2018年8月磁暴期间北斗GEO卫星电离层TEC时空变化分析

基于北斗GEO卫星独有的静地特性,本文利用其观测数据提取电离层TEC进行磁暴期间电离层TEC时空变化研究。同时利用全球电离层格网图GIM值进行试验对比,结果表明：北斗GEO卫星提取的TEC与GIM模型值变化趋势一致,并且前者可更有效地监测电离层的细微扰动变化。在此次磁暴发生期间,亚太地区电离层TEC变化及扰动响应特征在纬度方向差异明显。其中南北半球较高纬度区域,电离层TEC在磁暴主相阶段主要表现为正响应扰动,而赤道及北半球较低纬度区域,电离层TEC在磁暴主相及恢复相阶段均产生了强度更大、持续时间更长的正响应扰动。结合现有研究,认为造成此次电离层异常扰动的激励因素主要为东向快速穿透电场的增强及热层中性成分的变化。试验结果也证明了GEO卫星可以精准有效地监测在磁暴发生时电离层TEC的变化规律及不同空间位置处TEC产生的扰动响应特征。     

全球电离层对2015年3月17日强地磁暴的响应分析

强地磁暴会引起电离层剧烈扰动,这对卫星导航定位精度有严重影响。文中采用空基-地基观测数据分析了全球电离层对2015-03-17强地磁暴的响应特征。结果表明,在地磁暴期间电离层扰动明显,且各地响应特征并不一致。从纬度上看,中低纬地区电离层TEC和foF2有明显增加趋势,而高纬地区电离层TEC和foF2明显小于背景值。从经度上看,电离层扰动主要分布在欧洲-非洲扇区和美洲扇区,该区域TEC高于背景值30 TECU,foF2高于背景值5 MHz。表明此次电离层对地磁暴的响应与热层O/N_2比的变化有关。     

地磁暴期间电离层扰动监测及GNSS定位性能分析

为分析磁暴期间电离层扰动规律及GNSS定位性能变化，基于国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)全球观测数据及全球电离层图(global ionospheric map,GIM)，对2018年8月26日地磁暴事件引发的北半球地区电离层总电子含量(total electron content,TEC)异常变化和GPS定位性能进行分析.结果表明：北半球TEC异常存在纬度差异，高纬地区响应快，低纬地区异常值变化大，达12 TECU；磁暴期间高纬地区观测数据周跳变化明显，周跳比数值与磁静日相比最大下降61.84%；磁暴期间所有测站数据完整率下降，高纬地区下降响应快，下降严重，达38.65%，研究区所有测站数据完整率下降出现在磁暴恢复相，数据质量与TEC异常变化规律较为一致；对GPS双频动态精密单点定位(precise point positioning,PPP)结果进行分析发现，磁暴期间高纬地区测站定位误差显著增大，水平和垂直方向均方根误差(root mean squared error,RMSE)增至约0.7 m及1.8 m.     

磁暴事件对高精度TEC二维分布的影响

电离层总电子含量(TEC)是电离层探测与研究工作的重要特征参量之一．利用地基GPS接收站台网,可以获得大量的垂直TEC数据．本文提出一种高精度TEC地图重构方法,基于Kriging法对垂直TEC进行插值处理,实现了亚大区域高分辨率TEC二维分布的重构,并与实测数据对比验证了本方法的精度和有效性．基于此二维分布,分析了区域TEC值随时间、纬度的变化情况;重点分析了磁静日与磁暴期间南北半球不同纬度TEC值的不同表现特征,并给出了磁暴期间不同纬度TEC的变化趋势所存在的差异及其解释,相关研究成果可为区域高分辨率电离层监测系统的建立提供方法支撑．      

利用GNSS数据结合NeQuick模型优化磁暴期F2层临界频率参数估计

F2层临界频率foF2是高频通信的重要参数,目前获取F2层临界频率(foF2)最有效的手段是电离层测高仪,但磁暴期间电离层自身剧烈变化会造成测高仪foF2数据严重缺失。经验模型如NeQuick虽能给出foF2估计值,但磁暴期精度却不及磁静日水平。本文选取2015年12月19日至2015年12月22日磁暴期中国地壳运动监测网GNSS双频数据进行区域建模并估算出电子总含量(total electron content,TEC),利用实测区域TEC对NeQuick模型有效电离参数Az进行估计,得出NeQuick模型优化后TEC总含量和F2层临界频率foF2,并反演出磁暴期初相,主相及恢复相阶段变化过程。以中国地区台站实测数据作为参考对比,结果表明:GNSS数据优化后的NeQuick模型TEC精度大概提升了20%~40%,foF2的实时精度提升了10%~25%。GNSS优化后NeQuick模型能准确反演出电离层的由正相暴转为负相暴演化过程,而原始模型由于仅依赖于输入的太阳活动水平,只能反映出与磁静日水平相当的日变化趋势值。利用该方法可以有效提高磁暴期TEC和foF2的经验模型的计算精度,特别是弥补磁暴期foF2数据缺失的不足,可以作为磁暴期电离层垂直探测仪的有益补充或者有效参考。     

基于地基GPS研究台风引起电离层TEC的变化特征

利用GPS研究电离层,具有其他探测技术所没有的全天候、高分辨率、大范围等优点.本文采用双频GPS数据提取区域电离层电子浓度总含量（TEC）,并结合全球电离层地理（GIM）数据,借助滑动四分位距法建立TEC背景值.研究了台风“莫兰蒂”对其经过区域及登陆地点电离层TEC的影响.分析表明,台风登陆厦门前一天,厦门地区电离层TEC发生了较强的正扰动,登陆后第二天,TEC发生了小尺度的负扰动;台风临近台湾岛前,东南沿海和台湾岛区域电离层出现了大范围的正异常扰动,其值为15～20 TECU,持续时间10 h.结合厦门和台湾岛的地形,推测此次TEC异常原因是由于台风所激发的声重力波传播到电离层高度,造成了电离层的异常扰动.      

EEMD-RBF神经网络的电离层TEC预报模型

利用中、低纬度电离层总电子含量,首次建立基于集合经验模态分解与径向基函数神经网络组合模型的电离层TEC预报模型。同时,根据地磁指数的变化特征,对低纬度电离层TEC值进行磁暴日的预报建模。实验结果表明,文中提出的方法在平静日连续5 d和磁暴日连续5 d的预测上,预报效果有明显改善。     

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。     

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。     

2003～2006年磁暴期间欧洲区域电离层三维层析及演变分析

基于IGS跟踪站的GNSS观测资料,利用电离层三维层析技术,对2003~2006年间3次不同类型强磁暴期间欧洲区域上空电离层电子密度的三维时空分布进行了反演,反演结果精细地反映了电离层电子密度的三维结构。通过对电离层扰动演变过程的分析,表明电离层扰动情况与磁暴发展过程一致,同时发现磁暴引起的电离层扰动具有显著的纬度效应。另外,随着磁暴的发展,电子密度极大值所在高度也会发生变化。研究分析表明,电离层电子密度三维重构图像可以直观清晰地反映各经度面、纬度面和高度面上电子密度的分布和演变情况,能有效地辅助分析电离层在磁暴发生期间的扰动情况。     

Linux Shell在电离层TEC格网数据提取和分析中的应用

电离层延迟误差是卫星导航和定位中不可忽略的重要误差,全球电离层总电子含量(TEC)格网数据因其将全球按规则的经纬度格网化,并给出了相应格网点的电离层TEC值,从而为用户使用提供了极大的便利．本文基于Linux Shell脚本编写简单、快速和容易维护等优点,利用Shell脚本对电离层TEC格网数据进行提取和分析处理,主要包括全球和自定义区域电离层TEC数据提取、均值计算、格网经纬度互差计算、最值提取等应用,可为基于全球电离层格网(GIM)数据对全球或区域电离层TEC周年变化、季节变化、周日变化规律以及时空变化特性等相关规律的分析研究提供一定的参考.      

2003～2006年磁暴期间欧洲区域电离层三维层析及演变分析

基于IGS跟踪站的GNSS观测资料,利用电离层三维层析技术,对2003~2006年间3次不同类型强磁暴期间欧洲区域上空电离层电子密度的三维时空分布进行了反演,反演结果精细地反映了电离层电子密度的三维结构。通过对电离层扰动演变过程的分析,表明电离层扰动情况与磁暴发展过程一致,同时发现磁暴引起的电离层扰动具有显著的纬度效应。另外,随着磁暴的发展,电子密度极大值所在高度也会发生变化。研究分析表明,电离层电子密度三维重构图像可以直观清晰地反映各经度面、纬度面和高度面上电子密度的分布和演变情况,能有效地辅助分析电离层在磁暴发生期间的扰动情况。     

基于GPS-TEC方法的日偏食期间电离层效应研究

基于国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)WUHN、BJFS站GPS观测数据,利用码与相位观测值联合解算北京时间2010-01-15、2012-05-21日偏食前后电离层总电子含量(total electronic content,TEC),以此探测两次日偏食过程中的电离层效应。研究分析表明,日偏食期间电离层效应微弱,电离层TEC存在异常扰动,异常过程为先减少、达到最大变化量、逐步恢复正常,该过程与测站日偏食过程具有时间一致性,电离层TEC最大变化量不足1TECU,最大变化时刻滞后食甚时刻1~13min,不存在电离层TEC长时间异常现象。     

基于电离层电子含量变化率的周跳探测方法

推导了利用GNSS双频数据的基于电离层电子含量(TEC)变化率的周跳探测方法,分析了电离层平静期和活跃期的TEC变化率,并认为对1s采样率的数据来说无论是否发生电磁暴都不影响TEC变化率法的使用,通过实验证明TEC变化率法能对1s采样率数据中的、其它周跳探测方法较难探测的小周跳进行探测,而联合利用TEC变化率法和MW法可对各自不敏感的周跳组合进行有效探测,实验证明:联合法对电离层平静期和活跃期中、采样间隔为1s的数据中的周跳都具有很高的探测成功率。     

基于移动Chapman－Millre方法的汶川Ms8．0地震电离层异常研究

基于IGS全球电离层TEC地图数据,提取到汶川地震上空TEC时间序列。使用移动Chapman－Miller太阳日变化分析方法,研究了地震前后15天TEC异常现象。结果显示,地震前6天（除5月9日外） TEC都出现了不同程度的减小现象,5月9日TEC周日峰值出现延迟现象;5月3日,即地震前第9天出现了TEC增大现象。离发震时刻较远的4月29日出现了TEC减小现象;震后3天也出现了明显的减少现象。排除磁暴等因素后,认为这些异常现象可能是汶川地震引起的地震－电离层耦合效应。     

基于移动Chapman-Miller方法的汶川Ms8.0地震电离层异常研究

基于IGS全球电离层TEC地图数据,提取到汶川地震上空TEC时间序列。使用移动Chapman-Miller太阳日变化分析方法,研究了地震前后15天TEC异常现象。结果显示,地震前6天(除5月9日外)TEC都出现了不同程度的减小现象,5月9日TEC周日峰值出现延迟现象;5月3日,即地震前第9天出现了TEC增大现象。离发震时刻较远的4月29日出现了TEC减小现象;震后3天也出现了明显的减少现象。排除磁暴等因素后,认为这些异常现象可能是汶川地震引起的地震-电离层耦合效应。     

基于GPS观测分析青岛地区电离层板厚变化特性

基于青岛站2000年8月至2006年4月间半个太阳活动周的GPS和测高仪的同步观测,提取期间的电离层TEC和 f_o F₂的小时观测数据,联合分析该地区电离层板厚的日变化、季节变化和随太阳活动变化,研究表明青岛地区电离层板厚在日出前时段出现明显的增强峰,并随季节和太阳活动呈现出较复杂的变化关系.利用板厚的相对偏差,探讨了电离层板厚扰动变化分布特征.      

2017年9月磁暴期间电离层TEC变化分析

为了进一步研究磁暴对电离层总电子含量变化的影响,基于2017年9月6日太阳爆发X93级特大耀斑并引发磁暴现象,文中将iGMAS提供的全球电离层总电子含量格网数据与中国科学院空间环境预报中心(SEPC)提供的磁暴环电流指数进行相关性分析,并重点分析了磁暴过程中不同阶段环电流指数与全球不同纬度带电离层总电子含量变化的相关性及影响,结果表明:1) 此次特大耀斑爆发13小时后发生大磁暴,磁暴主相阶段环电流指数与滞后1 h的电离层总电子含量相关系数为-0999 7,即随着磁暴加剧电离层总电子含量迅速增加,恢复相阶段迅速减少并趋于稳定;2) 电离层总电子含量变化随磁暴环电流指数变化而变化,两者变化趋势一致,磁暴强度与电离层总电子含量变化呈强负相关性,磁暴对不同纬度带的电离层总电子含量影响趋于一致,影响程度大小由高纬至低纬逐渐递减;3) 磁暴对不同纬度带的电离层总电子含量变化影响不同步,其影响存在由高纬逐渐延伸至低纬,磁暴主相阶段对不同纬度带的影响时延约为1 h,恢复相阶段时延逐渐消失,电离层电离层总电子含量变化趋于稳定;[JP2]4) 此次磁暴恢复相阶段出现的电离层总电子含量异常变化,还有待进一步研究分析。      

CEEMD与GRNN神经网络电离层TEC预报模型

针对电离层电子总含量(TEC)存在非线性、非平稳,由多因素影响导致高噪声的问题,建立了补充集合经验模态分解(CEEMD)和广义回归神经网络(GRNN)模型相结合的CEEMD-GRNN电离层TEC预报模型. 以解决直接使用原始数据进行预测会导致拟合效果差、预测精度低的问题. 采用国际GNSS服务(IGS)中心提供的2019年电离层数据对高、中、低纬度磁暴和非磁暴的不同年积日数据进行实验,低纬处均方根误差(RMSE)最优可达到0.97 TECU,相对精度为91.28,验证了CEEMD-GRNN预报模型精度高于EMD-GRNN以及单一的GRNN模型.      

不同地形条件下台风对电离层TEC的影响

利用二阶算子处理的GPS-TEC(Total Electron Content)序列和TEC变化率的标准偏差ROTI(Rate of Total Electron Content Index),并结合GIM(Global Ionosphere Map)数据和IRI-Plas 2017(International Reference Ionosphere and Plasmasphere model)模型的电离层TEC,综合分析了台风麦德姆和山竹分别登陆台湾省和广东省时对其登陆区域电离层TEC的影响。研究表明,麦德姆登陆台湾时,台湾上空有明显的电离层TEC负扰动,其值为3～5 TECU;而山竹登陆广东省时电离层TEC无明显扰动。强对流天气和剧烈起伏的地形能够为声重力波的发展提供有利条件。麦德姆登陆台湾时,由于中央山脉的阻力作用,大气中的陡直递减率为声重力波的发展创造了理想的条件。受起伏地形的影响,声重力波可以传播到电离层高度,干扰电离层电子密度。