利用GPS研究南极电离层TEC对太阳耀斑的异常响应

利用了南极地区IGS站和中山站GPS观测数据,计算了太阳耀斑期间的电离层TEC,分析了南极电离层TEC对太阳耀斑的异常响应。     

区域电离层延迟模型研究

电离层延迟是GPS定位中主要误差源之一。本文针对中国区域的电离层延迟问题,首先使用区域电离层延迟模型理论和IGS提供的IONEX数据,分析了中国区域点(120°E,30°N)的不同时间尺度的TEC变化情况,总结出该地区的TEC变化规律。然后采用IGS公布的监测数据对中国区域的电离层延迟进行PPP解算,并利用Matlab对解算结果进行仿真,结果表明:球谐函数模型对于中国区域电离层电子含量解算的特征更具有区域代表性。     

利用球冠谐分析方法和GPS数据建立中国区域电离层TEC模型

利用GPS实测资料建立了中国区域电离层TEC球冠谐分析模型(spherical cap harmonic analysis,SCHA),评估了该模型的精度和有效性.结果表明,该模型有较高的拟合精度,其拟合残差约为±3 TECU,且精度在时间和空间上分布较均匀.根据IGS分析中心发布的IONEX全球电离层数据(GIM),内插得到了区域内相应时段的平均电离层电子含量,并利用它对CSHA模型的零阶项系数C0.0所表示的区域平均电离层电子含量进行了检核.结果表明,二者具有较高的一致性和相关性,其谱特征相关系数为0.993.由于SCHA模型较GIM模型利用了更多本区域的GPS观测数据,因此其拟舍精度更高,拟合结果与实测数据更一致.时SCHA模型参数的时间序列进行谱分析,结果表明,该模型的模型系数较好地描述了区域电离层TEC的周期性变化特征.     

太阳黑子数对电离层总电子含量的影响

针对太阳活动影响电离层变化的问题,该文利用2000年到2020年太阳黑子数和IGS组织提供的全球电离层总电子含量(TEC)格网数据,借助数理统计、相关系数及时间序列等方法,研究了太阳黑子数与电离层TEC之间的关系.实验结果表明:①两者之间的相关性具有分段变化的性质,分段变化由太阳黑子数的临界点L决定,因此确定了太阳黑子数与TEC日均值相关性的分段函数,并给出了太阳黑子数临界点L;②太阳黑子数的变化会引起电离层TEC值的变化,而这个变化具有1～3 d的滞后性,其中电离层TEC日均值滞后于太阳黑子数2d最为明显;③太阳黑子数和电离层TEC值具有明显的相关性,但太阳黑子数与电离层TEC值之间年相关性强弱不均.     

基于球谐函数区域电离层模型建立

利用GPS双频观测数据建立高精度、准实时的区域电离层总电子含量(TEC)模型是电离层研究的一个重要手段。文中探讨IGS观测站数据结合4阶球谐函数建立区域电离层格网模型的方法,并对硬件延迟(DCB)和TEC建模结果的可靠性进行分析,结果表明,DCB解算精度在0.4ns以内,TEC内外精度优于1.4TECU(1TECU=1016电子数/m2)和1.5TECU,满足导航定位中电离层改正的需要。     

基于Chapman函数的电离层TEC同化模型构建

电离层总电子含量TEC(total electron content)是影响卫星导航定位的主要误差源之一。为了构建精确的电离层TEC模型,基于Chapman函数建立了基于物理机制的电离层TEC同化模型背景场,并着重以IGS发布的2008年4个时段低纬度、中纬度和高纬度地区的电离层TEC数据为样本,同化稀疏点上的已知电离层TEC值,分析模型计算值的残差和相对精度分布,利用模型对电离层TEC进行了2h短期预报和1d预报,并将1d的预报值和IGS发布值进行对比。实验结果表明:(1)由同化模型计算得到的TEC残差值超过92%分布在±2TECU以内,并且除边缘区域外,同化模型TEC计算值的相对精度均在90%以上;(2)2h和1d预报残差小于±3TECU的比例分别为81.8%和81.5%。     

混沌特征参数对神经网络预测电离层TEC的影响分析

利用国际GNSS服务组织(IGS)提供的东经115°经线上不同纬度处一年的电离层总电子含量(TEC)时间序列数据,研究了如何进一步提高基于神经网络方法预测电离层TEC的效果。研究表明:电离层TEC的预测误差与电离层TEC时间序列的最大Lyapunov指数与该序列均值的乘积具有较强的相关性;而且与时间延迟和嵌入维数的选择是否恰当也有着密切关系。     

双向相位平滑伪距的硬件延迟解算研究

针对利用GPS观测数据提取TEC过程中最主要的误差来源硬件延迟问题,该文为了获取高精度TEC,在对双频观测数据处理时,改进了基于Hatch滤波的相位平滑伪距算法的使用方法,即双向平滑,取得较好的效果。研究采用了VTEC多项式和球冠谐分析模型来进行区域电离层建模及硬件延迟解算,经比较模型解算的硬件延迟与IGS发布值最大差异不超过1ns,其中VTEC多项式模型解80%差异值小于0.5ns,球冠谐函数模型解所有差异值均小于0.5ns。     

京津冀地区电离层时空特性分析

为了研究分析京津冀地区的电离层时空变化特性,为本地区提供高精度导航定位和授时(PNT)服务,该文以国际GNSS服务(IGS)中心提供的2000—2018年的全球电离层总电子含量(TEC)格网模型产品数据为基础,研究该区域电离层时空分布特性及太阳活动与电离层的相关性。结果表明:电离层TEC与F10.7指数相关系数为0.83,与太阳黑子数相关系数为0.78,与太阳活动呈现出高度相关性;京津冀地区TEC每日最大值出现在UTC4时左右,电离层TEC具有较明显的27 d周期特性,在太阳活动高年及TEC极大递减年会出现冬季异常现象;白天,同一经度TEC值随纬度的升高而降低;同一纬度TEC值随经度的升高没有明显变化。     

iGMAS全球电离层TEC格网产品精度分析

为了分析与评估国际GNSS监测评估系统(iGMAS)全球电离层TEC格网产品精度,该文基于iGMAS及IGS各电离层分析中心发布的全球电离层TEC格网产品,进行了精度比较分析,结果表明:iGMAS与IGS、CODE、JPL、ESOC、UPC等IGS电离层工作组发布的全球电离层TEC格网产品,在全球、不同纬度带和欧洲等不同区域均表现出较高的一致性和强相关性,互差为0~2.0 TECU;JPL分析中心GIM的内符合精度约为2.5 TECU,iGMAS、IGS、CODE、ESOC和UPC等分析中心GIM的内符合精度均小于1.5 TECU;在2~8 TECU的精度范围内,iGMAS全球电离层TEC格网产品的精度总体与IGS、CODE、JPL、ESOC、UPC等IGS电离层工作组的精度相当。     

全球电离层实时建模方法研究EI北大核心CSCD

电离层总电子含量(TEC)是描述电离层变化特性的关键参量,构建实时电离层TEC模型可为实时导航定位用户提供电离层延迟改正,加快精密单点定位收敛速度,实现对空间天气的精准监测。基于此,论文以构建实时电离层TEC模型为目标,从融合多源电离层数据构建电离层TEC模型和高精度电离层TEC预报模型的构建展开研究,主要研究内容及贡献如下:(1)使用不同方法评估了2002年001天-2018年365天IRI-2016模型、NeQuick2模型与IGS提供的电离层最终产品(IGSG)的精度。     

基于IGS的南北半球TEC非对称性研究

利用2000~2012年的IGS电离层TEC数据,研究了南北半球电离层TEC的非对称性。首先对南北半球TEC日平均值的不对称指数(AI)进行了研究,结果表明,AI的极大值的绝对值集中在0.4左右,极小值的绝对值集中在0.3左右,表明南北半球电离层TEC存在数值上的非对称性;通过傅里叶变换,发现AI存在1 a和1/3 a周期;每年北半球电离层TEC高于南半球电离层TEC的时间比例均大于50%,平均值为58%,表明了南北半球电离层TEC存在时间上的非对称性。然后进一步分析了南北半球TEC年平均值的差异,发现了北半球TEC年平均值高于南半球的规律,2000~2012年的南北半球TEC年平均值的不对称指数在0.036左右。最后从全球大气分布及运动规律的南北非对称性和热层年度变化赤道非对称性两个角度,对南北半球电离层TEC的非对称性产生的原因做了初步分析。     

利用半参数核估计的电离层建模新方法

目前区域电离层延迟建模中,较少顾及单层模型薄层高度假设误差、投影函数选择误差、差分码估计偏差以及数学公式的模型化误差等,为了削弱这些误差对解算精度的影响,将半参数模型引入到电离层球谐函数建模中,利用半参数核估计方法,解算误差分量和球谐函数系数,并将解算结果代入区域4阶电离层球谐函数计算建模区域内电离层总电子含量(total electron content, TEC)。选取欧洲大陆区域的国际GNSS服务组织(international global navigation satellite system service, IGS)测站,分别对太阳活动低年和太阳活动高年的观测数据进行电离层建模,并采用半参数核估计法与传统最小二乘法进行建模精度的对比与分析。实验结果表明：太阳活动低年,以欧洲定轨中心发布的电离层TEC为参考,利用半参数核估计法的区域电离层建模相比于最小二乘,其精度提高了12.2%～19.0%,以IGS发布的电离层TEC为参考,其精度提高了8.3%～13.6%;太阳活动高年,利用半参数核估计法进行电离层建模相较于最小二乘法精度相当。     

全球电离层TEC数据统计分析与全局趋势分析

以IGS发布的电离层TEC数据为样本,通过三维图、等值线图、频率直方图等对数据进行统计分析,得出电离层TEC在时间和空间上的变化规律.对全球电离层数据进行球谐函数拟合,并通过分析找出其最合适的阶数.     

基于RBF神经网络的改进模型在电离层TEC预报中的应用

为了提高电离层TEC值的预报精度,建立更高精度的电离层TEC预报模型,本文在RBF神经网络模型的基础上引入奇异谱分析(Singular Spectrum Analysis, SSA)方法,构建新的电离层TEC预报模型。该组合模型首先通过SSA提取原始序列中的特征分量,避免噪声分量对预报结果的影响,其次将去噪后特征分量作为RBF神经网络模型的输入值。使用IGS中心提供的TEC数据序列进行模型验证,结果表明,无论是对平静期电离层TEC预报还是磁暴期电离层TEC预报,相比于单一的RBF神经网络模型预报结果,本文提出的SSA-RBF神经网络模型的预报结果均更优,其中平静期预报残差在2 TECU以内,磁暴期预报残差在3—4 TECU以内,验证了本文提出组合模型的优越性。     

全球电离层TEC格网时空变化特性分析

卫星导航定位中,电离层延迟是影响用户实时定位精度的重要因素之一。利用全球电离层格网(global ionosphere maps,GIM)提供电离层延迟改正是较为常用的方法,而GIM格网的精度受限于地面GNSS(global navigation satellite system)跟踪站的分布密度。利用区域内少量或1个GNSS跟踪站建立实时区域电离层总电子含量(total electron content,TEC)模型,生成高精度的实时区域电离层格网,为用户提供区域电离层延迟改正显得尤为重要。基于CODE(Center for Orbit Determination in Europe)分析中心2016—2018年995 d的GIM格网数据,分析了相邻格网点TEC的变化范围以及不同时间间隔同一格网点TEC的变化范围。结果表明,GIM在经度方向上分辨率为5°变化的均值范围为0.2～1.0 TECU,在纬度方向上分辨率为2.5°变化的均值范围为0.4～1.4 TECU,在经度和纬度分辨率均小于1°时,电离层TEC的变化小于1.0 TECU;1 h内同一格网点电离层TEC的变化均值约为1.28 TECU,30 min内同一格网点电离层TEC的变化小于1.0 TECU。该研究为小范围内(半径小于100 km)实时区域电离层TEC模型的建立及电离层格网的时间适用范围提供了有效的数据支撑和理论验证,同时对区域电离层TEC时空变化的研究、电离层TEC预报、电离层异常监测和磁暴监测等具有一定的参考意义。     

时间序列分析在电离层短期预报中的应用

根据IGS提供的2012年TEC数据,在得到TEC值残差序列的基础上,利用谱分析去掉周期项和Matlab工具箱去掉趋势项并采用平滑算法去噪后,对随机项进行时间序列分析。目前,电离层格网点的预报均建立在原始TEC上,阐述了采用差分后的TEC值进行预报的方法,以减少日变化周期项的影响。根据AR（p）模型预报的结果加上周期项和趋势项后,再加上前一天对应时段的TEC值与IGS发布的数据比较,结果表明,该方法利用短期IGS发布的TEC值进行电离层预报能取得较高的精度。     

iGMAS全球电离层延迟模型及并行计算策略

针对全球电离层延迟建模中传统串行处理方法效率低等问题,研究了基于全球分布的IGS跟踪站和iGMAS跟踪站观测数据实现全球电离层建模并行解算的基本方法、流程及策略。在Bernese软件基础上研制了一套iGMAS全球电离层延迟建模软件。为了验证并行解算方法的正确性和计算效率,利用全球200个左右IGS跟踪站和6个iGMAS跟踪站2014-08-20-2014-09-06共7周的观测数据,解算了快速电离层TEC格网。与IGS,CODE以及ESA最终电离层格网比较,结果表明:基于该方法解算的快速电离层TEC格网,与CODE,ESA以及IGS最终电离层TEC格网的互差,统计不同纬度带内偏差的均方根误差,全球范围内偏差的均方根误差均在1.5~2.5 TECu之间,南北半球高纬度地区在0.5~1.5 TECu之间,所有地区均优于5 TECu,整体精度与IGS,CODE以及ESA最终电离层TEC格网精度产品相当。     

单站区域电离层TEC建模及精度分析

为了分析单站区域电离层总电子含量(total electron content,TEC)模型的适用范围和精度,基于2～15阶次球谐函数,分别建立了欧洲区域16个单站区域电离层TEC模型,生成了区域格网TEC,并与欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)、...     

卫星导航服务的全球电离层时变特性分析

针对电离层对无线电波应用技术的影响,该文利用IGS提供的1998年—2012年的全球电离层TEC数据,结合相应的太阳活动数据,采用时间序列分析、相关性分析以及等值线图等数理统计的方法,分析了全球电离层的时变特性;分析了电离层TEC、F10.7和太阳黑子数的相关性,发现3者之间的相关系数高度线性相关。通过电离层日变化规律的研究发现:电离层TEC日极大值出现的时刻集中在当地时间12时至16时,其中14时占38.47%,12时占26.58%,16时占19.05%;夜间TEC值与太阳活动强度密切相关,在太阳活动低峰年,夜间全球电离层TEC平均值在5TECU左右,在太阳活动高峰年,夜间全球电离层TEC平均值在17TECU左右,最大值可达24TECU。最后,从日地距离和太阳活动强度两个方面,讨论了全球电离层TEC季节变化规律以及成因。