶部电离层的研究具有重要作用。标高是构建顶部以上电离层电子密度剖面模型的重要参数。本文使用2007—2020年的气象、电离层和气候星座观测系统(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate, COSMIC)掩星观测数据,提取有效电子密度剖面数据的顶部标高,分析了其随地方时、季节、经纬度和太阳活动水平的变化特性。结果表明：顶部标高具有明显的日变化和季节变化规律,并且表现出强烈的太阳活动依赖性;顶部标高在纬度上的变化强烈依赖于地方时,同时在东西经向上表现出明显的波状结构,且这种经度波状结构在南北半球具有不同的形态;顶部标高在夏季半球具有显著的东西经向差异,南半球夏季更为明显。     

Real-time monitoring of the ionospheric state with the use of a 3D assimilation model

The 3D assimilation ionospheric model is improved to assimilate in real time the ionospheric total electron content (TEC) measurement data from the International GNSS Service (IGS) network of ground-based stations of the global positioning system (GPS). This model makes it possible to calculate the space-time electron-concentration distributions of electrons, concentration of the seven main ions, and the temperature and velocity of electrons and ions in the ionosphere at altitudes of 100–1000 km. The model calculations of the ionospheric TEC are compared to the TEC measured on slant paths with the use of two-frequency receivers of the ground-based IGS network of stations not included into the assimilation scheme. The model calculations of ionospheric electron-concentration height profiles are compared to the data measured by an incoherent-scatter radar. It is shown that the ionospheric parameters calculated without using experimental data are in worse agreement with the radar measurement data than the results obtained with the assimilation model of the ionosphere. The model-calculated electron concentrations are compared to the data from the FORMOSAT-3/COSMIC system of medium-Earth-orbit satellites.     

基于深度学习的全球电离层TEC预测

电离层总电子含量（total electron content,TEC）是卫星时代以来最重要的电离层参数,具有重要的理论意义和应用价值. 文中提出了一种基于深度学习方法的全球电离层TEC预测模型,采用编码器-解码器结构配合卷积优化的长短时记忆（long short-term memory, LSTM）网络来实现全球TEC的空间和时间预测. 模型空间经纬度分辨率为5°×2.5°,时间精度为1 h. 地磁活动平静时的预测结果表明,模型提前1天预测的TEC全局均方根误差（root mean-square error, RMSE）小于1.5 TECU,提前7天以内预测的RMSE小于2 TECU. 在弱磁暴时期,模型预测的RMSE为2.5 TECU左右. 不同地磁活动指数以及不同纬度情况下的对比结果发现,随着预测时间以及地磁活动剧烈程度的增加,模型预测的RMSE会逐渐变大,中高纬度地区模型的预测精度优于低纬赤道地区.     

我国中纬地区卫星信号失锁现象初步研究

利用山东威海槎山站（122.296°E,36.866°N）地面GNSS电离层电子总含量(total electron content, TEC)与闪烁接收机2018—2019年的观测数据,初步探索了我国中纬度地区卫星信号失锁现象及其可能的成因。依据定义的卫星信号失锁判定标准,结合全球电离层TEC数据,展示了典型的信号失锁现象并进一步开展事件分析及初步统计研究。结果表明:在太阳活动低年,我国中纬地区地面接收机捕获到卫星信号失锁现象,其持续时间从1 min到10 min多不等;信号失锁前经常出现信噪比下降、闪烁强度增强等现象。结合相应区域的Madrigal TEC数据,初步推断电离层的等离子体密度或TEC在时间和空间上的较快减少可导致信号失锁。本文研究揭示了我国中纬度地区卫星信号失锁现象的特点及可能的形成原因,具有一定的科学意义和应用价值。     

基于掩星观测的全球低纬地区电离层不均匀体形态分析

基于气象、电离层和气候星座观测系统（Constellation ObservingSystem for Meteorology, Ionosphere and Climate, COSMIC）掩星闪烁指数观测数据,将遮掩点的位置作为电离层不均匀体出现的位置,对比分析了电离层E区不均匀体和F区不均匀体随时间、空间、太阳活动和地磁活动的变化. 发现E区闪烁主要出现于夏季半球的中纬地区;而F区闪烁主要出现于春秋季的磁赤道和低纬地区,受到地磁场的强烈控制. 除季节因素外,太阳活动对E区闪烁的影响并不是基本的,而赤道异常和赤道附近的F区闪烁受到太阳活动的显著控制:相比太阳活动低年,高年的F区闪烁强度更大,且扩展至更高的纬度. 地磁扰动时,中低纬地区电离层E区闪烁的全球分布与地磁平静时相似,但是闪烁的强度总体上略有增加,尤其是凌晨时段（00:00—06:00LT）;中低纬地区电离层F区闪烁的全球分布也与地磁平静时相似,但是闪烁强度明显增加,且扩展至更高的纬度,尤其是00:00—06:00LT及18:00—24:00LT的太平洋扇区. 两者对比表明,电离层F区闪烁对地磁活动更为敏感. 将COSMIC掩星与天基原位观测的闪烁出现率结果进行对比,发现掩星手段不仅可以反映全球尺度的电离层不均匀体变化特征,包括它随季节/经度、地方时、太阳活动和地磁纬度的变化,而且可以反映电离层不均匀体随高度的变化,这是以往的观测手段难以拥有的.     

Ionospheric tomography using GNSS reflections

We report a preliminary analysis of the impact of Global Navigation Satellite System Reflections (GNSS-R) data on ionospheric monitoring over the oceans. The focus is on a single polar Low Earth Orbiter (LEO) mission exploiting GNSS-R as well as Navigation (GNSS-N) and Occultation (GNSS-O) total electron content (TEC) measurements. In order to assess impact of the data, we have simulated GNSS-R/O/N TEC data as would be measured from the LEO and from International Geodesic Service (IGS) ground stations, with an electron density (ED) field generated using a climatic ionospheric model. We have also developed a new tomographic approach inspired by the physics of the hydrogen atom and used it to effectively retrieve the ED field from the simulated TEC data near the orbital plane. The tomographic inversion results demonstrate the significant impact of GNSS-R: three-dimensional ionospheric ED fields are retrieved over the oceans quite accurately, even as, in the spirit of this initial study, the simulation and inversion approaches avoided intensive computation and sophisticated algorithmic elements (such as spatio-temporal smoothing). We conclude that GNSS-R data over the oceans can contribute significantly to a Global/GNSS Ionospheric Observation System (GIOS).     

Correction of single frequency altimeter measurements forionosphere delay

This study is a preliminary analysis of the accuracy of various ionosphere models to correct single frequency altimeter height measurements for ionospheric path delay. In particular, research focused on adjusting empirical and parameterized ionosphere models in the parameterized real-time ionospheric specification model (PRISM) 1.2 using total electron content (TEC) data from the Global Positioning System (GPS). The types of GPS data used to adjust PRISM included GPS line-of-sight (LOS) TEC data mapped to the vertical, and a grid of GPS derived TEC data in a Sun-fixed longitude frame. The adjusted PRISM TEC values, as well as predictions by IRI-90, a climatological model, were compared to TOPEX/Poseidon (T/P) TEC measurements from the dual-frequency altimeter for a number of TIP tracks. When adjusted with GPS LOS data, the PRISM empirical model predicted TEC over 24 1 h data sets for a given local time to within a global error of 8.60 TECU rms during a midnight centered ionosphere and 9.74 TECU rms during a noon centered ionosphere. Using GPS derived sun-fixed TEC data, the PRISM parameterized model predicted TEC within an error of 8.47 TECU rms centered at midnight and 12.83 TECU rms centered at noon. From these best results, it is clear that the proposed requirement of 3-4 TECU global rms for TOPEX/Poseidon Follow-On will be very difficult to meet, even with a substantial increase in the number of GPS ground stations, with any realizable combination of the aforementioned models or data assimilation schemes     

利用仿真方法研究三频信标技术

为了探究三频信标反演高精度电离层电子浓度总含量（total electron content, TEC）的理论过程并分析不同观测误差对反演精度产生的影响,通过仿真卫星信号多普勒频移的方法来进行三频信标技术反演TEC的研究.通过已知的卫星轨道坐标、接收站坐标、卫星高度角与电离层背景信息,利用信号传播规律,仿真得到信号传播过程中的多普勒频移信息,解算出相对TEC;再利用多站法估计相位积分常数,解算双频绝对TEC;而后利用多普勒相移小数部分与三频相位积分常数结合,解算高精度三频TEC.将反演的三频TEC值与先验背景电离层TEC值进行比对,在6°观测误差的情况下,三频反演的TEC差值相对平均值在4.5%以内,相对RMS在6%以内,结果表明三频信标技术可以有效提高TEC反演精度.