国际GNSS服务组织全球电离层TEC格网精度评估与分析

国际GNSS服务组织(International GNSS Services,IGS)发布的全球电离层TEC格网(Global lonospheric Map,GIM)是利用GNSS进行电离层研究的主要数据源之一.IGS电离层工作组于2016年2月正式授予中国科学院为全球第五个电离层数据分析中心,由测量与地球物理研究所和光电研究院联合实施.本文系统地总结和展示了IGS电离层工作组对各分析中心GIM评估的结果;此次评估以基准站实测电离层TEC、测高卫星电离层TEC为参考,给出了各分析中心1998-2015年GIM的总体性能.结果显示:随着IGS基准站日益增多,各分析中心GIM内符合精度由4.5~7.0TECu提升至2.5-3.5TECu;不同分析中心GIM一致性从3.0~4.5TECu提升至2.0~3.5TECu;相对于测高卫星电离层数据,CODE、CAS、JPL和UPC分析中心的GIM精度相对较高(约4.0~4.5TECu),但是在不同测高卫星评估结果之间存在不同的系统性偏差.     

2015年3月特大磁暴期间中国区域电离层TEC NeuralProphet预报模型研究

延迟是全球卫星导航定位中重要的误差源之一,提高电离层TEC建模和预报精度对改善卫星导航定位精度至关重要.本文构建了以太阳辐射通量指数F_10.7、地磁活动指数Dst、地理坐标和中国科学院(Chinese Academy of Sciences, CAS)GIM数据为输入参数的NeuralProphet神经网络模型(NP模型),实现在2015年3月特大磁暴期中国区域电离层TEC短期预报.为验证NP模型的预报精度,本文同时构建了长短期记忆神经网络(Long Short-term Memory Neural Network, LSTM)模型进行对比分析.结果统计分析表明,NP模型在磁暴期(2015年DOY076-078)TEC预报值RMSE和RD分别为0.83 TECU和3.13%,绝对和相对精度较LSTM模型分别提高1.49 TECU和10.25%;且NP模型RMSE优于1.5 TECU的比例达97.24%,远高于LSTM模型.NP模型预报值与CAS具有较好一致性和无偏性,偏差均值仅为-0.01 TECU,而LSTM模型预报值的均值偏大,偏差均值为1.49 TECU.从...     

台风“鲶鱼”期间电离层TEC变化异常分析

为了分析台风中心区域的电离层异常扰动过程,本文利用CODE提供的全球GIM电离层TEC网格数据,借助滑动四分位距法对2016年超强台风"鲇鱼"发生期间的电离层TEC异常进行了探测和分析.对超强台风"鲇鱼"发生的7个时间段电离层时间序列进行了异常值探测,发现在台风发生前2天,电离层TEC出现异常.此次电离层TEC异常主要发生在当地时间的02:00到12:00,持续时间长达十个小时,台风中心区域最大异常值达到12TECU.台风中心区域附近上空和对应的磁赤道共轭区上空的电离层均出现异常现象,两区域异常现象基本呈现相同变化趋势,而台风中心区域的电离层异常扰动现象很可能是此次台风发生的前兆之一.     

利用半参数核估计法预报全球电离层总电子含量

本文将半参数平差模型引入电离层球谐函数系数的预报中,建立了半参数球谐函数模型(Semiparametric-Spherical Harmonic,Semi-SH)来预测全球电离层总电子含量.首先,通过快速傅里叶变换获得球谐函数系数的周期和振幅,将振幅高的主周期归入趋势函数,振幅低的剩余周期归入随机信号,建立了半参数模型,同时利用核估计方法拟合趋势函数,解算随机信号,并在时间域上进行外推,得到了预报时间的球谐函数系数,代入15阶电离层球谐函数模型,最后得出电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)的预报值.本文基于欧洲定轨中心(CODE)发布的球谐函数系数进行电离层TEC长期预报和短期预报分析,其中长期预报采用四年预报两年的模式对球谐函数系数进行预报,短期预报设计了三个算例,采用前30天预报后一天的模式,分别预报1天、滑动预报7天和滑动预报30天.实验结果表明:长期预报能够较好地反映全球电离层TEC的变化趋势和波动情况,Semi-SH模型对全球电离层TEC平均值(Mean TEC global,MTECglobal)的拟合值和预报值与MTECglobal实际值的相关系数分别为0.8743和0.8010,呈现出高度相关性.短期预报中,在太阳活动高年和太阳活动低年,Semi-SH模型在中纬度地区预报精度较CODE发布的电离层TEC 1天预报产品(CODE′S 1-Day Predicted GIM,C1PG)有较大提升,在高纬度与低纬度地区两种模型预报精度相当;Semi-SH模型在太阳活动高年和太阳活动低年30天滑动预报精度的均值均高于C1PG模型.实验结果说明了Semi-SH模型预报电离层TEC值的有效性.     

阿拉斯加2021年8.2级地震同震电离层扰动特征及对比分析

为分析2021年7月29日阿拉斯加8.2级地震引起的电离层响应,利用地震附近的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)观测数据估算电离层总电子含量(Ionospheric Total Electron Content, TEC)及同震电离层扰动(Coseismic Ionospheric Disturbances, CIDs).从多角度对CIDs的时空分布特征进行分析,并与阿拉斯加2018年7.9级走滑型地震以及2020年7.8级逆断层地震引起的CIDs对比.在地震西南方向探测到两类CIDs,最大扰动振幅约0.8 TECU(1 TECU=10¹⁶ el/m²),并且在西南方向距离震中约1094 km的测高站EA653探测到CIDs.在震中西北、东北和北方向探测到传播速度相近的CIDs.根据CIDs的速度和频率大小将CIDs分为两类,第一类CIDs的传播速度为1.87 km·s^-1,频率约为3.8 mHz,可能由地震声波引起,扰动量级最大;第二类CIDs的传播速度...     

基于载波相位平滑伪距与精密单点定位获取的TEC在GNSS电离层层析中的对比分析

利用GNSS(Global Navigation Satellite System)建立电离层层析(Computerized Ionospheric Tomography, CIT)模型反演电离层的结构,并探测和研究电离层的活动及其变化规律是目前的研究热点,其中相位平滑伪距(Carrier Phase Smoothing Pseudorange, CPSP)和精密单点定位技术(Precise Point Positioning, PPP)是两种主要的电离层电子含量(Total Electron Content, TEC)获取方式,但这两种方法对电离层层析的性能影响,目前尚未有研究进行比较分析.有鉴于此,本文利用欧洲区域2017年9月7、8两日的GNSS数据,分别基于CPSP和PPP获取TEC进行电离层层析反演并分析比较其精度,这两种反演方法分别称为CPSP-CIT和PPP-CIT.其结果显示,CPSP-CIT与测高仪之间的RMSE均值为0.9292×10¹¹ el/m³、PPP-CIT与测高仪之间的RMSE均值为0.6915×10^1...     

综合半参数核估计和自回归补偿的全球电离层总电子含量预报模型

针对电离层半参数球谐函数模型中窗宽参数选择引起的估计偏差,本文在传统的电离层球谐函数模型中引入半参数核估计和自回归(Autoregressive model,AR)模型,分别用于分离球谐函数模型的系统误差和窗宽参数引起的估计偏差,提出一种全球电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)组合预报模型.首先,利用多项式拟合法剔除球谐系数的趋势项;然后利用频谱分析法提取球谐系数的周期,引入半参数核估计平差模型求解模型参数,建立半参数球谐函数(Semiparametric-Spherical Harmonic,Semi-SH)模型;最后将Semi-SH模型拟合残差用AR模型补偿预报.实验结果表明,组合预报模型相比单一的Semi-SH模型有较大的提升,全球TEC预报值与欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)发布的TEC值相比,单天预报残差小于1 TECU、3 TECU和5 TECU占比分别为54.30％、93.40％和98.61％;组合模型滑动预报5天相对精度在低、中、高纬度地区分别提高了 2.14％、1.32％和2.32％.     

附加经验模型虚拟观测的全球电离层球谐函数建模

采用球谐函数建立GNSS反演全球电离层模型时,由于南极和海洋等地区缺少GNSS数据,导致电离层穿刺点分布不均匀甚至空白,电离层建模精度较差,甚至出现与物理背景不符的负值结果.本文研究附加经验电离层模型虚拟观测的全球电离层球谐函数建模,在穿刺点空白区域分别采用Klobuchar、IRI和NeQuick三种电离层经验模型计算的TEC信息作为约束,旨在比较三种经验模型对全球特别是穿刺点空白区域的电离层建模精度的改善效果,以及三种经验模型在不同地区的适用性.选取全球279个IGS站的全天GPS数据计算分析,结果表明,附加经验模型虚拟观测能有效提高全球电离层建模的精度,特别是穿刺点空白区域的精度.以UT11时刻为例,三种经验模型分别将全球建模精度从11.43TECU提高至3.28、3.42和4.15TECU;赤道周围采用IRI模型约束效果最优,南半球中高纬度和南极地区三种经验模型的效果相近,Klobuchar模型约束在中纬度地区效果最显著;此外三种经验模型在不同时刻的约束效果各有差别.     

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.     

玉树M_S7.1地震前电离层异常扰动分析

本文基于美国JPL实验室提供的全球电离层GPS TEC(GIM)数据和COSMIC掩星探测电子密度剖面,利用滑动四分位异常检测方法,综合分析了2010年4月13日青海玉树MS7.1地震前后15天内电离层异常的时空变化情况。研究结果表明,震前11天电离层TEC开始出现扰动异常,4月13日出现了明显的TEC增强现象,且峰值电子密度也存在相似的变化趋势,综合考虑空间活动水平等因素,认为这些异常很可能与玉树地震有关。     

Performance of different TEC models to provide GPS ionospheric corrections

The existence of a worldwide international GPS service (IGS) permanent network of dual-frequency receivers makes the computation of global ionospheric maps (GIMs) of total electron content (TEC) feasible. The GIMs computed by the IGS Associate Analysis Centers on a daily basis and by other kinds of forecast GIMs, which can be computed from, for instance, the international reference ionosphere (IRI) model, and the GPS broadcast models in the navigation message, can be applied to a broad diversity of fields, for instance as, navigation and time transfer.In this context, the performance of different kinds of models are presented in order to determine the accuracy of the different GIM. This is carried out by comparison with the TOPEX data that provides an independent and precise (at the level of few TECU) vertical TEC determination over the oceans and seas. Thus, the obtained accuracies, in terms of global relative error, ranging from 54% corresponding to the GPS broadcast model, to about 41% corresponding to IRI climatological model, and to less than 30% corresponding to GPS data driven models.     

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.     

Diurnal variations of the total electron content under quiet helio-geomagnetic conditions

The morphology of averaged diurnal variations of total electron content (TEC) under quiet helio-geomagnetic conditions for all latitudinal bands and various longitudes has been studied using Global Ionospheric Maps (GIMs) datasets. The diurnal TEC variation maximum is generally registered at 14–15 LT. The maximum is 38±5, 14±2, 10±2 TECU (TECU is generally accepted TEC unit) at the equatorial, middle and high latitudes. The nighttime TEC minimum is within 5–7 TECU regardless of a season, latitude and longitude. At the equatorial latitudes TEC exhibits the most significant daily/season variations and the asymmetry of its behavior in the hemispheres near the equinox. Abnormal diurnal TEC variations (evening maximum, near-noon minimum) are observed at middle and high latitudes in summer due to atmospheric wind effects. The comparison of the averaged diurnal TEC variations with the behavior of the ionospheric F2-layer critical frequency indicated that GIMs describe daily/annual TEC variations reasonably well.     

Anomalous modification of the ionospheric total electron content prior to the 26 September 2005 Peru earthquake

This paper investigates the features of pre-earthquake ionospheric anomalies in the total electron content (TEC) data obtained on the basis of regular GPS observations from the International GNSS Service (IGS) network. For the analysis of the ionospheric effects of the 26 September 2005 Peru earthquake, Global Ionospheric Maps (GIMs) of TEC were used. The possible influence of the earthquake preparation processes on the main low-latitude ionosphere peculiarity—the equatorial anomaly—is discussed. Analysis of the TEC maps has shown that modification of the equatorial anomaly occurred a few days before the earthquake. In previous days, during the evening and night hours (local time—LT), a specific transformation of the TEC distribution had taken place. This modification took the shape of a double-crest structure with a trough near the epicenter, though usually in this time the restored normal latitudinal distribution with a maximum near the magnetic equator is observed. Additional measurements (CHAMP satellite) have also confirmed the presence of this structure. To compare the vertical TEC measurements obtained with GPS satellite signals (GPS TEC), the International Reference Ionosphere, IRI-2001, was used for calculating the IRI TEC.     

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.     

IRI、NeQuick和Klobuchar模式比较研究

本文介绍了三种常见的电离层经验模式:IRI、NeQuick和Klobuchar,并且利用Jason-1卫星上搭载的高度计探测到的太平洋上空2006年电离层延迟数据,对这三个模式在低纬、中高纬地区模拟电离层TEC的精度进行了比较研究,结果表明:NeQuick、IRI-2007模式可以较好地模拟出白天电离层TEC位于赤道两侧的双峰结构,但不能得到精确的峰值大小和位置信息;三个模式在中高纬地区的模拟精度指标几乎全面高于低纬地区,其中,IRI模式在中高纬地区精度较高,相关性达到0.82022,标准差为3.0844TECU,NeQuick和Klobuchar模式模拟精度相当;整体比较,IRI-2007模式自相关系数为0.81016,NeQuick模式为0.70717,Klobuchar模式也达到了0.6878,说明这三个模式都能较好地模拟出电离层TEC的背景特征.总体上,IRI-2007模式精度最高,可以更有效地修正电离层延迟误差.     

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.     

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.     

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.