改进的Kriging技术实时重构区域电离层foF2的分布

改进了kriging技术重构电离层F2层临界频率foF2的方法,利用国际参考电离层IRI-2001模型作为背景场,通过拟合国际参考电离层模型得到“等效太阳黑子数”,并利用kriging技术来完成区域电离层的重构,是区域电离层重构的一种方法,它适合重构区域内电离层探测站较少的情况。与直接利用实测临界频率进行kriging重构相比,改进的kriging技术提高了重构的精度和稳健性。也表明了背景电离层模型在电离层重构中的重要作用。     

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.     

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...     

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。     

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.     

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.     

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.     

支持向量机方法在电离层短期预报中的应用

支持向量机是一种崭新的机器学习方法,将支持向量机方法应用于电离层参数短期预报,提前一小时预报了电离层临界频率foF2.用海口站太阳活动高低年各个季节的历史数据进行了检验,预报误差在不同的太阳活动水平不同的季节各不相同.预报结果与IRI比较的结果表明,支持向量机方法具有较高的预报精度,将支持向量机方法用于电离层短期预报是可行的.     

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.     

电离层天气预报研究进展

综述了国际上电离层天气预报的服务现状、研究进展和发展趋势;介绍了电离层天气预报的几种主要方法,它们是自相关函数法,多元线性回归法,人工神经网络法,暴时电离层经验修正模型,区域电离层预报方法和基于物理模型的电离层数据同化模型等.文章回顾了我国在电离层建模和预报方面的观测基础和主要研究结果;介绍了在电离层短期预报方面,特别是最近提出的"中国及周边地区电离层短期预报方案"的研究进展.随着空间探测技术的发展,特别是GPS接收机的广为应用和GPS/LED掩星技术的发展,给电离层探测和建模带来了革命性的变化.文章的最后部分对开展我国电离层天气预报工作提出了几点思考.     

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。     

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.     

基于GPS层析反演和斜向返回探测反演的电离层二维电子密度重构

GPS层析反演和电离层斜向返回探测反演可以给出电离层大尺度2维电子浓度分布,该文基于3次电离层垂测、GPS层析探测和斜向返回探测的实验结果,比较了GPS层析反演和电离层斜向返回探测反演得到的大尺度电子密度2维分布。结果表明GPS层析和电离层斜向返回探测都能较好地重构电离层电子密度分布,反映电离层大尺度的空间结构。通过和电离层垂测结果的比较,表明GPS层析和斜向返回探测反演得到电离层F2层最大电子密度和峰高具有较好的精度。     

南海地区电离层月平均模式及其预测

研究我国南海地区（北纬0°到25°，东经105°到120°）电离层F层临界频率月中值变化特点及利用人工神经网络预报月中值的技术．文章首先给出这个海区上空F2层临界频率月中值随太阳活动水平、地理纬度、季节和昼夜变化规律．结果指出电离层临界频率随纬度分布除出现驼峰现象外，在4和10月份还存在大范围的电离层气泡区域。在这个区域电离层密度出现中间稀周围高特点；电离层临界频率的分形分析得到其相关维为2．7。其次，我们选用5个因子作为网络输入，用电离层观测资料训练网络，建立了我国南海地区电离层模式。利用这个模式预测的电离层临界频率与实际测量的符合较好，可以满足应用要求。     

电离层闪烁对北斗增强系统影响的建模研究

电离层闪烁严重影响了北斗及其增强系统的性能.为了评估电离层闪烁影响下北斗系统的可用性,需建立闪烁影响下的北斗及其增强系统性能模型,并进行仿真分析.文章系统地建立了电离层闪烁影响下的卫星导航接收机模型、用户定位算法和系统性能模型,利用电离层闪烁模型给出电离层闪烁分布,利用建立的北斗系统性能影响模型,实现对电离层闪烁影响下北斗增强系统性能的可用性分析.利用上述方法,仿真分析了中国中低纬地区强电离层闪烁影响下北斗增强系统的可用性.结果表明:电离层闪烁将引起用户接收机测量误差的增大,对于中国低纬地区而言,强电离层闪烁影响下,存在系统可用性低于95％的性能严重影响区域,北斗系统性能受影响区域与电离层强闪烁的发生 区域具有密切关系.     

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.     

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.     

基于GNSS的武汉区域电离层TEC建模

为研究适用于区域电离层总电子含量(total electron content, TEC)建模的方法和估计策略,对传统单层假设下的几种建模方法和估计策略进行了比较分析. 基于我国中纬度武汉地区17个连续运行参考站的数据进行TEC建模,建模方法分别采用4×3阶多项式模型、2阶多项式模型、4阶球谐级数模型,估计策略使用分段常数估计策略和分段线性估计策略. 在传统单层假设的基础上,本文还提出了三层电离层TEC模型,该模型可以分别给出底部电离层、峰高电离层和顶部电离层的TEC. 研究结果表明,几种模型的天顶方向总电子含量拟合效果和欧洲轨道确定中心公布的电离层格网地图均具有较好的一致性,其中4阶球谐级数模型和分段线性估计策略效果最佳. 通过三层电离层模型,可以得到TEC与电离层高度之间的关系,多层电离层模型对空间目标监视和低轨卫星航天测控具有重要应用价值.     

新乡观测的电离层TEC和板厚的统计与建模研究

利用１９８２年至１９９０年在新乡接收ＥＴＳ－Ⅱ同步卫星１３６ＭＨｚ信标所取得的电离层总电子含量ＴＥＣ月中值和相应的Ｆ２层临界频率，计算了电离层板厚，分析比较了电离层板厚、ＴＥＣ和Ｆ２层临界频率的日变化、季节变化和太阳活动变化的差异，给出了板层随太阳活动的抛物关系，建立了新乡的电离层板厚模式，并与国际参考电离层和中国参考电离层模式的结果进行了比较。结果表明，本文的板厚模式预报的结果在太阳活动高年较国     

DGS-256电离层数字测高仪的升级与联网

随着网络通信技术的发展 ,通过电离层测高仪的联网提供电离层实时数据 ,已成为当前国际上电离层观测技术的发展趋势。文中介绍了为实现电离层频高图数据自动度量和联网 ,对武汉 DGS- 2 56电离层数字测高仪进行升级改造的技术方案和实施方法。通过系统升级改造后 ,不仅实现了武汉上空电离层数据实时在网上发布 ,而且还可在网上对数字测高仪进行远程控制。