改进的分段多项式建模的电离层相位去污染新方法

时变电离层的相位污染使天波超视距雷达(OTHR)的回波多普勒谱展宽.近年来已发展了基于分段的相位多项式参数建模和高阶模糊函数的方法估计和校正电离层的相位污染.由于实际电离层信道为时变的且不可预测,因此,采用预先确定阶数的建模方法有较大的局限性.本文提出了一种改进的方法来选择相位多项式建模的阶数.该方法引入三个判决准则对分段后的信号作建模阶数的自适应选择.实验结果表明,改进后的算法比原有的分段相位多项式参数估计方法以及其他两种电离层校正方法具有更好的性能,特别在校正快速变化的电离层相位污染时具有更为明显的优势.     

南极长城站周边地区电离层TEC变化特性

电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)是描述电离层电波环境特性的重要参量.利用GPS观测数据分析讨论了南极长城站周边电离层TEC环境的规则和扰动变化,结果表明:电离层TEC具有明显的威德尔海异常特征,夏季夜侧要高于日侧,其极大值出现在地方时5h前后,而冬季和分季则以地方时11 h前后为极大;电离层TEC负相暴在地方时12 h前后发生率极低,表现出所谓的"禁时效应";电离层TEC暴事件发生率随太阳活动性的增强而升高,且其在夏季为极小,两分季为极大;高达94.8％的电离层TEC暴事件发生伴随有较强的极光电集流AE(Auroral Electrojet)指数扰动,这预示着该地区电离层TEC暴变事件与极光亚暴活动有着很强的相关性.     

用于中国地区电离层总电子含量短期预报方法

电离层总电子含量(TEC)是主要的电离层特征参数之一,它的时空变化对通信、定位、雷达、导航等无线电系统有重要影响.本文给出了计算地面台站上空电离层TEC的连续时间序列的方法,在此基础上提出了一种适用于中国地区电离层TEC的短期预报方法.该方法由单站电离层预报和区域电离层重构两部分组成.单站预报中采用了自相关分析方法,能...     

低纬地区暴时电离层电子柱含量扰动变化研究

利用双频GPS接收机的观测数据研究了低纬度(海南,19.5°N,109.1°E)地区电离层电子柱含量(Total Electron Content,TEC)在2012年7月15-17日磁暴期间的扰动变化特征.在该磁暴期间的15、16日分别观测到了电离层正、负相暴,电离层垂直柱电子含量(Vertical Total Electron Content,VTEC)变化非常大,与宁静期间平均值相比,幅度可达35 TECU;16日与15日相比,VTEC最大变化幅度为45 TECU.这是目前观测到的电离层负相暴期间TEC变化幅度最大的现象.这次观测到的电离层正负相暴期间TEC扰动变化现象极可能分别是由渗透电场和扰动发电机电场所致.     

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.     

一种可选的电离层TEC区域重构方法

电离层总电子含量(total electron content, TEC)区域重构常采用克里金空间插值方法,该方法基于电离层TEC数据的位置关系及相关性等特征,同时满足空间加权估计的无偏性和最优性特征,因此被广泛应用. 但克里金空间插值方法拟合变异函数时,传统理论变异函数模型面临函数曲线固定、空间细节变化无法反映以及模型选取人为主观等问题. 为解决上述问题,文中提出一种可选的电离层TEC区域重构方法,从TEC数据的空间变化特征出发,采用最小二乘支持向量机（least squares support vector machine, LS-SVM）拟合实验变异函数,能够更精确地刻画变异函数,反映电离层TEC空间变化趋势. 为验证本方法的准确性,选用中国陆态网地基GNSS台站三组不同时刻穿刺点垂直TEC (vertical TEC, VTEC)值作为实测数据,同时选用普通克里金空间插值方法中的指数理论变异函数模型、球状理论变异函数模型以及LS-SVM理论变异函数模型进行实验对比. 三组实验结果表明,本文方法计算的均方根误差(root mean squared error, RMSE)分别为1.54 TECU、1.76 TECU和2.45 TECU,平均绝对误差(mean absolute error, MAE)分别为1.21 TECU、1.23 TECU和1.62 TECU,误差均小于其他两种理论变异函数模型,重构效果最好,为电离层TEC区域重构提供了一种可选的思路.     

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.     

XX-5A试验期间GPS观测到的电离层有源变态效应的实验结果分析

利用GPS双频接收机,能测量电离层总电子含量（TEC）及其变化。在XX-5A试验期间,GPS接收机监测到了火箭排出的"废气"所造成的电离层有源变态效应。测量结果表明,火箭废气形成了电离层"空洞"。而"空洞"的形成直接影响到弹道的电离层折射修正方法,进一步证明了电离层实时测的必要性。     

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.     

基于频带分割法反演电离层TEC参数

星载合成孔径雷达(SAR)系统会受到电离层带来的相位影响,降低星载SAR系统成像质量,对低频段宽带星载SAR尤其明显。为了消除电离层对星载SAR带来的相位影响,基于陆地观测技术卫星2号(ALOS-2)星载SAR数据,采用距离向频带分割法来估计电离层电子总含量(TEC)参数。验证推导距离向频带分割法的最优估计精确度,并利用ALOS-2数据,采用距离向频带分割法反演得到二维电离层TEC参数分布,分析了距离向分辨单元数对反演精确度的影响。另外,分析了雷达图像不同区域采用距离向频带分割法的估计精确度。结果表明频带分割法具有很强的鲁棒性,可以有效地反演电离层TEC参数分布,同时距离向分辨力单元数和成像区域场景地形起伏也影响反演电离层参数的精确度。     

磁暴期间低纬电离层效应的数值模拟

利用改进的时变二维电离层物理模式对一次超强磁暴期间低纬电离层效应进行了数值模拟研究。2000年7月15-16日超强磁暴期间,ROCSAT-1卫星、DMSP卫星、GPS/TEC等在美洲扇区观测到赤道附近沿纬度扩展深度耗空的等离子体槽和出现在中纬度的SED现象。将暴时由ROCSAT-1卫星实测赤道区纬圈电场和由HWM-07/DWM-07模型预测的水平风等作为物理模式的驱动力输入,对美洲扇区低纬电离层的暴时响应特征进行了数值模拟。模拟结果表明:在磁暴主相期间,模式给出了与DMSP卫星观测数据比较一致的结果;并清楚地重现了暴时赤道电离层异常的演化过程。     

中国区域电离层特性对卫星导航系统的影响

利用GPS数据对中国区域电离层环境(电离层赤道异常、电离层暴、电离层闪烁)对卫星导航系统的完好性、可用性影响进行分析。结果表明,中国区域电离层异常将影响电离层延迟误差的空间相关性,从而影响电离层完好性门限的建立。电离层暴破坏了电离层的空间相关性,在影响系统完好性门限建立的同时,还影响到系统对扰动的检测能力。电离层闪烁影响接收机测量的精度、可用的卫星数和定位精度,影响系统的可用性;同时,闪烁相关的不均匀体也会影响电离层TEC的准确提取,从而影响系统电离层修正模型的实现。电离层这些不同影响效应之间往往又相互影响,使得中国区域的电离层环境对卫星导航系统的影响具有复杂性。     

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.     

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     

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。     

加热电离层生成不均匀体的理论及模拟研究

针对均匀和平面分层电离层背景,分别建立了描述大功率高频(HF)泵波加热电离层产生不均匀体的物理模型,从理论上解释了加热过程中不均匀体的生成主要是有质动力和热压力共同作用的结果.基于均匀电离层背景下加热电离层生成不均匀体的理论,通过数值模拟得到了加热导致电子密度不均匀体的空间分布.模拟结果表明,电子密度扰动在泵场方向上的特征长度为1km量级,在垂直于泵波电场方向上的特征长度为10～20m;这与电离层加热实验观测到的不均匀体纵向特征长度一般为千米量级、横向特征长度一般为10m量级的结论是相符的.另外,数值模拟得到的电子密度"空洞"和"稠团"的交替分布,可以解释加热过程产生的无线电波自聚焦效应.     

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。      

一种基于LSTM与IRI模型的电离层层析TEC组合预测方法

电离层总电子含量（total electron content, TEC）作为评估无线电波穿过电离层时产生误差的主要物理量,对其准确的估算以及预测具有重要的研究意义. 本文结合电离层层析算法反演重构的TEC数据,提出一种基于长短期记忆（long short-term memory, LSTM）与国际参考电离层（international reference ionosphere, IRI）模型的组合预测模型,实现了对欧洲上空平静态电离层的TEC预测,并与IRI梯度法、LSTM网络预测结果进行对比. 实验结果表明:IRI梯度法提前1 h能够产生理想的预测结果,提前2 h与3 h的预测精度明显下降;LSTM模型在提前2 d的预测结果表现良好,但随着迭代预测时长的增加预测结果中出现较多异常值. 统计误差显示,本文所提出的组合预测模型相比于IRI梯度法预测性能更为稳定,对单一LSTM模型修正效果明显,消除了预测结果中大部分异常值,有效提高了单一模型的预测精度. 组合预测模型与实际层析TEC之间的预测均方根误差 (root mean squared error, RMSE)为1.1 TECU,与欧洲定轨中心提供的TEC预测RMSE为1.7 TECU.