GPS精密单点定位部分误差模型影响分析

本文主要介绍GPS单点定位原理、GPS精密单点定位中误差模型的改正,重点研究了对流层、电离层延迟改正。利用VC++程序实现了霍普费尔德(Hopfield)、萨斯塔莫宁(Sasstamoinen)对流层误差改正模型程序、无电离层延迟组合改正模型程序,为开发一个可以利用广播星历文件或者精密星历文件与观测文件进行单点定位的软件提供了参考。利用霍普费尔德(Hopfield)改正模型加上Davis映射函数以及萨斯塔莫宁(Sasstamoinen)改正模型加上大部分区域的NMF映射函数两者之间的精度对比,得出在大部分连续历元中萨斯塔莫宁(Sasstamoinen)改正模型要优于霍普费尔德(Hopfield)改正模型,运用克罗布歇模型(Klobuchar)和无电离层延迟组合两种方法,通过实测数据进行比较,得出无电离层延迟的改正要优于克罗布歇模型(Klobuchar)的改正。     

极区电离层TEC经验模型的建立及适用性分析

利用南极地区40多个GPS跟踪站2010年全年的实测数据,实现了极区电离层TEC建模,对多项式模型、广义三角级数函数模型、低阶球谐函数模型、改进的球谐函数模型以及球冠谐函数模型等五种电离层经验模型进行了比较,并评估了其在极区的适用性情况。结果表明,各个模型在极区都可以取得比较好的拟合精度,残差均值在0.1TECU以内,均方根误差在2 TECU以内。     

基于DPS和GPS的南极中山站电离层TEC比较研究

基于南极中山站数字式电离层测高仪DPS-4D和GPS-TEC电离层闪烁监测仪的观测数据,比较研究了两者在2013年所得电离层总电子含量(TEC)随太阳辐射和地磁活动的日变化和季节变化特征。比较结果表明,南极中山站上空电离层TEC存在明显的极区电离层变化特性,这种变化特性大体与太阳辐射成正相关关系,而与地磁活动成负相关。尽管电离层TEC变化具有明显的晨昏不对称性,但都能有效地被DPS-4D和GPS TEC监测仪的数据计算获得,且两者相关系数达到0.86。结合中山站所处的极区电离层位置,考虑太阳辐射电离和地磁活动影响下的极区电离层对流以及中性大气成分改变,初步分析了DPS和GPS所得TEC结果有所差异的原因。     

基于深度学习的SuperDARN雷达极区电离层跨极盖电场模型构建

通过超级双子极光雷达网(SuperDARN)获得的跨极盖电势计算了极区电离层对流电场。利用2014年的极区电离层对流电场数据为基础,引入对流电场的历史数据,分别基于多元线性回归算法和后向传播神经网络算法构建电离层电场模型。利用独立的数据集,验证了两种模型的准确性和稳定性。结果表明,模型值与测量值的均方根误差在2.0～3.5 mV·m~(-1)之间,平均绝对误差范围为1.5～3.0 mV·m~(-1),线性相关系数均大于0.6,最高可达0.9。引入前20分钟的历史数据作为模型的输入,后向传播神经网络模型比多元线性回归模型具有更好的预测性能。     

磁暴期间南极South Pole站和McMurdo站电离层闪烁与GPS TEC时空变化相关性研究

目前,对电离层闪烁特性的研究大多集中在低纬度地区,而在极区,特别是在南极地区,由于测量数据稀少,所以研究十分有限。借助安装在南极South Pole站和Mc Murdo站的GPS闪烁监测仪,获取到实测的电离层闪烁数据,同时结合IGS网站提供的同址GPS观测数据,分析了2011年9月24—25日磁暴发生前,9月26日磁暴发生时以及9月27日磁暴发生后GPS L波段信号电离层相位闪烁和GPS TEC时空变化特征。分析显示,这次磁暴对电离层的一个重要的影响是在电离层扰动剧烈期间,相位闪烁活动及其强度在时间和空间分布上都显著增强。研究结果发现,在强电离层闪烁期间,实测的相位闪烁指数σ_Φ与由GPS观测数据推算的TEC变化率指数(ROTI)的变化非常相似,两者之间呈现出良好的相关性。从而证明,在如南极等缺乏独立电离层闪烁观测值的地区,GPS ROTI可以作为表征电离层闪烁的重要可选参数,进而可以借助全球分布的GPS观测数据来分析和研究电离层闪烁特性。     

极区电离层TEC监测和发布系统

极区是研究各种高空大气物理现象和日地关系的理想场所,通过GPS获取的电离层TEC信息具有高精度、全天候、大范围等优势,所以利用GPS研究极区电离层有重要意义。本文所设计的极区电离层信息监测和发布系统,包含数据回传、数据处理、数据发布三个部分。数据回传包括卫星网络回传和格式转换。数据处理是利用每天回传的GPS双频数据,解算单站VTEC,解决了硬件延迟的求解问题,并用二次建模获得测站上空的VTEC,计算结果表明该方法能较好地给出电离层TEC的大小及变化规律。数据发布是通过中国极地科学考察管理信息系统提供实时的查询服务。     

极区电离层F区加热激发极低频波研究

"极区电急流天线"辐射依赖于低电离层D/E区背景电急流,而高电离层F区极低频调制加热,可产生抗磁性电流,形成极低频波辐射源。利用电离层F区一维时变加热数值模型,采用全波解算法研究高纬Troms(69.59°N,19.23°E)地区电离层F区极低频调制加热。模拟结果表明,极区高电离层激发的极低频波与极区低电离层激发的结果不同。加热泵波的有效辐射功率(effective radiated power,ERP)、调制频率及电离层背景对极低频波强度有着重要影响。     

极区电离层NmF2观测与国际参考电离层对比研究

利用南北极极隙区与极光带纬度3个台站对电离层F₂层峰值电子密度(N_mF₂)长达1个太阳活动周的观测数据,对国际参考电离层IRI-2016模型在极区的适用性进行系统的定量研究。结果表明,在极光带纬度的北极Troms?站,IRI预测与观测符合最好,大部分季节相对误差在40%以内,在太阳活动高年略好于太阳活动低年。在极隙区纬度的南极中山站和Longyearbyen站,IRI预测精度在太阳活动低年高于太阳活动高年。在中山站和北极Longyearbyen站仅个别月份相对误差在20%以内,大部分月份相对误差超过40%,冬季相对误差接近100%,特别是Longyearbyen站,在太阳活动高年冬季相对误差超过100%。从季节上看,3个台站都是冬季符合最差,夏季符合最好。IRI-2016模型对极区电离层进行预测时,难以如实反映极区等离子体对流和能量粒子沉降等极区特有的物理过程对极区电离层N_mF₂的影响。     

北斗三号系统在环南极地区的信号质量与基本定位服务性能分析

随着北斗三号卫星定位系统(BDS-3)的逐步建成,北斗系统的服务范围已从亚太地区扩展到全球,而极地具有重要的科研、航运等价值,因此北斗三号在环南极地区的定位性能需要进行全面评估。利用在中山站、长城站以及环南极航行的"雪龙"号上采集的2018—2020年的北斗三号数据,本文从可见卫星数及位置精度因子、多径值与信噪比、伪距单点定位精度等方面,分析了BDS在环南极地区的信号质量和定位性能。结果表明:BDS在环南极地区可见卫星数均介于4～20颗之间,其卫星可见性及位置精度因子优于GPS;BDS的中轨道地球卫星(MEO)多径值与GPS卫星相当,而BDS的地球同步轨道卫星(GEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)由于在极区的高度角较低,多径值较大;在定位精度方面,环南极地区的BDS伪距单点定位精度在7 m以内,满足北斗系统的设计要求。尽管北斗三号系统还在逐步完善之中,但已经解决了高纬度地区卫星可见数较少的问题,明显提升了定位精度,其中长城站2020年初的定位精度相对于2019年初已经提升50%。     

极隙区极光粒子沉降对电离层影响的模拟研究

利用一维自洽的时变极区电离层模型,研究极隙区极光粒子沉降对极区电离层F层电子密度影响的时变过程。假设一维时变电离层模型描述的磁流管中F层等离子体在对流作用下经过极隙区,随对流路径的不同,磁流管在极隙区经历的时间不同,以此考察极光粒子沉降作用下电离层随时间的演化过程。数值计算结果表明,当磁流管在极隙区停留的时间足够长,F层电子密度能显著增大。然而在磁流管经历极隙区实际时间较短的情况下,极隙区极光粒子沉降对F层电子密度的影响并不大。本文还给出了统计对流模型作用下磁流管在经历极隙区时,有沉降粒子作用和没有沉降粒子作用两种情况下,F层等离子体的时间变化过程的差异。     

Measuring magnetic field in the 'diamagnetic' ionosphere

Satellite magnetometers sometimes pass through regions of plasma, such as the terrestrial ionosphere, where the ionization is large enough that some of the original ambient field is excluded from the plasma. This reduction of field inside the plasma region comes from the 'diamagnetic' effect of the charged particles in their helical trajectory around the magnetic field lines. The (container of the) magnetometer will exclude the plasma, and a simple-minded approach, treating the ionosphere in the same way as for a conventional diamagnetic fluid, predicts that the field seen by the magnetometer will be somewhat larger than the (reduced) field in the plasma. However, the 'diamagnetic' properties of the ionosphere are quite different from those of a conventional diamagnetic. In particular, there is a 'reflection' of the ionospheric charged particles at the surface of the magnetometer, and the overall effect is that the magnetometer does actually measure the field present in the plasma before the magnetometer is inserted. Similarly, any leakage fields from the magnetometer have no effect in the magnetosphere.     

南极中山站的f_0F2特征

本文利用电离层数字测高仪 (DPS - 4)所测的f0 F2和从美国NOAA和DMSP卫星观测估算的半球功率指数和午夜极光区赤道侧边界纬度等资料 ,考察中山站电离层的极区特征。结果表明 ,冬季中山站电离层内的电离生成主要取决于从磁层沉降的粒子。在太阳活动和地磁变化宁静环境下 ,磁正午极隙区内的软粒子是最主要的电离源 ,它能使f0 F2达全天的最大值 ;上、下午各有数小时处于极光带内时 ,高能粒子的电离作用也很重要 ;夜间进入极盖区后 ,电子密度则很低。夏季太阳辐射电离效应使f0 F2值比冬季增加 1- 1 .5MHz,而其日变化的最大值时间也提前了 1- 2hr。发生很大扰动时 ,极隙区和极光带的位置均向低纬方向移动。若中山站日间也处于极盖区内时 ,电子密度会大幅度下降 ,并常接收不到电离层回波的信号。在中等扰动环境下情况更加复杂。由于高纬电离层对流速度很高 ,离子 /中性分子间的碰撞复合系数就很大。热层中性大气全球经向环流对高纬电离层电子密度的增加无显著作用。磁暴期间中午从极隙区向南的等离子体对流对中山站f0 F2的增高也无明显影响。     

THE POLAR IONOSPHERE AND THE MAGNETOSPHERE-IONOSPHERE COUPLING

EISCAT (the Incoherent System at the northern polar region) data are used in discussion of the magnetosphere-ionosphere coupling. Comperison between samples in geomagnetic quiet days and during magnetic storms shows a significant effect of the basic magnetospheric processes on the features of the polar ionosphere. It not only demonstrates that the polar ionosphere can be regarded as a 'panoramic screen' of these process, but also indicates an importance of the simultaneous observation of southern and northern polar regions (especially, at the magnetic conjugate points). A few topics concerned are suggested for the further study of the southern polar region.     

GPS scintillation studies in the arctic region during the first winter-phase 2008 Indian Arctic Expedition

We present the results of scintillation studies based on the data obtained during the first winter-phase Indian Arctic Expedition in March 2008 at the Indian Himadri Station, Ny-Ålesund (78.9°N, 11.9°E), in the vicinity of the daytime cusp and under the nightside polar cap. A global-positioning-system ionospheric scintillation and TEC monitor (GISTM) receiver (model GSV4004A) was used to record scintillations and the total electron content (TEC). The polar ionosphere is more sensitive to phase than to amplitude scintillations. Occurrence of amplitude scintillation is confined to well-defined regions, while phase scintillation shows a strong characterization both in magnetic latitude and magnetic local time. Occurrence of amplitude and phase scintillation increases during disturbed compared with quiet days. During disturbed days, the phase-scintillation region is displaced towards lower latitudes, following the auroral oval. The observed noon peak in scintillation occurrence may indicate that the irregularities that generate scintillation are caused by precipitation in the daytime cusp/cleft region. A significant enhancement of the TEC and the rate of change of the TEC index (ROTI) signified transits of polar-cap patches across different satellite trajectories during geomagnetic storms. We found that patches are most likely to occur when IMF Bz is southward and/or K_p > 4. Loss of signal lock was more for the L2 signal than for L1, and shows a maximum in the morning sector. Positional errors tend to increase during disturbed conditions.     

北斗系统在远洋及南极地区的定位性能分析

利用北斗/GPS双系统四频率接收机,于2011年10月至2012年4月采集了中国第28次南极考察沿线的北斗和GPS实测数据,跨度北至中国天津,南至南极内陆昆仑站。从C/A码伪距的信噪比和多路径、可见卫星数、PDOP值、标准定位的精度等方面对比分析了北斗和GPS系统在航线上不同区域,尤其是在远洋及南极地区不同运动状态下的定位效果。结果表明现阶段的北斗系统信号质量总体上与GPS相当;在45°以内的中低纬度地区,动态定位精度与GPS相当,水平和高程方向分别可达10 m和20 m左右,而静态定位水平方向精度为米级,与GPS相当,高程方向10 m左右,较GPS略差;在中高纬地区,由于可见卫星数较少、卫星分布较差,定位精度较差或无法定位。     

极区极夜期间E层占优电离层的分布特征

E层占优电离层是指E层的峰值电子密度大于F层的峰值电子密度（N_mE>N_mF）时的电离层,记为ELDI（E-Layer Dominated Ionosphere）。针对ELDI,利用2007-2010年的COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate satellite)掩星数据,在修正地磁纬度-磁地方时标系下统计分析了它在南北极区极夜期间（南北半球的冬至日前后30天）的分布特征,结果表明极夜期间电离层ELDI特征明显,其分布与极光椭圆位形基本一致,而且其在夜侧的发生率较高,特别是磁子夜之后,北极为70%左右,而南极为90%左右;另外南极的ELDI特征在磁纬度分布上要略宽于北极的分布范围。在ELDI高发区,电离层峰值电子密度要高于其两侧地区,特别是在夜侧,尤其是磁子夜前的峰值电子密度要接近甚至大于磁正午的峰值电子密度,在南极地区格外明显;而且ELDI高发区内的E层的电子含量（TECE）、电离层总电子含量（TECI）及TECE占TECI的比重（TECEI）都高于其两侧地区,北极TECE和TECI大于南极,而TECEI则是南极大于北极。这些现象主要是由于极夜期间极区高能粒子沉降引起底部电离层电离率增大所致;同时,由于地磁轴偏离地理轴的程度在南极要大于北极,使得极夜期间南极地区的电离层的电子密度,特别是在F层要相应地小于北极地区,从而导致了极夜期间南北半球极区电离层ELDI特征之间差异。     

极光区高空物理过程与磁层-电离层耦合

极区高空物理现象之观测具有悠久历史。对极区地磁、电离层和极光现象的深入考察将地球物理的研究领域扩展到了外层空间,并提出了太阳风－磁层－电离层－热层间耦合这一重要课题。耦合物理机制的证实不仅是火箭、卫星探测的重要贡献,而且也是基于对地面雷达和遍及全球大陆的地磁台站、电离层垂测站之长期观测成果。对流电场、一区和二区场向电流、电离层扰动电流系（包括极光区电集流）,以及电导率的分布和变化乃是一有机整体,对其每一环节的深入认识均与对整体的全面了解密不可分。有关的理论和模式研究则有助于人们深入理解各个耦合过程的相互关系,以及其各发展阶段中不同物理过程的相对重要性。