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.     

基于多手段观测的海口站电离层闪烁对地磁暴响应研究

联合利用CHAMP卫星等离子体密度就位观测数据和海口站GPS电离层闪烁监测仪数据，分析了2004年1月、2月和11月三次地磁暴期间海口站的电离层闪烁特征.我们发现海口站电离层对3次磁暴事件的响应特征明显不同.就磁暴期间B_z分量和Dst指数的观测值来说，2004年11月的磁暴事件最强，其次是1月的，2月的最弱.而地基闪烁监测仪的观测结果表明:1月磁暴事件期间，L波段电离层闪烁最强，闪烁指数S₄最大值接近于1.0，闪烁出现率的最大值超过80%；2月磁暴事件期间，电离层闪烁持续时间最长，S₄最大值接近于1.0，闪烁出现率的最大值接近63%；11月磁暴主相和恢复相期间，无电离层闪烁现象出现.CHAMP卫星和地面闪烁监测仪观测到的结果一致，表明多重尺度的电离层不均匀体通常同时存在，但是小尺度的电离层不规则体通常会先消失.对比上述三次实验的观测结果，我们推断造成电离层响应特征差异的原因与环电流的影响有关，Aarons准则可较好地解释电离层对3次磁暴事件的响应.同时跨赤道风场可能也有贡献，它通过增加沿场向积分的Pedersen电导率，降低了R-T不稳定性，从而抑制了电离层闪烁的发生.     

太阳活动低年(2005—2007)期间中国低纬地区电离层foF2变化特性

利用2005—2007年广州、海口和重庆三个台站的f_oF₂数据,研究了f_oF₂日变化、季节变化和f_oF₂随太阳活动的变化规律,以及空间天气事件如磁暴对f_oF₂的影响.结果发现:f_oF₂的日变化规律体现在日出前出现最小值,海口和广州两站在14:00—16:00出现最大值,重庆站在12:00—14:00出现最大值;春秋季f_oF₂均值高于夏冬季节,春季高于秋季,冬季高于夏季（重庆站不明显）;从2005年开始,临频值整体下降,与太阳黑子数呈现正的线性关系;在2005-08-24开始的磁暴期间在磁暴的主相发生f_oF₂的正向扰动,在磁暴发生的第二天f_oF₂整体呈现负向扰动.综合以上信息可知,我国低纬地区可以划分为赤道异常区和非赤道异常区,两个地区f_oF₂有所相似但仍有不同,应结合太阳活动具体分析.     

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.     

一种新的电离层区域重构方法

针对以电离层模型为参考的电离层重构算法对模型依赖性强、计算复杂、适应性不强的问题，提出了一种不依赖于参考模型的电离层区域重构算法，其仅依靠区域内的采样数据对区域电离层分布进行重构.该算法首先根据重构区域覆盖范围内分布的多个垂测站实测的f_cF₂，构造经度因子、纬度因子与f_cF₂关系式，重构出区域内任一点的f_cF₂；然后选取一个垂测站为基准，构造基准站f_cF₂、f_cF₁与重构对应点的f_cF₂扩展因子的关系式，以及重构距离点上任一高度上的等离子体频率与扩展因子、基准站f_cF₁的关系式，通过该扩展因子及关系式即可得到区域内的电子浓度情况.与均匀电离层假设下合成的斜测描迹相比，本文重构方法合成的斜测描迹更接近真实值，且试验表明其进一步提升了电离层重构的精度.     

一种基于分步线性最优估计的全球中低纬区域电离层foF2重构方法

电离层F₂层临界频率f_oF₂是短波通信、探测和电子对抗等领域最为重要的应用参数之一. 针对全球范围内电离层测高仪分布较为稀疏的特点,基于全球电离层无线电观测站（Global Ionospheric Radio Observatory,GIRO）的测高仪实测数据,采用分步线性最优估计方法对电离层CCIR/URSI系数进行调整,实现了全球中低纬区域电离层f_oF₂的重构. 对2010—2016年的电离层f_oF₂重构结果进行分析,结果表明:在纬度变化上,中纬区域重构误差要低于低纬区域;在年变化上,重构的绝对误差和均方根误差有随太阳活动强度增强而增大的趋势,重构的相对误差无明显年变化;在季节变化上,夏季重构误差最小,其他三个季节相差不大;在地方时变化上,白天的重构误差低于夜间. 总体而言,相比于国际参考电离层(international reference ionosphere,IRI)模型,电离层f_oF₂重构的绝对误差和均方根误差分别下降了约38%和34%,验证了本文方法的有效性和可靠性.     

TIEGCM与IRI在中国垂测站的预测性能比较

TIEGCM（Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model）是NCAR/HAO（The High Altitude Observatory at the National Center for Atmospheric Research）开发的一个三维时变全球尺度电离层-热层耦合数值模式.我们将该模式的输出参数h_mF₂与经验模式国际参考电离层（International Reference Ionosphere,IRI）-2016的结果以及中国地区12个电离层测高仪的h_mF₂观测数据进行了对比,给出了TIEGCM模式在地磁活动平静条件下中国区域不同季节的预测性能分析.总体来看,TIEGCM模式在所有观测站都表现良好,一定程度上能很好地进行中国区域电离层h_mF₂参量研究.且TIEGCM模拟电离层变化的性能比IRI要高25%左右,能在一定程度上进行电离层半年异常和赤道异常模拟.但无论是与IRI模型还是与观测相比,TIEGCM模式均存在一定的误差.并且误差在低纬地区以及日出日落时段波动较大,这些结果为我们以后进行潜在的模式精度控制提供了理论依据.     

拉萨地区电离层长期变化特性研究

电离层环境变化对电子信息系统有重要影响,因此电离层变化特性研究具有重要意义.文中根据拉萨电波环境观测站30余年数据,研究了拉萨地区电离层F层临界频率f_oF₂、F层底高h'F、Es层临界频率f_oEs的日变化、季节变化和长期变化情况,得到一些有意义结论:电离层f_oF₂全年均值介于3~11 MHz,日变化显著,季节变化明显,随太阳活动变化幅度较大;电离层h'F全年均值介于200~420 km,日变化显著,随季节变化不明显,与太阳周期变化呈正相关关系;电离层f_oEs全年均值介于1~7 MHz,日变化显著,季节变化显著（夏季明显高于其他季节）,太阳周期变化不明显.研究电离层环境的长期变化特性,获取电离层参数长期变化规律,对通信导航、航天器等装备的设计和运行维护具有重要意义.     

暴时行星际穿透电场与电离层效应的卫星观测

联合利用Geotail卫星、ROCSAT-1卫星和DMSP卫星等观测数据,分析了2000年7月15-16日超强磁暴期间行星际穿透电场的特征及低纬电离层响应。研究得到以下主要结果:1)磁暴主相期间,位于近地太阳风中的Geotail卫星观测到行星际电场晨昏分量迅速增强达60 mV/m,与此同时,ROCSAT-1卫星在低纬电离层中几乎即时地观测到垂直于磁场的离子向上漂移速度达300 m/s以上,表征行星际电场穿透至低纬电离层。分析表明:在正午和黄昏扇区穿透电场为东向,引起低纬电离层离子向上漂移,穿透效率约为13-19%;而在午夜前扇区,穿透电场极性相反,使离子向下漂移,穿透效率高达30%;行星际电场穿透持续时间达3小时以上。2)磁暴期间,低纬电离层发生剧烈变化。GPS/TEC观测显示美洲扇区黄昏附近的中纬度电离层发生SED现象、同时DMSP卫星观测到纬度范围大大扩展的电子密度深度耗空的赤道区等离子体槽、ROCSAT-1卫星观测到暴时离子密度变化呈现较复杂的图像。     

中低纬度低电离层物理模型构建研究

从粒子连续性方程出发，考虑电离、复合、附着等物理过程，初步建立了一个中低纬度地区低电离层（60~120 km）稳态物理模型.该模型涉及145个离子化学反应，能够给出23个正离子、11个负离子、12种中性粒子及电子密度分布.模拟结果表明:NO+及水化聚合离子NO+（H₂O）_n、H+（H₂O）_n等是低电离层正离子的主要成分；以CO₃-及O₃-为主的负离子成分仅在80 km以下高度占优，导致在较低高度电子密度远小于离子密度.以100°E不同纬度（5°N、25°N、45°N）为例，与国际参考电离层（international ionosphere reference 2016，IRI-2016）模型进行比较，结果表明该物理模型能够较好地描述中低纬度低电离层电子密度随高度变化、周日变化等形态学特征.     

基于多分辨率GPS层析技术的电离层暴时LSTID特征研究

利用GPS电离层层析技术探测电离层已经有了数十年的发展，特别在电离层暴时有着独特的优势.文章基于一种多分辨率层析算法，并结合美国东西部地区部分GPS地面数据对2015年3月16日-17日出现的电离层暴进行重构.首先，借助独立的测高仪数据验证多分辨率层析技术对电子密度反演的精度结果，同时也证实了电离层暴时多分辨率层析算法的适用性.其次，通过对美国东部地区2015年3月17日磁扰动最强烈时段的电离层重构，检验由磁暴引起的大尺度电离层行扰（large-scale travelling ionospheric disturbance，LSTID）的存在，并利用总电子含量（total electron content，TEC）数据分析此次电离层行扰的水平特征.同时，通过与非相干散射雷达（incoherent scatter radar，ISR）观测值的对比，借助反演得到的电子密度剖面信息讨论电离层行扰在垂向上的特征.结果表明:此次LSTID的波长为1 200 km左右，周期为50~60 min，以350~400 m/s的波速向西南方向传播，并且电离层行扰（travelling ionospheric disturbance，TID）的垂向电子密度具有较可靠的精度.     

高低纬地区电离层扩展F暴时特性比较研究

不同纬度地区电离层扩展F的对比分析是研究电离层扰动传播的一个重要方法。本文利用三个台站六个磁暴期间的扩展F数据,对高低纬地区电离层扩展F暴时特性进行了对比研究。结果表明,高低纬地区观测到的扩展F类型不完全相同,并且扩展F的起始时刻随着纬度降低而推迟,这表明产生扩展F的电离层扰动是从高纬向低纬地区传播的。     

2004年11月强磁暴期间中国地区电离层TEC扰动特性分析

利用28个全球定位系统(Global Positioning System, GPS)观测站获取的电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)测量数据, 分析了2004年11月一次强磁暴期间的中国中低纬地区电离层TEC暴扰动特性, 结果表明:电离层TEC以正相暴扰动响应为主, 中纬地区的暴变扰动要强于低纬, 以北纬35°附近扰动最为强烈; 暴时电离层空间相关性变强, 电离层相关距离由宁静日的约5 500 km提升到暴变日的约8 000 km; 在8日的主暴扰动期间, 发现伴有自东北向西南的电离层TEC暴扰动传播, 自东向西的经向传播速度约为120 m/s, 要高于纬向传播.初步探讨表明, 向赤道中性风、日侧东向急剧穿透电场以及喷泉效应等可能是导致此次电离层TEC正相暴在北纬35°附近扰动最为强烈的关键因素, 也进一步揭示了电离层与太阳风、磁层之间以及电离层不同纬度区之间有着复杂的耦合过程.     

一种基于离散余弦变换-惩罚最小二乘回归的区域高分辨率电离层TEC地图重构方法

高时空分辨率的电离层TEC地图对中小尺度电离层扰动的分析和建模具有重要的应用价值. 利用中国大陆构造环境监测网络和国际GNSS服务(international GNSS service, IGS)的地基GNSS监测数据,基于离散余弦变换-惩罚最小二乘回归（discrete cosine transform and penalized least square regression, DCT-PLS）算法,实现了区域高时空分辨率(1°×1°×15 min)电离层TEC地图的重构. 通过与2014年和2018年部分Madrigal高精度TEC数据的对比结果表明,DCT-PLS算法给出的垂直TEC一致性和稳定性相比欧洲定轨中心（Center for Orbit Determination in Europe,CODE）的全球TEC地图(global ionospheric map, GIM)数据有明显提升,其中TEC平均误差由3.9 TECU下降为2.0 TECU,标准差由3.7 TECU下降为2.7 TECU. 对2017-09一次磁暴期间的电离层重构结果表明,本文算法能够较好地再现磁暴期间电离层精细化的扰动结构特征,相关研究结果可为实现区域高分辨率电离层监测和应用提供技术支撑.     

基于BDS/GPS数据的中国及周边地区电离层暴层析成像研究

随着我国BDS的逐步建成,其在电离层监测上的应用也在逐步拓展. 凭借卫星类型多样性的特点,BDS卫星数据在电离层监测上可能比GPS卫星带来更多的优势,但能否改进电离层层析成像结果仍值得进一步研究. 文中基于GPS数据电离层层析算法,把BDS中的地球同步轨道（geosynchronous orbit, GEO）卫星、倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous orbit, IGSO）卫星和中轨轨道（medium earth orbit, MEO）卫星数据与GPS数据融合,对2017-09-07—09电离层暴期间中国及周边地区（15～55°N, 70～140°E）上空电离层进行重构. 首先借助SA418和WU430测高仪数据分别讨论了单星座（GPS）与双星座（GPS+BDS）层析对电子密度反演的精度结果;其次对2017-09-08两个扰动最强烈时段的电离层成像结果,包括电子密度剖面图与总电子含量（total electron content, TEC）分布图进行深入研究. 研究结果表明:BDS卫星数据不仅可以改进垂向精度,还可以提高对电离层异常结构的反演精度,融合了BDS数据的电离层层析技术能较为准确地重构出本次电离层暴期间出现在中低纬度的等离子体泡.     

Radio Emission of the High-Latitude Ionosphere as a Result of the Cutoff Mode of the Auroral Ionospheric Duct

Issues of radio emission of the auroral ionosphere are considered with the use of the classical electrodynamics approach, according to which a natural waveguide is formed in the Earth’s ionosphere owing to formation of a trough in the high-latitude ionosphere. Parameters and characteristics of the auroral ionospheric dielectric duct have been estimated on the basis of the obtained experimental data on the properties of the ionospheric trough. The hypothesis that the LF and VLF electromagnetic auroral radio emission in the high-latitude ionosphere is due to the approach of the auroral waveguide to the cutoff mode has been considered. It has been found that the radio emission bands correspond to the eigenmodes of the ionospheric duct under consideration. It has been shown that, within the proposed approach, not only the radio emission frequency band of the high-latitude ionosphere but also the polarization of the radio emission observed in the experiments can be explained.