LEO GPS接收机仪器偏差估计

LEO GPS观测已成为空间电离层研究重要手段之一,通过GPS双频观测值获取的TEC则是电离层探测的一个重要参量,为获取高精度TEC需估计和消除GPS接收机仪器偏差（DCB）.本文旨在探索一种全新的LEO GPS接收机仪器偏差的估计方法：基于电离层球对称的假设,利用CHAMP和COSMIC原始GPS观测数据,采用几何映射函数,通过最小二乘解算出GPS接收机仪器偏差.结果表明：(1)2008年1月份期间,通过上述方法解算的仪器偏差都较稳定,相比COSMIC网上发布结果,标准偏差都在0.6 ns以内;（2）COSMIC（轨道高度大约800 km）仪器偏差估计结果优于CHAMP（轨道高度大约400 km）的结果,原因为：对于不同轨道高度LEO GPS仪器偏差估计,其较高轨道高度的电离层球对称假设影响较小.     

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.     

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.     

高纬电离层气候学特征研究--EISCAT雷达观测及与IRI模式的比较

利用1988～1999年欧洲非相干散射EISCAT（European Incoherent Scatter）雷达观测数据,对不同太阳活动周相、不同季节的极光椭圆区电离层F区电子密度进行统计分析,研究其气候学特征,并与IRI 2001模式比较.EISCAT观测到的电子密度显示出显著的太阳活动高年“冬季异常”和太阳活动低年半年变化等现象.EISCAT实测电子密度随时间和高度的平均二维分布和500 km高度以下总电子含量TEC,从总体来看与IRI 2001模式预测结果符合较好.但高年在TEC达到最大值前后,IRI 2001模式预测的电子密度高度剖面与EISCAT观测结果有显著差别：F2峰以上IRI 2001模式预测的电子密度过大,造成TEC明显高于雷达观测值.另外,在太阳活动下降相,EISCAT观测显示出明显的半年周期季节变化特征,但IRI 2001模式未能预测出此下降相季节变化.     

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。     

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.     

基于非相干散射雷达和GPS观测研究Millstone Hill地区等离子体层电子含量

本文尝试结合非相干散射雷达和GPS TEC观测数据提取等离子体层总电子含量(PTEC).我们首先描述所用的技术方法,然后具体利用了Millstone Hill台站的观测数据研究该地区上空等离子体层总电子含量(PTEC)的变化情况.我们采用变化标高的Chapman函数对非相干散射雷达测得的电子浓度剖面数据进行拟合,然后通过对剖面积分得到100 km到1000 km高度范围的电离层总电子含量.GPS提供的TEC数据为高度达20200 km的总电子含量,两者之差可近似看成等离子体层的电子含量.本文分别选取太阳活动高年(2000, 2002年)和太阳活动低年(2005,2008年)Millstone Hill台站的静日数据进行研究.结果表明,等离子体层电子含量及其所占GPS TEC的比例具有明显的周日变化.PTEC含量在白天高于夜间,而所占GPS TEC的百分比,夜间明显高于白天.太阳活动高年所选月份等离子体层电子含量在4~14 TECU (1TECU=10¹⁶el/m²) 范围内变化,夜间所占比例可达60%左右.太阳活动低年所选月份等离子体层电子含量在3~7 TECU范围内变化,所占比例夜间最高可达80%左右.我们所得到的结果与前人基于其它观测手段所得结果在变化趋势上一致,在量级上也大致相当.因此,这从一个侧面证明了我们所用方法的可靠性.非相干散射雷达能够探测包括F2层峰值以下及以上高度的电子浓度,利用这一设备所观测得到的资料来推算电离层电子含量将比前人基于电离层垂测仪观测资料进行的推算更具真实性,由此得到的等离子体层电子含量也将更为接近真实情况.     

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、400km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400km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,400km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400km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.     

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.     

2012年4月11日苏门答腊Ms8.6地震前电离层TEC异常变化

基于IGS提供的GPS TEC资料和中国地壳运动观测网络提供的GPS数据解算的单站VTEC数据,采用统计分析处理方法,对2012年4月11日苏门答腊北部Ms8.6地震震前电离层TEC资料进行处理分析,结果表明:在震前5-6天以及地震当天,震中上空附近出现显著的电离层TEC异常扰动,异常形态有正有负,表现为先异常减小后异常增大最后变小,异常增大主要发生在下午至黄昏时段,即12:00-16:00 LT,持续时间约4小时.排除太阳活动和地磁扰动的影响后,4月5日出现的电离层TEC异常增大及呈现出共轭结构以及地震当天出现的异常扰动,可能与此次地震有关.     

电离层垂直TEC映射函数的实验观测与统计特性

利用GPS信标测量获得的电离层电子浓度总含量（TEC）是沿电波路径的斜向TEC.理论研究和实际应用中,常常需要通过映射函数将斜向TEC转换为垂直方向的TEC,这在当前主要采用对电子浓度分布模型的数值积分得到模型映射函数来实现.本文在考察现有不同模型映射函数的基础上,又提出了一种源于实际观测的实验映射函数的概念与估算方法.我们利用IGS的全球GPS观测站的斜向TEC和JPL提供的垂直TEC数据获得了2006年期间的实验映射函数,并对所得结果进行了初步统计分析.在卫星天顶角较小时,上述实验映射函数和模型映射函数之间相差甚微,均可很好描述垂直TEC与斜TEC之间关系;但卫星天顶角较大时,实验映射函数和常用的模型映射函数之间存在明显差异.本文认为,这种差异主要是因为现有模型映射函数中没有考虑到等离子体层的贡献.我们认为采用基于实验映射函数的模式,或者通过考虑等离子体层的贡献对现有模型映射函数进行改进,可以有效提高电离层TEC的估算精度.     

Assessment of global TEC mapping using a three-dimensional electron density model

Dual-frequency transmissions from the Global Positioning System satellites can be used to measure and map ionospheric total electron content (TEC) on global scales. Using data exclusively from ground-based GPS networks, global ionosphere mapping has been successfully applied using either two- or three-dimensional techniques. Two-dimensional TEC maps retrieve a horizontally-varying distribution of total electron content, assuming a fixed vertical electron density profile. In three-dimensional mapping, both the horizontal and vertical distribution density are adjusted to fit the data. We describe a three-dimensional TEC mapping algorithm that uses three independent constant-density slabs stacked vertically to model the electron density, and compare with a more conventional two-dimensional approach using a single slab. One apparent benefit of the new method is reduction in a level error of the TEC maps, which decreased by 1.7 TECU using the three-dimensional retrieval on simulated data (1 TEC Unit corresponds to 10¹⁶ electrons/m²). Another benefit of the multilayer approach is improved slant TEC modeling. Using actual data from an equatorial site at Cocos Islands (96.8E, 12.2 S), three slab modeling improved estimates of slant TEC by a factor of 2 for elevation angles between 10 and 20° (9 versus 4.4 TECU, root-mean-square). However, the global structure of the vertical TEC retrievals we analyzed did not improve using three-dimensional modeling. This may be due to a critical approximation shared by both techniques that TEC persists unchanged at a given local time. This assumption is required to produce global maps from observations acquired from widely scattered ground receivers. Further improving the retrieval of global TEC structure with ground-based data probably requires improved dynamical models of TEC behavior. New data available from GPS receivers in low Earth orbit is also promising.     

汶川地震同震电离层扰动研究

利用中国大陆陆态观测网(CMONOC)的下关、 昆明和庐州GPS台站, 对汶川地震引起的同震电离层扰动(CID)进行研究。 通过对GPS原始观测数据进行处理证实汶川地震存在5个明显的同震电离层扰动(CID)现象。 根据GPS TEC时间序列和走时, 得到在电离层高度CID的水平传播速度为1.1 km/s, 属于震中区地表抬升引起的声波在电离层中传播速度; 同时, 也得到次一级CID传播速度接近0.7 km/s, 认为可能是重力波。 在此基础上, 利用射线追踪模型寻找震中位置发现, 当CID水平传播速度为1000 m/s时, 发震时刻对应的标准偏差能达到最小值19.55 s, 相应的CID起源位置是30.8°N, 103.15°E, 距离实际震中西南方向33.6 km。     

Dependence of the ionospheric response on the solar flare parameters based on the theoretical modeling and GPS data

The measurements of an increase in the total electron content (TEC) of the ionosphere during solar flares, obtained based on the GPS data, indicated that up to 30% of TEC increments corresponded to the ionospheric regions above 300 km altitude in some cases, and TEC increased mainly below altitudes of 300 km in other cases. The theoretical model of the ionosphere and plasmasphere was used to study the obtained effects. The altitude-time variations in the charged particle density in the ionospheric region from 100 to 1000 km were used depending on the solar flare spectrum. An analysis of the modeling results indicated that an intensification of the flare UV emission in the 55–65 and 85–95 nm spectral ranges results in a pronounced increase in the electron density in the topside ionosphere (above 300 km). The experimental dependences of the ionospheric TEC response amplitude on the localization and peak power of flares on the Sun in the X-ray range, obtained based on the GPS data, are also presented in the work.     

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．     

Configuration of the upper boundary of the ionosphere

Variations of the upper boundary of the ionosphere (UBI) are investigated based on three sources of information: (i) ionosonde-derived parameters: critical frequency foF2, propagation factor M3000F2, and sub-peak thickness of the bottomside electron density profile; (ii) total electron content (TEC) observations from signals of the Global Positioning System (GPS) satellites; (iii) model electron densities of the International Reference Ionosphere (IRI^*) extended towards the plasmasphere. The ionospheric slab thickness is calculated as ratio of TEC to the F2 layer peak electron density, NmF2, representing a measure of thickness of electron density profile in the bottomside and topside ionosphere eliminating the plasmaspheric slab thickness of GPS-TEC with the IRI^* code. The ratio of slab thickness to the real thickness in the topside ionosphere is deduced making use of a similar ratio in the bottomside ionosphere with a weight Rw. Model weight Rw is represented as a superposition of the base-functions of local time, geomagnetic latitude, solar and magnetic activity. The time-space variations of domain of convergence of the ionosphere and plasmasphere differ from an average value of UBI at ∼1000 km over the earth. Analysis for quiet monthly average conditions and during the storms (September 2002, October–November 2003, November 2004) has shown shrinking UBI altitude at daytime to 400 km. The upper ionosphere height is increased by night with an ‘ionospheric tail’ which expands from 1000 km to more than 2000 km over the earth under quiet and disturbed space weather. These effects are interposed on a trend of increasing UBI height with solar activity when both the critical frequency foF2 and the peak height hmF2 are growing during the solar cycle.     

基于北斗、GLONASS和GPS系统的中低纬电离层特性联合探测

基于GNSS(Global Navigation Satellite Systems)的发展,我们利用具有北斗、GLONASS和GPS三系统信号接收功能的接收机观测的数据,结合电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)的反演算法,提取出GNSS三系统观测的电离层TEC;同时,将GNSS三系统获取的TEC应用到电离层TEC地图、行进式扰动、不规则体结构和电离层的太阳耀斑响应等方面的研究中,这也是首次使用三种GNSS系统数据对电离层进行联合探测研究.研究结果表明,增加了北斗系统的GNSS三系统在研究中国地区电离层TEC地图、周日变化、逐日变化,行进式扰动以及电离层的实时监测等方面较单系统的GPS具有明显的优势.     

GPS-based ionospheric corrections for single frequency radar altimetry

The global ionospheric total electron content maps (GIMs) provide integrated electron densities between the ground and the GPS satellite altitude (20,200 km). Satellite altimeter ionospheric delay corrections require integrated electron densities between the ground and altimeter satellite altitude. In the case of the Geosat Follow-On (GFO) spacecraft, flying at 800 km, we estimated that using GIM TEC data alone, up to a 2 cm path delay can be introduced into the GFO measurements for high solar activity period by not taking into account the electron content above this altitude. Furthermore, the GIMs can have errors of 20–30 TECU in low latitudes for high solar activity in areas where there is little GPS data (such as over the oceans). In this paper, we describe the results of ingesting GIM TEC data into the International Reference Ionosphere model (IRI-95) to mitigate these two effects.     

Large-scale disturbances of auroral origin during strong magnetic storms of October 29–31, 2003, and November 7–11, 2004, according to the data of the GPS network and ionosondes

The intensity of large-scale traveling ionospheric disturbances (LS TIDs), registered according to measurements of the total electron content (TEC) during the magnetic storms of October 29–31, 2003, and November 7–11, 2004, has been compared with that of local electron density disturbances. The data of TEC measurements at ground-based GPS receivers located near the ionospheric stations and the corresponding values of the critical frequency of the ionospheric F region (foF2) were used for this purpose. The variations in TEC and foF2 were similar for all events mentioned above. The previous assumption that the region of thickness 150–200 km in the vicinity of the ionospheric F region mainly contributes to TEC modulation was confirmed for the cases when the electron density disturbance at an F region maximum was not more than 50%. However, this region probably becomes more extensive in vertical when the electron density disturbance in the vicinity of the ionospheric F region is about 85%.