基于等离子体GCPM模型对电离层薄壳模型高度的仿真研究

在基于GPS数据提取电离层总电子含量(TEC)的过程中,电离层薄壳高度的选择对解算电离层垂直TEC的精度有很大的影响.但由于不可能获得一个真实的从电离层D层到GPS卫星高度的电子密度剖面,关于电离层薄壳高度的选择一直是基于GPS数据解算电离层TEC方法中关注的一个问题.本文利用等离子体GCPM模型,对太阳活动高年(2002)和太阳活动低年(2008)情况下电离层有效薄壳高度的选择进行了仿真计算.结果表明,最佳的薄壳高度在2002年为560 km,而在2008年为695 km.通过对全球八个具有代表性地点的仿真计算,揭示了有效薄壳高度更复杂的变化特点.在白天,最佳薄壳的高度变化不大(500 km至750 km);但在夜晚,最佳薄壳高度变化范围很大,甚至可以超过2000 km.此外,本文还对不同卫星仰角的情况下斜向TEC转换为垂直TEC的误差进行了分析,结果表明:随着卫星仰角的增加,薄壳模型带来的转换误差基本上是单调减少的.因而,在实际应用中,尽可能地采用大仰角的卫星数据有助于提高解算的电离层垂直TEC的精度.最后,对全球不同地点的电离层TEC的仿真研究表明,在电子密度水平梯度较大的地区,应用电离层薄壳模型时会导致电子密度较高处的TEC被高估,而电子密度较低处的TEC被低估,在分析基于GPS数据提取的电离层TEC空间变化时要认识到这一点.     

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.     

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.     

COSMIC低轨卫星GPS接收机差分码偏差估计

GPS接收机差分码偏差（Differential Code Bias,DCB）是利用COSMIC低轨卫星观测值反演电离层总电子含量TEC的一项重要误差源.本文将COSMIC卫星轨道高度以上的电离层作为一个单层,采用球谐函数来参数化电离层TEC值,并利用最小二乘法同时估算电离层球谐系数和DCB参数.运用这种方法对2012年12月份的所有COSMIC卫星GPS接收机DCB进行了解算,并与COSMIC数据分析与档案中心CDAAC提供的产品进行了比较.实验结果表明：在2012年12月期间,估计的接收机DCB与CDAAC结果符合的较好,二者DCB变化趋势相近,DCB差值的RMS值在2 TECU以内,且最大绝对差值小于3 TECU;此外,本文计算的接收机DCB估计误差主要分布在0.2~0.4 TECU之间,具有较高的内符合精度.     

利用卫星和GPS观测研究低纬局部等离子体浓度增强现象

本文同时利用DMSP、ROCSAT-1卫星数据和地基的GPS观测数据,研究一种与低纬等离子体泡相伴随的局部等离子体浓度增强现象.地基GPS的观测表明电离层总电子含量(TEC)也能反映这种等离子体浓度增强.通过4个观测事例的详细分析表明:这种等离子体浓度增强主要出现在磁纬±10°～±20°的局部区域,有时在近磁赤道区和中纬地区的电离层顶部也能观测到;与等离子体泡的出现规律相似,这种等离子体浓度增强主要出现在地方时21∶00以后,并在午夜后也能观测到.当等离子体浓度增强和等离子体泡发生时,在午夜前一般对应着背景垂直速度明显向上的扰动,在午夜后一般处于等离子体垂直速度下降至反向前的时间段,表明东向电场对于低纬不规则体的产生有非常重要的作用.     

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.     

全球以及区域电离层电子含量分布图的比较

电离层延迟是空间大地测量数据处理中一项重要误差源.电离层延迟可以根据电子含量分布图(IM)以及映射函数模型计算得到.本文以IGS、JPL和NOAA提供的电子含量分布图为例,比较了这些电子含量分布图在给定台站的不同观测高度角穿刺点上的天顶电子含量,并比较了采用单层和双层球壳映射函数模型获得的斜路径电子含量.分析结果显示两种映射函数模型在计算斜路径的影响差别不大.JPL的天顶电子含量影响总要比IGS的大约3TECU左右,呈现出明显的系统差.NOAA与IGS的系统差则相对不明显,个别台站的差值较大.表明不同GPS数据分析中心获得的电子含量分布图模型存在一定的系统差,在实际运用中应考虑这些差异.     

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.     

电离层TEC卡尔曼滤波成像研究

随着太空探测技术的进步,对TEC(Total Electron Content,简称TEC)探测精度要求越来越高.本文利用COSMOS 2414卫星数据资料获得观测TEC,在电离层NeQuick模型下,得到电离层电子密度,并使用卡尔曼滤波算法反演电子密度,最后结合电离层测高仪数据对实验结果进行判定.结果发现利用卡尔曼滤波反演信标资料算法,可以获得可靠的二维电子密度场.     

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.     

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.     

Tomographic imaging of the ionosphere using the GPS/MET and NNSS data

The earlier experiments of ionospheric tomography were conducted by receiving satellite signals from ground-based stations and then reconstructing electron density distribution from measures of the total electron content (TEC). In June 1994, National Central University built up the low-latitude ionospheric tomography network (LITN) including six ground stations spanning a range of 16.7° (from 14.6°N to 31.3°N) in latitude within 1° of 121°E longitude to receive the naval navigation satellite system (NNSS) signals (150 and 400 MHz). In the study of tomographic imaging of the ionosphere, TEC data from a network of ground-based stations can provide detailed information on the horizontal structure, but are of restricted utility in sensing vertical structure. However, an occultation observation mission termed the global positioning system/meteorology (GPS/MET) program used a low Earth orbiting (LEO) satellite (the MicroLab-1) to receive multi-channel GPS carrier phase signals (1.5 and 1.2 GHz) and demonstrate active limb sounding of the Earth's atmosphere and ionosphere. In this paper, we have implemented the multiplicative algebraic reconstruction technique (MART) to reconstruct and compare two-dimensional ionospheric structures from measured TECs through the receptions of the GPS signals, the NNSS signals, and/or both of the systems. We have also concluded the profiles retrieved from tomographic reconstruction showing much reasonable electron density results than the original vertical profiles retrieved by the Abel transformation and being in more agreement in peak electron density to nearby ionosonde measurements.     

基于Gauss-Markov卡尔曼滤波的电离层数值同化现报预报系统的构建-以中国及周边地区为例的观测系统模拟试验

本文给出了一个基于Gauss-Markov卡尔曼滤波的电离层数据同化系统的初步构建和试验结果.我们选择中国及周边地区部分涉及电离层观测的台站(包括子午工程台站、中国地壳形变网和部分IGS台站)作为观测系统进行模拟试验,背景场利用IRI模式,观测值则由NeQuick模式计算得到.我们的同化结果表明,采用Kalman滤波算法,把部分斜TEC同化到背景模式当中,能够获得较好的同化结果,说明我们设计的算法可行、所选择的各种参数比较合理,采用Gauss-Markov假设进行短期预报也取得了较合理的结果.本项研究经过进一步的改进和完善,可以用来对中国地区的电离层进行现报和短期预报,一方面满足相关空间工程应用,另一方面可以提升现有观测系统的科学意义.     

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.     

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.     

利用GPS监测电离层不均匀结构探讨

利用上海地区GPS综合应用网提供的高时空分辨率的双频GPS观测资料,研究了该区域内一电离层不均匀体的产生、消亡过程.首先,采用Kalman滤波的方法改善双频伪距之差的观测精度,并利用参数估计的方法计算该时段内相应的硬件延迟.再根据电离层单层模型,利用GPS双频观测量、测站位置和GPS精密星历,求出GPS信号穿刺点的坐标和垂直方向电离层的电子含量;然后内插并获取其等值线图.等值线图随时间的变化表明,受等离子体湍流的影响,2003年9月8日北京时间9时40分左右在38°N、118°E左右产生了一电离层不均匀体,其尺度大约在50km左右,生存时间大约为5min.受地球重力场和高空风场的影响,该不均匀体向东北方向扩散.然后,利用大气扩散模型,按扩散方程计算分析了该不均匀体可能发生的电离层层区.理论计算表明,该不均匀体发生在电离层扩展F区,高度在350km左右.     

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.     

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%.     

Imaging of structures in the high-latitude ionosphere: model comparisons

The tomographic reconstruction technique generates a two-dimensional latitude versus height electron density distribution from sets of slant total electron content measurements (TEC) along ray paths between beacon satellites and ground-based radio receivers. In this note, the technique is applied to TEC values obtained from data simulated by the Sheffield/UCL/SEL Coupled Thermosphere/Ionosphere/Model (CTIM). A comparison of the resulting reconstructed image with the input modelled data allows for verification of the reconstruction technique. All the features of the high-latitude ionosphere in the model data are reproduced well in the tomographic image. Reconstructed vertical TEC values follow closely the modelled values, with the F-layer maximum density (NmF2) agreeing generally within about 10%. The method has also been able successfully to reproduce underlying auroral-E ionisation over a restricted latitudinal range in part of the image. The height of the F2 peak is generally in agreement to within about the vertical image resolution (25 km).