中国大陆14次强震前电离层异常统计分析

地震电离层扰动规律统计分析对开展地震监测、预测意义重大。利用四分位数法对中国大陆地区14次Ms≥7.0地震前电离层foF2进行了统计,进一步证实了地震电离层异常的存在,并分析了地震电离层异常扰动的时间、空间分布规律以及扰动形态特点,给出电离层foF2扰动与地震各要素之间的关系。统计结果表明:85.7%(12次)的地震在震前出现电离层异常,并且大部分分布在震前7天以内的11∶00LT～17∶00LT;此外,电离层foF2扰动幅度与即将发生的地震震级、震源深度、震中距离存在不同程度的相关性。     

不同波长初始电子密度扰动对扩展F触发效应对比研究

基于适合描述中低纬电离层扩展F发展的控制方程组, 首次对比分析了不同波长初始电子密度扰动对电离层Spread-F的触发影响, 讨论了电离层泡状结构和块状结构不规则体对不同电子密度扰动波长的响应效果.结果发现:无论是以泡状结构为主体还是以块状结构为主体的不规则体, 短波长扰动相对于长波长扰动更有利于Spread-F的激发; 当初始电子密度减弱扰动存在于一侧, 而增强扰动存在于另一侧时, 与只存在一种情况相比, 泡状结构和块状结构同时出现, 能够增进彼此的扰动幅度, 并且泡状结构不规则体的抬升速度大于块状结构; 相同电离层背景下, 初始扰动所引起的泡状不规则体和块状不规则体不一定都能得到抬升和发展, 两者发展趋势并不一致.     

汶川8级地震前电磁扰动与电磁立体监测体系

研究分析了在2008年5月12日四川汶川8.0级地震前出现的地面电磁与电离层中观测到的中、短临电磁异常,其中距离震中最近的郫县台地电阻率显示了2年左右的趋势下降异常,下降幅度7.2%,同时多台电阻率观测在震前1个月左右显示短临突变异常;震前18天地磁垂直分量出现低点位移,分界线两侧的低点时间超过2h;震前3天即5月9日,地磁低点位移、利用GPS反演得到的电离层总电子含量(TEC)、电离层测高仪得到的foF2和电磁卫星监测的离子密度和温度等均观测到局部电磁扰动现象,多数异常幅度超过50%.汶川8.0级地震前各种电磁观测技术记录到的明显异常现象,揭示了电磁学科在地震预报研究领域巨大的潜力,加强天-地一体化的立体电磁监测对地震预报水平的提高是非常必要的.     

极区二维人工电离层加热数值仿真

给出了电离层加热数值仿真的二维模型,讨论了加热引起的电子温度和电子密度的二维扰动分布特征和饱和特性。电子密度和电子温度形成了以波束中心位置为中心的高斯分布。密度饱和时间在密度增量峰值位置处最短,距峰值位置越远,饱和时间越长。温度饱和受背景温度、电波能量吸收率和热传导等因素的控制,呈现更为复杂的空间分布结构。     

张衡一号卫星三频信标载荷典型事件观测

“张衡一号（简称ZH-1）”卫星搭载的三频信标机（tri-band beacon,TBB）载荷,能够对站链上空的电离层进行高精度测量. 为检验TBB载荷在电离层监测中的应用效果,本文利用2018—2019我国中低纬地区TBB观测数据,采用求均值及多项式拟合的方法对各月份F₂层峰值电子密度(N_mF₂)数据进行处理,分析N_mF₂的半年变化特征;将2018-08-26磁暴当天与宁静日的电子密度作差值,分析电子密度对磁暴事件的响应特征. 结果表明:TBB观测数据能够有效监测电离层变化,正确反映站链上空电离层变化规律;在磁暴事件中,观测到了电子密度的变化过程,其准确地反映了正暴相的特征,证明在重要天气事件中,这一手段能够获得较为准确的观测数据.     

磁暴期内中低纬电离层扰动实例分析

用四个经度链附近电离层垂测资料，分析1986年2月6－10日磁暴期间的电离层扰动现象。磁层－电离层间电动耦合的东向电场是造成多站f0F2同时突增的主要机制。扰动的赤道电集流使'喷泉效应'增强对赤道异常驼峰区f0F2增高也起重要作用。磁暴后期，电离层扰动发电机电流系在低纬区的西向电流、电场使F层电子密度下降，而赤道区'喷泉效应'减弱的结果则是驼峰区各站f0F2明显下降的原因。     

一种基于截断奇异值分解正则化的电离层层析成像算法

提出了一种基于截断奇异值分解正则化(Truncated Singular Value Decomposition,TSVD)的电离层层析成像算法.该算法选择球谐函数与经验正交函数作为表征电离层电子密度空间变化的基函数,以降低背景模型对层析成像的影响;利用广义交叉验证法来选择合适的截断参数,提高了算法的稳定性和反演精度.基于中国区域23个观测站的电离层层析成像仿真结果表明:与乘法代数重构算法(Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique,MART)相比,基于TSVD正则化的电离层层析成像算法能够在不需要背景电离层电子密度作为先验条件的情况下,实现电离层电子密度的有效反演.     

电离层的探测与骚扰预报

电离层是指位于地面60km至1000km处的被电离了的大气层。电离层对电波传播的影响与人类活动密切相关,通过对电离层的探测可获取电离层物理特性参量随日、季节、年、太阳活动、地理环境等变化的分布、变化规律。本文主要讲述了电离层探测的方法、太阳活动对电离层的影响、电离层扰动对人类的影响、对电离层进行常规监测及骚扰预报的重要性以及电离层扰动与地震的关系。     

冲绳地区电离层Es变化特性研究

电离层偶发E层(Es)是发生在电离层E层高度上的偶发电子密度不均匀体结构,其最大电子密度最高可达E层背景电子密度的100倍以上.Es是一种重要的环境资源,以其作为散射体,能够实现甚高频(VHF)超视距通信,弥补电离层常规短波(HF)通信带宽的不足.远东地区是全球Es的高发区,具有独特性和典型性,开展该地区Es变化特性的...     

电离层闪烁对星载P波段SAR的影响分析

电离层闪烁会破坏星载合成孔径雷达(SAR)回波信号之间的相关性,使其成像性能下降。已有的工作都是假设已知电离层电子密度的扰动开展的,但是目前的测量手段无法直接获取该参量。该文利用海口观测站超高频(UHF)频段太阳活动高年和中等年份的实测数据,分析电离层闪烁的变化特征,并基于相位屏理论,给出一种利用闪烁指数评估电离层闪烁对星载P波段SAR系统影响效应的方法。结果表明:电离层闪烁在低纬地区主要发生在夜间,且在两分季高发;太阳活动高年,全年约有3.8%的时间会发生电离层闪烁现象;对于P波段SAR系统来说,弱闪烁使得方位向冲激响应函数(IRF)的主瓣宽度和副瓣增益增大,分辨率下降;中等强度闪烁使得方位向冲激响应函数发生严重的扰动,副瓣增益增大到主瓣的水平,主瓣中心也发生平移,可能使得系统无法直接成像。     

地基GNSS和天基掩星观测对全球电离层数据同化效果的影响分析

电离层的精确现报预报对装备系统效应减缓及空间科学研究均具有重要的应用价值. 地基GNSS和天基掩星是电离层数据同化最为重要的数据来源之一。通过观测系统仿真试验（observation system simulation experiments,OSSE）对四种不同的观测系统条件下的全球电离层数据同化效果进行了定量分析,数据同化的总电子含量（total electron content, TEC）及三维电子密度参量技术得分(skill score, SKS)的评估结果表明:1)观测构型对数据同化现报和预报精度均具有重要影响。2)仅仅同化地基GNSS数据,其同化的TEC精度相比背景模型会有较明显的改善,TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别为0.45、0.39、0.32和0.25;但电子密度的现报和预报结果相比背景模型的改善则相对有限,电子密度现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS仅为0.05、0.04、0.03和0.02;通过融合掩星观测数据,其电子密度的精度会有明显提升。3)在掩星卫星数量较多且观测数据的覆盖性较好的条件下,仅同化掩星TEC观测数据就可以获得准确的TEC和电子密度现报与短期预报结果;大规模掩星星座的观测比仅利用地基GPS观测进行同化,其TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别提高了0.2、0.17、0.14和0.12;电子密度SKS分别提高了0.39、0.35、0.28和0.22,电子密度SKS的提升幅度要优于TEC。4) 现有的观测系统布局对中低纬区域的数据同化精度的提升效果要优于高纬区域;5) 随着预报时间的增加,数据同化的精度呈现下降的趋势. 随着未来微小卫星数量的快速增加,天基掩星观测将对电离层状态的精确表征产生不可估量的作用,相关研究可为我国天地基电离层观测系统的设计和构建提供技术参考.     

Analysis of ionospheric electron density distribution from GPS/METoccultations

The authors present results from analysis of GPS/MET occultation data obtained from the University Corporation for Atmospheric Research database. They have used high-rate occultation data to study the performance of an earlier 4D ionospheric electron content model-obtained tomographically with the use of the GPS constellation-with satisfactory results. In addition, they have processed UCAR level-one medium-rate occultation data by using the GIPSY package to obtain aligned phases. Under the assumption of local spherical symmetry, this phase information has been processed to yield ray-path bending angles through Doppler-shift analysis, which have then been used to yield profiles of electronic density via the Abel transform. These profiles give important information for preparing future tomographic work, although the limitations imposed by the working assumptions in this approach cannot be ignored     

Potentialities of radio-occultation monitoring of the lower ionosphere on satellite-to-satellite paths

The data on the radio-occultation probing of the daytime ionosphere at altitudes of 70–130 km that are measured on satellite-to-satellite paths in subequatorial regions at latitudes of ±30° are analyzed. The dependence of regular variations in the integral electron concentration on the height of the ray line is discussed. It is shown that, at altitudes of 85–110 km, the height profile of electron concentration can be determined from the occultation data. The specific features of the variations in the radio-wave amplitude and in the integral electron concentration that are observed during the probing of sporadic ionospheric formations E _s are analyzed. Data on the frequency of occurrence of the E _s formations, their height, and the thickness of the layered structures are presented. The interfering effect of the ionospheric F region during determination of the parameters of the lower ionosphere is analyzed.     

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.     

Atmospheric refraction of radio waves on occultation satellite-to-satellite paths

The atmospheric refraction on occultation paths between GPS satellites and Formosat-3 low-earth-orbit satellites is analyzed. The dependences of the bending angle on the minimum height of the ray path for the European part of Russia are presented. An analytical approximation of the mean vertical profile of the refractive angle for a four-year period is given, and data on slow seasonal and diurnal variations and rapid bending-angle fluctuations observed in the troposphere are presented. It is pointed out that the height profile of the angle of refraction is a good candidate for an indicator of long-term climatic changes in the state of the atmosphere.     

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GPS单频的III类GBAS技术研究

本文介绍了GBAS和其进近服务类型,详细介绍了基于GPS单频实现III类运行的GAST D GBAS技术概念框架,研究了地面设备完好性监测框架和播发电文以及机载设备新增算法和监测器设计.针对电离层异常对GBAS运行的影响,根据电离层梯度异常模型,模拟了故障场景,设计实现了GAST D地面和机载仿真验证平台,并对模拟的故障场景下GAST D GBAS系统进行验证和分析.     

电离层延迟对分布式SAR编队相对定位的影响

建立星载GPS单层电离层延迟模型,利用CHAMP卫星双频GPS观测资料确定的单层投影高度为580 km.仿真分析了电离层延迟对分布式SAR编队CDGPS(载波相位差分GPS)相对定位的影响,主要分析结果表明:在mm量级的星间相对定位中,电离层延迟影响不可被忽略;太阳活动对相对定位的影响显著,当星间距离取1 km,在太阳活动强年,由差分电离层延迟引起的相对定位误差达到8.5mm,是太阳活动弱年的2倍.     

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.