基于Swarm卫星GPS/TEC观测的顶部电离层三维电子密度分布的层析法研究

利用两颗伴飞的Swarm A/C卫星搭载的双频GPS接收机获取的TEC数据,在两个卫星轨道平面同时对顶部电离层电子密度进行层析成像,实现对顶部电离层电子密度的三维观测.为了能够重现扰动期间电离层电子密度的空间变化特征,在正则化求解过程中,我们引入了水平矩阵H和垂直矩阵V刻画电子密度的空间变化特征,引入整体约束矩阵C以调节不同空间对电子密度相对变化的权重.数值验证结果表明我们的算法对常见的观测误差具有较强的包容性,反演计算出的电子密度平均偏差优于10%.在不同地磁活动条件下,与第三方观测数据的对比,验证了本文反演算法的可靠性.实测数据反演结果表明我们的算法不仅能够较好地重现顶部电离层子午向百公里级别的不规则结构,还能有效分辨纬向相隔~150 km的两个卫星轨道平面的电子密度差异.     

顶部电离层和等离子体层电子密度分布——基于GRACE星载GPS信标测量的CT反演

本文利用两颗跟飞的GRACE卫星载GPS信标测量数据和基于差分相对TEC的层析算法,实现了全球范围的顶部电离层和等离子体层(450~5000 km) 层析成像.反演结果表明,利用低轨道卫星载GPS信标测量数据可以有效地重建顶部电离层和等离子体层的全球二维分布图像.对不同地磁活动条件下的天基层析反演结果表明,等离子体层电子密度随纬度的分布是不均匀的;在低纬赤道带,从顶部电离层向上延伸直到等离子体层,以及等离子体层中局地的电离增强云团,经常出现近似垂直于磁力线的电子密度柱状增强结构.     

利用观测的TEC和电离图推导顶部电离层剖面的一个方法

给出一个利用观测的ＴＥＣ和电离图参数来推导顶部电离层电子密度剖面的方法．基本原理是，利用反演的峰下剖面计算出峰下积分电子含量，然后由观测的ＴＥＣ推算出顶部的积分电子含量。假定ＩＲＩ计算的顶部剖面经一个修正标高因子修正后所得的积分电子含量与观测值一致，从而得到修正标高因子。     

基于Swarm卫星数据的一次地震电离层现象辨识

为进一步探索基于多颗卫星观测数据的地震电离层现象识别,利用Swarm星座三颗卫星观测的电子密度数据和磁场数据,对已报道的2017年11月12日伊朗MW7.3地震震前第9天震中附近的一次地震电离层扰动现象进行辨识。通过分析三颗卫星相邻轨道的电离层扰动特征,获得了异常扰动存在的空间范围;利用Swarm星座三颗卫星轨道的时间和空间差异,计算出异常扰动在空间中可能的传播特征;使用同步观测的磁场数据判断其电磁辐射特性。最终根据现有对地震电离层耦合的认知,并结合分析的结果,认为该扰动为非震源发出的声重波扰动,非沿纬向传播的电离层行波扰动,非同步电磁辐射引发扰动,而是与伊朗MW7.3地震孕育活动无关的一次高纬度强烈电离层活动所引起的扰动变化。     

应用经验正交函数估算顶部电离层电子密度剖面

本文基于IRI模型、地面数字测高仪和GNSS TEC数据,提出了一种利用经验正交函数（Empirical Orthogonal Function,简称EOF）估算顶部电离层电子密度剖面的方法,并将其应用于美国Millstone Hill测高仪和GNSS数据以估算顶部电离层电子密度剖面.通过将估算的临界频率、峰值高度、400 km以上电子密度分别与测高仪实测临界频率、测高仪实测峰值高度以及非相干散射雷达实测400 km以上电子密度作对比以对方法的有效性进行验证.统计结果显示估算临界频率、峰值高度与测高仪实测数据基本一致,400 km以上估算电子密度相较于非相干散射雷达实测的绝对误差平均值仅是测高仪推算400 km以上电子密度绝对误差平均值的一半左右.所以本文提出的方法可以更加精确地估算顶部电离层电子密度.

     

顶部电离层电子密度和温度的统计背景及其地磁活动变化

通过对DEMETER卫星从2004年11月7日至2005年11月30日期间探测到的710 km高度顶部电离层的电子数据进行网格化(纬度2°×经度4°)统计平均,本文分析了不同地磁条件下顶部电离层电子密度和温度的全球分布情况.不论是在地磁宁静还是地磁活动期间,顶部电离层电子密度的分布都存在着一个巨大的威德尔海异常(夜间电子密度高于白天的)区域(30°W~180°W和 30°S~75°S)、夜间中纬槽(35°N~60°N和35°S~60°S)和夜间南大西洋地磁负异常区域的低密度结构,而且电子密度在磁倾(dip)赤道附近最大,说明710 km高度的顶部电离层并不存在赤道异常.和电子密度的分布相反,电子温度在磁倾赤道附近最小,在等离子体层顶附近最大.在地磁活动期间,顶部电离层电子的密度普遍增加,同时电子密度的赤道峰值向中纬区扩宽.但是,地磁活动并没有明显地改变威德尔海异常区和夜间中纬槽的空间范围.另外,地磁活动对电子温度的影响并不明显,它仅造成了等离子体层顶附近的电子温度增大.     

福建省震前地基GPS TEC与掩星电子密度研究

从联合地基GPS,IEC数据和掩星电子密度剖面中,有可能检测和识别出由地震波激发而引起的电离层扰动。通过研究福建省近年已发生地震的震前地基GPS TEC与掩星电子密度,获得地震的电离层效应．为今后本省的地震预报提供前兆依据。     

利用地基观测对卫星观测电离层结构参数的定量验证研究

本文采用散点图、趋势线、相关系数及观测偏差等统计方法,利用COSMIC卫星和SPIDR提供的垂测仪观测的F₂层峰值电子密度数据,开展了综合统计及按季节、地方时和纬度的分类统计.统计结果显示:地基垂测仪与卫星观测到的相应的F₂层峰值电子密度数据具有很高的相关性,两者之间的相关系数高达0.95,相对偏差的平均值为-3.38%,标准差为19.54%.基于上述研究结果,提出了利用地面垂测仪观测数据验证卫星观测的电离层结构参数的方法,并给出了定性的判别依据和定量的判别标准,可在我国电磁监测试验卫星发射后,为F₂层峰值电子密度观测数据的真实性和有效性提供检验方法和保障.      

基于ZH-1卫星探测的太阳活动低年顶部电离层不规则结构的时空特征

利用ZH-1卫星2019、2020年的原位电子密度观测数据,对卫星观测范围,即地理纬度南北65°之间午夜后顶部电离层的不规则结构进行研究,得到如下结果.(1)午夜后顶部电离层不规则结构集中区主要分布在地磁赤道、中纬度以及较高纬度区,白天赤道异常峰值区为不规则结构的谷值区.(2)不同纬度区不规则结构随地理经度分布呈现出明...     

Swarm卫星星载接收机GPS信号中断统计特征分析

本文聚焦于欧空局Swarm卫星星载接收机在中纬地区出现的GPS信号中断事件, 利用其近9年(2014年1月至2022年9月)的观测数据, 详细统计了GPS信号中断事件发生的时空分布特征及与背景等离子体密度起伏的关系.研究结果表明Swarm卫星在其接收机锁相环带宽从0.75 Hz调整至1.0 Hz前后, GPS信号中断事件表现出不同的时空分布特征.在前一个时期, 2014年1月1日至2016年8月11日, GPS信号中断事件主要分布在低纬磁赤道附近和高纬极区附近, 少量中断事件分布在中国东部地区; 而在后一个时期, 2016年8月12日至2022年9月30日, GPS信号中断事件则出现在了所有的纬度, 同时表现出显著的经度差异.前一个时期内GPS信号中断事件表现出了明显的季节依赖, 而后一个时期内出现的GPS信号中断事件则出现了无季节特性的弥散状分布.该结果表明当Swarm星载接收机锁相环带宽调整至1.0 Hz时, 虽然提升了其应对电离层闪烁条件下多普勒频移的动态调整范围, 但同时也增加了接收机载波相位观测的热噪声, 进而导致接收机产生了一些随机的短时信号中断.除了上述不同, 两个时期内的GPS信号中断事件也表现出了一些共同特征, 比如信号中断事件主要均集中在GPS卫星相对于Swarm处于较低仰角(＜20°)的情况下; 同时这些事件主要发生在发射较早的Block ⅡR和Block ⅡA类型GPS卫星上, 暗示了随着发射年限的增加与星载设备的老化, GPS卫星的稳定性会逐渐降低.通过进一步对比分析Swarm卫星出现与未出现GPS信号中断轨道对应的原位电子密度观测数据, 发现GPS信号中断的轨道其对应的电子密度波动更剧烈, 表明背景等离子体密度的梯度强度是引起Swarm星载接收机在中纬地区出现GPS信号中断的重要原因.本文的研究结果对于星载接收机的设计优化, 特别是提升其在电离层闪烁条件下的稳定性有重要的参考意义.

     

火星电离层电子密度对太阳辐射变化的响应

太阳辐射是火星电离层变化的重要控制因素.利用火星全球勘探者号(Mars Global Surveyor,MGS)电离层掩星探测数据,并结合一个火星电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)经验模型,研究了火星北半球高纬地区电离层电子密度对太阳辐射变化的响应特性.在考虑了火星掩星数据中电离层电子密度对太阳天顶角的依赖关系后,发现随着太阳辐射增强,火星电离层M₂层峰值密度增大,但增长偏离线性趋势,而M₂层峰值高度和大气标高没有很明显的变化趋势.从100~200 km高度区域掩星电子密度剖面积分得到的TEC及底部和顶部TEC也随太阳辐射增大而增大,但增长率有所减小,表明火星电离层可能存在类似地球电离层的饱和特征.MGS掩星TEC及其底部和顶部剖面的TEC与经验模型TEC的比值均与太阳辐射强度变化呈反相关特性,表明在强太阳辐射情形下200 km以上电子含量在TEC中占比增大.这一特性意味着太阳活动增强,在火星顶部电离层区域,动力学过程对电离层的控制逐渐超过光化学过程.

     

GPS地面台网和掩星观测结合的时变三维电离层层析

本文给出GPS地面台网和掩星观测结合的时变三维电离层层析的原理、算法和基于实测数据的反演结果.反演结果的比较表明,联合地基GPS与掩星观测数据进行重建,电子密度整体图像的重建质量特别是其垂直结构的重建质量得到了明显改善.在平静日和磁暴期间两种条件下利用实测数据的重建结果表明,GPS地面台网和掩星观测结合的电离层层析可以获得电离层电子密度在高度-纬度-经度-时间四维空间中的变化.重建结果清晰地显示了磁暴期间电离层负相暴效应,表明结合GPS地面台网和掩星观测的时变三维电离层层析可以有效地监测扰动条件下的大尺度电离层结构.     

基于机器学习集成算法的电离层层析算法迭代初值精化

GNSS电离层层析技术在电离层探测中扮演着重要角色,然而,由于观测数据不足或分布不均,导致层析模型中固有的不适定性问题成为制约该技术推广应用的主要瓶颈,其主要表现在无信号射线像素的反演电子密度对初值比较依赖,而初值通常是由精度不高的经验模型给出,从而拉低了电离层层析的整体精度.针对该问题,本文提出了一种基于机器学习集成算法（XGBoost）的电离层层析新方法（XGB-CIT）,即基于传统层析算法,利用多个连续时段中有信号射线像素的特征及其电子密度反演值对机器学习模型进行训练,然后预测后续时段中所有像素的电子密度,并以此作为电离层层析的迭代初值,实现对电离层层析算法迭代初值的精化以及层析精度和效率的提升.利用湖南省连续两天共46个时段的CORS观测数据进行层析反演,并以23个连续时段为滑动窗口构建机器学习模型进行初值预测,并在此基础上利用正演误差和电离层测高仪数据对XGB-CIT的精度和适用性进行检验.其结果表明：相较于IRI2016模型,XGBoost算法提供的迭代初值精度提高了68%,而基于该初值得到的XGB-CIT模型,其精度和效率也比传统层析方法有所提高,其中收敛速度提高了20%,同时根据与测高仪数据的对比分析可知,XGB-CIT对无信号射线像素的电子密度反演结果与实测数据更加吻合.

     

ZH-1卫星得到的中国及邻区顶部电离层背景特征

利用ZH-1(CSES)卫星LAP载荷原位电子密度数据对中国及邻区(0°-54°N,70°-140°E)的顶部电离层背景分布及随季节变化进行了详细分析,研究结果显示:(1)研究区赤道异常的纬度延伸范围、随经度分布形态及它们的季节变化,具有与其他研究结果一致的规律性.(2)中纬度区,白天电子密度存在一个低值带,夜间电子密...     

电离层GPS掩星观测改正TEC反演方法

电离层掩星观测中,当低轨卫星（LEO）轨道高度较低时,轨道以上的电离层电子总含量（TEC）对掩星反演的影响不能忽略.目前,一般采用指数函数等外推方法来处理该问题,对反演结果可能引起较大误差.为提高电离层掩星反演精度,本文研究利用LEO处于非掩星一侧GPS观测数据的改正TEC新反演方法.用三维射线追踪程序计算出电离层掩星观测模拟数据,分别应用改正TEC方法和外推方法进行反演,将反演结果与所用模式值进行比较.结果表明：对于轨道高度约800km的GPS/MET掩星模拟数据,外推方法和改正TEC方法反演结果都与模式值基本一致;对于轨道高度约400km的CHAMP掩星模拟数据,外推方法误差较大,改正TEC方法反演结果与模式值相符得较好.将改正TEC方法应用于GPS/MET实测数据的反演,取得了合理的结果.这些说明,改正TEC算法是一种有效的电离层掩星反演方法,尤其是对于轨道较低的LEO的电离层掩星观测反演特别有用.     

ZH-1卫星LAP数据校正及与Swarm B数据差异分析

针对ZH-1卫星朗缪尔探针(LAP)原位电子密度观测数据远小于其他系统观测数据的问题,本文利用COSMIC及COSMIC 2在中纬度地区的掩星数据,得到对LAP数据的校正关系,并进一步利用与ZH-1具有相似飞行高度的Swarm B卫星全球等离子观测数据对校正后的LAP数据进行检验,以评估校正结果的准确性和可靠性.检验结果认为：(1)校正后的LAP数据与Swarm B数据基本一致,两者在中纬度地区符合较好,在赤道地区仍有明显偏差.(2)这一偏差与观测数据值的大小有关,在较小观测值时两者符合较好,较大观测值时差异变大,可能与两个卫星载荷的不同动态响应特性有关.(3)经过线性校正的LAP数据不会改变相对变化关系,但拓展了数据的应用场合.

     

利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量的变化特征

本文尝试利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量(简称PEC)的变化规律.首先介绍从低轨卫星对GPS的顶部TEC观测资料提取等离子体层垂直电子含量的方法,然后利用该方法提取2008年全年的PEC数据,进而研究了2008年这一太阳活动低年PEC随地磁纬度(MLAT)、磁地方时(MLT)以及不同季节的变化规律.此外,还利用提取的120°E和300°E经度链上的数据对比研究了PEC的经度变化情形.研究结果表明:(1)PEC主要集中分布在磁赤道±45°之间的一个绕地球的环带状区域中;(2)PEC表现出以下的昼夜变化规律特征:白天时段之值高于夜间,约在12-16MLT之间达到最高峰值,而最小PEC值出现在日出前大约4-5MLT左右的时段;(3)相比其他季节月份而言,PEC在北半球夏季月份(5-8月)具有最小值;(4)PEC存在明显的经度变化,不同经度链上的PEC存在不同的季节变化特征.     

顾及电离层变化的层析反演新算法

区别于以往GPS电离层层析研究主要关注迭代模型的思路,本文从两方面入手提高GPS电离层层析迭代算法的反演精度:一方面,顾及传统电离层层析迭代模型仅与对电子密度误差起放大作用的GPS射线截距权重相关的不足,提出考虑层析像素格网中的电子密度对GPS TEC的贡献建立新的迭代模型,在不同电子密度像素格网内重新分配GPS TEC 实测值与其反演值之间的差距;另一方面,顾及电离层层析迭代算法中松弛因子对反演结果的影响,提出考虑电子密度变化构造新的松弛因子,抑制传播噪声对电子密度反演精度的影响.实验结果显示,相对于传统代数重构算法(ART),新方法反演的电离层电子密度剖面更接近于电离层测高仪观测的电子密度剖面,提高了电子密度反演精度.     

亚暴期间电离层场向电流的分布特征——CHAMP卫星观测

场向电流在不同的等离子体区之间传递能量、动量和质量,是磁层与电离层之间的关键耦合过程.本文利用CHAMP卫星高精度的空间磁场测量数据,研究亚暴期间极区电离层场向电流的统计学分布特征.研究表明场向电流的大小与所在位置呈现明显的日夜和晨昏不对称性,具体为：（1）场向电流的大小与亚暴极光电急流指数（AL）密切相连,AL愈大,电流愈强,亚暴期间电流强度相对平静期来说可增加约5倍,昏侧和夜侧电流强度与AL指数的相关性较好,晨侧和白天侧两者相关性较差;（2）电流的峰值密度所在位置与AL指数的相关性不高,昏侧电流所处纬度低于晨侧,而夜晚电流所处纬度低于白天侧.     

面向电离层反演的参数平滑迭代层析方法

层析是电离层三维结构反演的重要技术.增加约束可缓解层析模型的病态问题.然而, 迭代层析中, 大量无射线穿过的网格易对施加的约束产生与真实意图相违背的约束结果(称负面约束).针对该问题, 提出了一种参数平滑的迭代层析方法(iterative tomography method via parameters smoothing, ITPS).每次迭代中, 先用Chapman函数及最小二乘法拟合及改正每一垂直剖面, 获取关于Chapman函数参数的二维图像, 然后用移动窗口法平滑各参数图像并以此改正各网格的电子密度.实验表明: ITPS方法可一定程度上减少负面约束并抑制层像的扰动.相对于MART和CMART算法, ITPS方法在垂直剖面、F2层临界频率(f_oF₂)、F2层峰值高度(h_mF₂)、斜电子总含量(Slant Total Electron Content, STEC)及h_mF₂以上电子密度等方面均具有更佳的表现.相对于精度较高的CMART算法, ITPS方法在f_oF₂与h_mF₂的平均优化率分别为7.49%及6.60%, STEC的平均优化率为5.19%, h_mF₂以上电子密度的平均优化率为11.41%.