基于陆态网络GPS数据的电离层空间天气监测与研究

中国大陆构造环境监测网络(简称陆态网络)是以全球卫星导航定位系统(GNSS)为主,辅以多种空间观测技术,实时动态监测大陆构造环境变化,探求其对资源、环境和灾害的影响的地球科学综合观测网络.基于陆态网络约200个基准站的GPS观测数据,本文探讨了其在电离层空间天气监测与研究方面的应用.包括磁暴期间电离层暴扰动形态,大尺度电离层行进式扰动,太阳耀斑引起的电离层骚扰和低纬电离层不规则体结构等.研究结果表明:陆态网络布局合理,观测数据质量良好,完全可用于中国及周边地区电离层空间天气监测与研究,为进一步开展我国电离层空间天气预警和预报奠定了观测基础.     

北美地区夜间中尺度电离层行进式扰动的GPS台网监测研究

本文利用2007年6月～2008年5月期间北美GPS台站密集地区的TEC观测资料,对夜间中尺度电离层行进式扰动(MSTIDs)的传播特性进行了分析研究.结果表明:北美地区的夜间电离层行进式扰动一般发生在美国西部时间21:00～02:00LT(05:00～10:00UT)时段,表现在TEC中的最大扰动幅度为0.45～0....     

中国电离层TEC现报系统

作为最重要的电离层参量之一,电离层电子浓度总含量(TEC)可以通过当前广泛使用的全球定位系统(GPS)的信标进行观测.我们在我国北起漠河、经北京和武汉、南到三亚四个观测站建立了GPS接收站,经单站数据处理后将原始的单站GPS TEC观测数据上载到北京数据处理中心;采用我们发展的经验基函数模式算法,用实测数据估算格点TEC并提供给用户,同时生成覆盖中国疆域的TEC地图并在因特网上实时发布.这一电离层TEC现报系统是我国首个类似的技术系统,在观测站布局和TEC地图算法上有所创新.该系统已用于实时监测我国电离层环境,并可为我国卫星定位导航和测控等技术系统的电波修正提供实测电离层数据.     

中国西南区域孕震区电离层TEC变化长时间序列分析

通过中国地壳运动网络提供的GPS观测数据,获取了高精度电离层TEC分布,采用滑动四分位法分析了中国西南区域2008年4—10月(太阳和地磁活动平静时段)6次连续的MW6.0以上地震期间孕震区电离层TEC长时间变化及其异常分布;并在此基础上利用GIM数据对比分析了全球TEC变化特征。鉴于电离层主要受到太阳和地磁等空间天气的影响,将TEC变化与太阳EUV辐射、行星际磁场南向分量IMF Bz以及地磁活动指数Dst和Kp进行了比较。结果发现,该时段内电离层TEC异常扰动与太阳和地磁活动有很好的相关性;除汶川地震外,其他地震前没有发现明显的跟地震相关的TEC异常扰动现象。同时,对比分析了与上述研究区位于同一地磁纬度的"检验区"(30°~50°E,15°~35°N)的GPS TEC随时间变化和异常分布情况,结果显示TEC异常分布的时空特征与研究区域较为一致。由于电离层是一个复杂的系统,其扰动具有多源性,而且地震电离层扰动现象是复杂多变的,因此需要联合地基和天基手段共同观测,并加强其机理研究。     

基于GPS探测汶川地震电离层TEC的异常

利用球谐模型和中国地壳运动观测网络及IGS（International GNSS Service）基准站的GPS观测数据,分别计算了中国区域及全球电离层电子总含量（Total Electron Content,TEC）,采用了不同的统计分析方法,对汶川震中上空及邻近区域的TEC进行检查.结果发现：震前后一个星期,孕震区上空连续出现电离层异常扰动,其异常形态具有共轭结构,且呈现向磁赤道漂移趋势.     

中国电离层TEC同化现报系统

数据同化是在基于物理机制的背景模型上,融合时空不规则分布的观测数据的一种现报方法.同化能够有效弥补数据的时空局限和模型的精度偏差,使二者相互匹配从而获得更加合理可信的模拟效果.本研究利用电离层数据同化方法,针对中国及周边区域（15°N-55°N,70°E-140°E）构建了电离层总电子含量（TEC）同化现报系统.系统使用国际参考电离层（IRI）作为背景场,利用中国科学院空间环境监测网和国际GNSS服务组织（IGS）的部分地基GNSS台站数据作为观测值,并采用三维变分与Gauss-Markov卡尔曼滤波相结合的算法进行背景场和观测值的数据同化,生成覆盖中国及周边区域的电离层TEC和GPS单频接收机延迟误差的格点化准实时现报地图,并在中国科学院空间环境预报中心（http：//sepc.ac.cn/TEC_chn.php）网上发布,每15 min进行更新.该系统是我国基于同化算法的电离层现报系统之一,已用于中国及周边区域的电离层环境实时监测,可为卫星导航、雷达成像、短波通信等科学研究和工程应用提供相对及时、准确、有效的电离层TEC和误差修正信息.     

利用GPS观测数据和IRI模型对比分析太阳活动低年广州地区电离层TEC变化

电离层TEC是描述电离层特性的一个重要参量,利用GPS观测数据（包括广州站接收的GPS-TEC数据和国际GNSS提供的IGS-TEC数据）与IRI-2007模型计算的TEC预测值对太阳活动低年2008年的广州地区TEC周日和季节变化以及年变化特征等进行了多方面的对比分析。结果表明：TEC观测值白天较高且变化迅速,夜间较低且变化缓慢,同时表现出明显的季节依赖性和半年变化特性,全年在春秋分季节出现两次峰值,IRI-TEC预测值能较好地反映GPS观测值,但局部上也存在着一些偏差,并对其中的物理机制和产生差异的原因给出了合理的分析和解释。     

2020年8月18日印度尼西亚MS7.0地震电离层扰动研究

基于GPS TEC单站数据、 GIM TEC数据、垂测数据以及中国电磁监测试验卫星观测的原位电子密度数据,利用时序和空间的扰动提取方法,对2020年8月18日(世界时)印度尼西亚M_S7.0地震所引起的电离层扰动开展了研究。通过分析,我们发现多数据源的异常主要集中出现在8月12日—8月15日。震中附近8月12日GPS TEC单站数据和GIM TEC数据有明显的正异常现象,8月13日卫星原位电子密度和GIM TEC数据提取到正异常扰动,8月14日观测到卫星原位电子密度和GPS单站TEC数值有所增加,8月15日卫星原位电子密度、 GIM TEC和GPS单站TEC均出现正异常现象。此次地震引起的电离层异常不仅出现在震中上空,同时也反映在震中磁共轭区域。对应于8月12日震中附近的TEC异常,磁共轭区的单站TEC出现同步扰动,8月13日卫星数据、 GIM TEC和单站TEC数据在磁共轭区同步响应,8月15日磁共轭区的卫星原位电子密度、 GIM TEC、 GPS单站TEC和垂测数据均提取到了正异常扰动,并且与震中附近扰动出现的时间和幅度都有一定的共性。     

基于单站多系统的GNSS硬件延迟估算方法及其应用

随着全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite Systems,GNSS）的不断发展,中国地区单个GNSS接收站在一个时刻可以接收到超过30颗GNSS卫星的信号,这为单站GNSS硬件延迟估算方法的研究提供了有利条件.本文首先通过GNSS硬件实验,分析了不同温度条件下GNSS系统硬件延迟的变化特征,研究结果显示：当温度快速变化时,硬件延迟变化比较剧烈,变化幅度可达12.53 TECU（1 TECU=10 ¹⁶el·m^-2）;在恒温条件或室温条件下,硬件延迟变化比较缓慢,变化幅度在1.00 TECU左右.在GNSS系统硬件延迟实验的基础上,充分利用单站多星观测的特点,提出了一种基于单站多系统的GNSS硬件延迟的估算方法——单站三角分解与差分消元法,并将该方法应用于河北保定站2015-2017年GNSS系统硬件延迟的求解中.通过对估算的GNSS系统硬件延迟进行分析显示：单站三角分解与差分消元法具有计算速度快、独立性好的特点;在北斗系统上硬件延迟的求解效果优于GPS、GLONASS系统,硬件延迟求解的结果整体上比利用欧洲定轨中心全球电离层地图校正的结果大2.50~3.00TECU左右;同时,该方法在消除GNSS系统硬件延迟后,获得的垂直总电子含量（Total Electron Content,TEC）能较好地反映电离层TEC的周日变化、日出增强、半年变化、年变化和春秋分不对称性等特征.     

磁暴期间大尺度电离层行进式扰动在美洲扇区的GPS网观测

利用国际IGS网和美国CORS网提供的GPS TEC观测资料,构建了北美地区的二维TEC扰动图像,分析研究了2012年7月14日一次强磁暴期间大尺度电离层行进式扰动在北美地区的二维结构以及扰动沿着70°W左右的子午线在南北半球的分布与传播特性.研究结果表明,磁暴急始开始90分钟后,伴随着一次亚暴的膨胀相,在北半球发生了一次大尺度电离层行进式扰动事件.该扰动在北美地区形成幅度1.2~2.2 TECU,宽度达4000 km的等相面,以190°的传播方位角,西南向传播了2000 km,扰动的周期和水平相速度分别为40~60 min,500 m/s.通过台链观测发现,该扰动向西南方向一直传播到约30°N,在传播过程中,扰动的绝对振幅在55°N至42°N之间逐渐增强并达到最大值2.2 TECU,在42°N以南逐渐衰减.通过对相关时间段内北美亚极光带地磁观测数据的分析发现,在65°N至85°N、100°W至150°W之间,地磁场水平分量在LSTID发生前出现明显变化,显示极光电集流增强,这一区域是北美地区观测到的LSTID事件最可能的源区.北半球的电离层扰动消失之后约1小时,通过南半球GPS台链观测到南向电离层扰动,该扰动的绝对振幅为1.8 TECU,相速度为400 m/s左右,传播范围局限在16°S至20°S.在南北半球的低纬赤道区,台链观测没有发现与北美LSTID关联的电离层扰动.根据台链上扰动传播的中断,我们认为,南半球台链观测到的电离层扰动并不是北半球LSTID直接跨赤道传播到南半球的结果,而是北半球电离层扰动在赤道地区的耗散过程中形成的二次扰动引起的.     

Large-scale ionospheric gradients over Europe observed in October 2003

It is well known that ionospheric perturbations are characterised by strong horizontal gradients and rapid changes of the ionisation. Thus, space weather induced severe ionosphere perturbations can cause serious technological problems in Global Navigation Satellite Systems (GNSS) such as GPS. During the severe ionosphere storm period of 29–31 October 2003, reported were several significant malfunctions due to the adverse effects of the ionosphere perturbations such as interruption of the WAAS service and degradation of mid-latitudes GPS reference services. To properly warn service users of such effects, a quick evaluation of the current signal propagation conditions expressed in a suitable ionospheric perturbation index would be of great benefit. Preliminary results of a comparative study of ionospheric gradients including vertical sounding and Total Electron Content (TEC) data are presented. Strong enhancements of latitudinal gradients and temporal changes of the ionisation are observed over Europe during the 29–30 October storm period. The potential use of spatial gradients and rate of change of foF2 and TEC characterising the actual perturbation degree of the ionosphere is discussed. It has been found that perturbation induced spatial gradients of TEC and foF2 strongly enhance during the ionospheric storm on 29 October over the Central European region in particular in North–South direction exceeding the gradients in East–West direction by a factor of 2.     

2015年3月磁暴期间中国中低纬地区电离层变化分析

2015年3月17日爆发了本太阳活动周最大的地磁暴,Dst指数达到-233 nT.本文利用电离层测高仪f_。F_2和h_mF_2、北斗同步卫星(BDSGEO)TEC以及GPS电离层闪烁S4指数对此次磁暴期间中国中低纬地区(北京、武汉、邵阳和三亚)的电离层变化进行分析,并对此次磁暴所引发电离层暴的可能机制进行了探讨.磁暴期间,中低纬电离层暴整体表现为正相暴之后长时间强的负相暴.3月17日白天中纬正相暴为风场抬升电离层所致,而驼峰区及低纬地区正相暴由东向穿透电场所引起;3月18日白天长时间的强负相暴为西向扰动发电机电场和成分扰动所引起;3月17和18日夜间的负相暴可能是日落东向电场受到抑制以及赤道向风场对扩散的抑制导致驼峰向赤道压缩所致,同时被抑制的日落东向电场强度不足以触发产生赤道扩展F,导致低纬三亚和邵阳夜间电离层闪烁在磁暴期间受到完全抑制.这是我们首次基于北斗同步卫星TEC组网观测开展的电离层暴研究.     

A neural network approach for regional vertical total electron content modelling

A Neural Network model has been developed for estimating the total electron content (TEC) of the ionosphere. TEC is proportional to the delay suffered by electromagnetic signals crossing the ionosphere and is among the errors that impact GNSS (Global Navigation Satellite Systems) observations. Ionospheric delay is particularly a problem for single frequency receivers, which cannot eliminate the (first-order) ionospheric delay by combining observations at two frequencies. Single frequency users rely on applying corrections based on prediction models or on regional models formed based on actual data collected by a network of receivers. A regional model based on a neural network has been designed and tested using data sets collected by the Brazilian GPS Network (RMBC) covering periods of low and high solar activity. Analysis of the results indicates that the model is capable of recovering, on average, 85% of TEC values.     

利用陆态网络实时监测电离层TEC及在地震监测中的应用分析

中国大陆构造环境监测网络(陆态网络)是中国最大的GPS综合服务网络,该网络包括260个分布全国的GPS基准站。本文首先介绍了利用GPS研究电离层TEC的基本原理与方法,然后阐述了陆态网络电离层TEC监测系统的数据处理及产品发布的详细流程,最后分析了震前电离层异常现象与地震发生的耦合关系,并利用陆态网络电离层TEC监测系统的产品分析了四川省芦山7.0级地震的同震电离层扰动现象。     

利用GPS计算TEC的方法及其对电离层扰动的观测

在总结用ＧＰＳ研究电离层电子总量ＴＥＣ的数据处理方法基础上,分析了利用伪距观测量和载波相位观测量计算电离层ＴＥＣ的特点及误差来源．在处理过程中考虑了卫星的硬件延迟偏差,分析了应用ＩＲＩ模型进行接收机硬件延迟偏差修正的可能性,发现利用少量ＧＰＳ数据和ＩＲＩ模型修正接收机硬件延迟偏差有一定的困难．最后,利用一些ＧＰＳ观测数据有针对性地研究了电离层对若干次扰动事件的响应．包括一次大的太阳耀斑期间的电离层ＴＥＣ变化、一次较典型的电离层行扰以及日食期间的电离层ＴＥＣ的相对变化等电离层物理问题．结果表明,利用该方法计算ＴＥＣ的精度可满足电离层扰动现象的研究．     

BDS/GLONASS非组合精密单点定位模型与算法

在GPS非组合精密单点定位(PPP)模型的基础上,针对BDS和GLONASS系统各自的特点,分别提出了适用于BDS和GLONASS系统的非组合PPP模型,并在此基础上构建了BDS/GLONASS联合处理的函数模型.新模型中考虑了BDS系统GEO卫星伪距长周期多路径效应引起的系统性偏差(BDS GEO Multipath Bias,BGMB),将其作为参数进行估计;另外,新模型中还考虑了GLONASS系统伪距频间偏差(inter-frequency-biase,IFB),将其参数化为卫星频率号的线性函数,并通过参数重组得到了满秩的函数模型和可估参数的形式.选取了2015年年积日200~230共一个月的11个MGEX跟踪站数据来验证新模型与算法的正确性和有效性,结果表明:将BDS系统伪距BGMB当作参数估计能够显著提高BDS单系统非组合PPP的收敛速度,并能减小伪距残差;通过线性函数来模型化GLONASS伪距IFB能够显著提高GLONASS单系统PPP的收敛速度,并能在一定程度上减小伪距残差;1个月BDS/GLONASS非组合PPP定位误差RMS在北、东、高三个方向分别为6.9 mm、9.1 mm和19.3 mm,表明提出的BDS/GLONASS非组合PPP模型与算法具有良好的定位性能.     

中国地区电离层TEC暴扰动研究

电离层总电子含量(TEC)是空间天气研究和监测预报的重要参量.本文引入了电离层TEC扰动指数DI, 对青岛等6个台站的DI数据进行分析,选取DI>0.35(DI≤-0.30)作为正(负)相电离层TEC扰动的强度标准,并以连续6 h及以上的DI满足该值来判定电离层TEC暴扰动事件.对电离层TEC暴扰动事件的统计分析表明,在地方时日落后至子夜前为发生高峰时段,正(负)相暴扰动事件平均持续时间约为10.9 h(10.5 h),正相暴发生率以冬季为多,夏季为少,而负相暴则以夏季略高.发现位于赤道异常驼峰区的广州站和位于高中纬度的海拉尔站比典型中纬地区的北京站电离层TEC暴扰动更易发生,且低纬地区以正相暴扰动为主.分析表明,约有70%的电离层TEC暴扰动伴随着有地磁扰动,但是电离层TEC暴扰动并不完全由地磁扰动所引起,强烈气象活动等局地环境因素也可能对电离层TEC暴扰动有着重要影响.     

Relationships between GPS-signal propagation errors and EISCAT observations

When travelling through the ionosphere the signals of space-based radio navigation systems such as the Global Positioning System (GPS) are subject to modifications in amplitude, phase and polarization. In particular, phase changes due to refraction lead to propagation errors of up to 50 m for single-frequency GPS users. If both the LI and the L2 frequencies transmitted by the GPS satellites are measured, first-order range error contributions of the ionosphere can be determined and removed by difference methods. The ionospheric contribution is proportional to the total electron content (TEC) along the ray path between satellite and receiver. Using about ten European GPS receiving stations of the International GPS Service for Geodynamics (IGS), the TEC over Europe is estimated within the geographic ranges –20° 40°E and 32.5° ø 70°N in longitude and latitude, respectively. The derived TEC maps over Europe contribute to the study of horizontal coupling and transport processes during significant ionospheric events. Due to their comprehensive information about the high-latitude ionosphere, EISCAT observations may help to study the influence of ionospheric phenomena upon propagation errors in GPS navigation systems. Since there are still some accuracy limiting problems to be solved in TEC determination using GPS, data comparison of TEC with vertical electron density profiles derived from EISCAT observations is valuable to enhance the accuracy of propagation-error estimations. This is evident both for absolute TEC calibration as well as for the conversion of ray-path-related observations to vertical TEC. The combination of EISCAT data and GPS-derived TEC data enables a better understanding of large-scale ionospheric processes.