北斗掩星事件数量与分布的模拟研究

北斗卫星导航系统作为我国自主开发的卫星导航系统,在掩星探测领域有着广泛的应用前景.文章针对利用LEO星载掩星接收机进行北斗掩星探测的任务,在建立LEO卫星轨道模拟系统和北斗全星座模拟系统的基础上,通过仿真计算研究了不同LEO轨道参数条件下北斗掩星事件的特点.分析了对于单颗LEO卫星,北斗掩星事件的数量和分布随LEO轨道参数包括轨道近地点角距、升交点赤经、轨道高度和倾角而变化的规律.针对北斗导航系统由GEO、IGSO和MEO三种轨道卫星组成的特点,对不同类型北斗卫星的掩星事件进行了研究,并分别总结了三种轨道北斗卫星掩星事件的特点.研究结果对利用北斗导航系统进行掩星探测有参考作用.     

电离层GPS掩星观测改正TEC反演方法

电离层掩星观测中，当低轨卫星（LEO）轨道高度较低时，轨道以上的电离层电子总含量（TEC）对掩星反演的影响不能忽略.目前，一般采用指数函数等外推方法来处理该问题，对反演结果可能引起较大误差.为提高电离层掩星反演精度，本文研究利用LEO处于非掩星一侧GPS观测数据的改正TEC新反演方法.用三维射线追踪程序计算出电离层掩星观测模拟数据，分别应用改正TEC方法和外推方法进行反演，将反演结果与所用模式值进行比较.结果表明：对于轨道高度约800km的GPS/MET掩星模拟数据，外推方法和改正TEC方法反演结果都与模式值基本一致；对于轨道高度约400km的CHAMP掩星模拟数据，外推方法误差较大，改正TEC方法反演结果与模式值相符得较好.将改正TEC方法应用于GPS/MET实测数据的反演，取得了合理的结果.这些说明，改正TEC算法是一种有效的电离层掩星反演方法，尤其是对于轨道较低的LEO的电离层掩星观测反演特别有用.     

低轨卫星轨道误差对中性层延迟量影响的模拟研究

GPS掩星监测大气方法中需要载有GPS接收机的卫星的精密定轨信息，而该卫星的轨道 精度对GPS掩星监测大气的效果进行分析是十分必要的. 基于地球大气模式CIRA1986，本文采用三维射线跟踪方法模拟了有代表性的5次完整的GPS掩星事件，得到了卫星的轨道精度 对GPS掩星测量中关键参数的影响的初步结果. 结果表明，该卫星的常规轨道误差对掩星测量的影响较小，完全可以采用差分定位方法来获取掩星测量中所需要的卫星定轨信息.     

基于下一代四星转轮式编队系统精确和快速反演FSCF地球重力场

第一,由于重力卫星编队轨道的稳定性设计是建立下一代高精度和高空间分辨率地球重力场模型的关键,因此为保证下一代四星转轮式编队系统的稳定性,轨道根数的最优设计如下:(1)轨道半长轴a、轨道偏心率e、轨道倾角i和升交点赤经Ω保持不变;(2)每对卫星的近地点幅角ω和平近点角M分别相差180°;(3)初始近地点辐角ω设置于赤道处,初始平近点角M设计于极点处;(4)卫星编队系统椭圆轨道的半长轴和半短轴之比为2:1. 第二,基于下一代四星转轮式编队系统,利用星间速度插值法,通过相关系数(激光干涉测量系统的星间速度0.85、GPS接收机的轨道位置和轨道速度0.95、星载加速度计的非保守力0.90)、观测时间30天和采样间隔10 s,反演了120阶FSCF-1/2/3/4(Four-Satellite Cartwheel Formation)地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为1.162×10^-4 m,较目前GRACE地球重力场精度至少提高一个数量级. 第三,下一代四星转轮式编队系统具有低轨道高度、高精度测量、全张量观测、弱混频效应和强时变信号的优点.     

GPS测量误差对大气掩星反演精度影响分析

在无线电GPS大气掩星观测中,GPS和LEO卫星的位置误差、速度误差、卫星钟的漂移、载波相位观测误差等会给其反演的大气参量带来一定的误差.为定量分析上述GPS测量误差对大气掩星反演精度的影响,本文采用模拟分析的方法,利用CHAMP实测轨道数据和大气与电离层经验模式,采用三维射线追踪方法模拟得到大气附加相位观测数据;然后根据各种GPS测量误差的不同性质,在模拟掩星观测大气附加相位数据中加入GPS测量误差并进行反演,将其反演结果与未加入误差时的反演结果进行比较,分析各测量误差所带来的掩星反演误差的特点;利用一天的151个分布全球的掩星事件的误差结果进行统计分析.结果表明:(1)±10 m的GPS径向位置误差引起的温度反演误差的平均误差在30 km的高度为(-+)0.8K,标准偏差为0.05K;±0.4 m的LEO径向位置误差引起的温度反演误差的平均误差在30 km的高度为(-+)1.2K,标准偏差为0.07K.(2)仅考虑卫星速度误差对掩星几何关系的影响,则±30 m/s的GPS速度误差引起的温度反演误差的平均误差最大为±0.02K,标准偏差为0.3K;±10 m/s的LEO速度误差引起的温度反演误差的平均误差最大为±0.4K,标准偏差为0.06K.(3)当卫星钟漂为1×10-9时,反演温度误差的平均误差在30 km的高度为263K,标准偏差为16K,当卫星钟漂为1×10-14时,反演温度误差的平均误差在30km的高度为0.019K,标准偏差为0.004K.(4)当L1和L2载波相位观测误差分别为1 mm和2 mm时,引起的温度反演的平均误差在30 km的高度为0.01K,标准偏差为0.4K.(5)利用较接近真实观测的三维大气和电离层背景下的模拟附加相位数据,同时加入国际最新指标的各种GPS测量误差进行反演,误差分析结果为:在30 km以下,折射率和密度的相对误差小于0.3%(1σ),压强的相对误差小于0.5%(1σ),温度误差小于1K(1σ).     

地球非偶极磁场对虚地磁极计算的影响

古地磁学使用的虚地磁极（VGP）是在地心偶极磁场假设下计算的,由于地球非偶极磁场的存在，VGP一般不同于真地磁极（RGP）.为了定量检验非偶极磁场对VGP的影响，本文利用国际参考地磁场模型IGRF 1900～2000，在全球5°×5°的“虚拟测点”网格上计算了VGP和RGP的位置，并求出两种磁极的经纬度偏差和二者的角距离.结果表明，南极地区VGP与GP的角距离最大，可达26°，南大西洋和欧亚大陆北部最大达到24°和18°，其余地区一般小于15°.VGP对RGP的偏差与地磁场分布有关：在非偶极磁场较弱的地区（如太平洋半球），纬度偏差一般不大（≤10°），但是在主要地磁异常区（如南大西洋和南极地区），VGP对RGP的纬度偏差可达25°.VGP对RGP的经度偏差要比纬度偏差大得多，例如在欧亚大陆北部地区，经度偏差分布在-180°到180°的大范围内.     

2001年4月2日太阳耀斑及其太阳质子事件的观测结果研究

2001年4月2日, 太阳爆发了一个近年来X射线通量最大的一次耀斑并伴有质子事件, 利用“资源一号”卫星星内粒子探测器和神舟二号飞船X射线探测器的观测资料, 对这一事件的高能粒子响应进行了特例研究. “资源一号”卫星运行于太阳同步轨道, 高度约800km, 和宁静时期的统计结果对比, 这次耀斑后, 星内粒子探测器在地球极盖区（地球开磁场区）观测到耀斑粒子的出现, 这是宁静时期没有的; 神舟二号飞船轨道高度400km, 倾角为42°, X射线探测器在42°中高纬地区也观测到高能电子通量比宁静时明显的增加, 这表明, 太阳耀斑引起的近地空间辐射环境的变化遍及纬度约40°以上的区域, 甚至在40°N附近400 km左右的高度上仍然有响应. 但是, 中高纬度、极光带和极盖区的粒子来源, 加速机制和响应方式却不一定相同, 需要分别讨论. 资料分析和对比还表明, 质子事件的强度并不一定和耀斑的X射线通量成正比, 因此, 近地空间高能粒子对耀斑的响应也不是完全决定于X射线强度.     

利用GRACE卫星精密微波测距确定星间平均电子密度

本文介绍如何利用GRACE两颗卫星之间K波段双频微波精密测距和轨道数据,得到星间平均电子密度.发展了一种将连续轨道电子密度极小对齐到零的方法,以消除整周模糊度;借助CHAMP卫星朗缪探针测量得到的轨道电子密度基值以及GPS掩星数据计算的等离子体垂直梯度标高,进一步修正了GRACE星间电子密度所固有的偏差;从而得到大约500 km高度上长达近十年的全球电子密度数据.为了检验消除偏差后GRACE星间电子密度数据的可靠性,对比了GRACE卫星过Millstone Hill雷达上空时,非相干散射雷达观测到的大致同时和相近位置的电子密度数据,结果显示,二者之间的线性相关系数为0.97,平均偏差为-7.26%,GRACE星间电子密度总体稍微偏低,偏差的标准差为18.6%.为进一步验证本文方法所得数据的可用价值,利用消除偏差后的电子密度数据,对GRACE卫星与CHAMP卫星在近乎相同的地方时而高度不同的近圆极轨道上飞行的情况下,两颗卫星观测到的电子密度随经度和纬度的全球分布进行了对比分析.多方面的对比检验证明,本文方法得到的几乎连续10年的GRACE高度上全球电子密度数据基本可靠,为电离层气候学与天气学研究提供了宝贵资料.     

北半球电离层中纬槽发生率及其槽极小位置变化的统计研究

本文利用2014年9月到2017年8月全球高时空分辨率TEC数据对北半球四个经度带电离层中纬槽的发生率和槽极小位置的变化进行了统计研究.基于Kp指数,我们引入了一个包含地磁活动变化历史效应的地磁指数(Kp 9)来分析中纬槽位置变化与地磁活动水平的关系.通过与其他地磁活动指数的对比,发现槽极小纬度与Kp 9指数的相关性最好.此外,本文重点分析了中纬槽发生率及槽极小纬度的经度差异、季节变化、地方时变化以及与地磁活动强度等的关系.结果表明,中纬槽的发生率与经度关系不大,主要受到季节、地方时与地磁活动的影响.午夜中纬槽发生率在夏季较低,其随地方时的变化则呈现出负偏态分布的特点,在后半夜发生率更高,而地磁活动增强对中纬槽的发生具有明显的促进作用.对于槽极小纬度,其在四个经度带的分布差异不大,但月变化各不相同,其中-120°经度带呈单峰分布,在夏季槽极小纬度更高,而0°经度带夏季槽极小纬度更低.槽极小的位置显著依赖于地磁活动、地方时以及季节变化.一般说来,地磁活动越强,中纬槽纬度越低.中纬槽位置随地方时的变化有明显的季节差异,冬季昏侧槽极小纬度随地方时变化较快,弱地磁活动条件下22∶00 LT前即达到最低纬度,其后位置几乎保持不变,而两分季槽极小纬度从昏侧至午夜都在降低,夏季槽极小纬度从昏侧连续下降至03∶00 LT左右.     

火星无线电掩星探测进展

火星是地球的姊妹星，研究火星对了解火星、地球乃至太阳系的演化具有重要意义.自从1964年美国水手4号发射，首次成功地运用无线电掩星技术探知到火星的环境特征之后，国际上不少的火星任务都开展了掩星实验，取得了重要进展.本文依据采用了无线电掩星技术进行勘探的火星探测器发射时间顺序展开调研，针对具有开创性的水手系列、火星全球勘测者、火星快车、火星大气挥发演化探测器、天问一号等，梳理分析和总结了各任务的火星无线电掩星方式以及所获取的廓线数量、位置分布、获取方式等产品信息，以及部分相关的研究结果.本文还分析了当前火星无线电掩星探测方式存在的局限性，并探讨了可能的对策.火星无线电掩星后续可重点考虑多颗星-星掩星结合星-地掩星方式形成掩星星座；并通过选用适当的信号探测频率、改进反演算法等方式进一步提高掩星质量；火星掩星探测手段还可与火星顶部探测雷达、直接探测等手段相结合，发展火星多源数据融合技术.随着探测方式的不断改进，无线电掩星探测将是火星探测的重要手段.未来会有数量越来越多、时间与空间覆盖越来越全面、精度越来越高的掩星数据用于火星的整个空间环境研究，包括大、中尺度乃至小尺度结构的特征与演化规律都将...     

Global sounding of sporadic E layers by the GPS/MET radio occultation experiment

The GPS radio occultation technique is sensitive for layered structures with horizontal scales of around 100 km and with vertical scales of a few 100 m or more at the Earth's limb. These structures cause strong fluctuations of the GPS L1 and L2 phase paths which have been measured by a GPS receiver onboard of Microlab-1 satellite in 730 km orbit during the GPS/Meteorology experiment (GPS/MET of UCAR, Boulder). By means of GPS/MET radio occultation data, profiles of electron density fluctuations are derived for the mesosphere/lower thermosphere region with a height resolution of around 1 km. Data analysis of 1900 radio occultation events in June/July 1995, 1540 events in October 1995, and 2690 events in February 1997 confirms seasonal dependence of sporadic E layers. The meridian slices of average sporadic E activity show a dominance of plasma irregularities in the summer hemisphere. The irregularities mainly occur at heights 90–110 km. Auroral and equatorial sporadic E, electron density depletions, and multiple ionization layers are also present in the high resolution GPS/MET data. The multiple layers often have a distance of around 5–10 km in height, and appear up to a height of 140 km (upper height limit for 50 Hz sampling rate of GPS receiver). For February and June, the GPS/MET observations are compared to ground-based observations of the Asia/Australia ionosonde chain.     

Radio occultation data analysis by the radioholographic method

The radioholographic method is briefly described and tested by using data of 4 radio occultation events observed by the GPS/MET experiment on 9 February 1997. The central point of the radioholographic method (Pavelyev, 1998) is the generation of a radiohologram along the LEO satellite trajectory which allows the calculation of angular spectra of the received GPS radio wave field at the LEO satellite. These spectra are promising in view of detection, analysis and reduction of multipath/diffraction effects, study of atmospheric irregularities and estimation of bending angle error. Initial analysis of angular spectra calculated by the multiple signal classification (MUSIC) method gives evidence that considerable multibeam propagation occurs at ray perigee heights below 20 km and at heights around 80–120 km for the 4 GPS/MET occultation events. Temperature profiles obtained by our analysis (radioholographic method, Abel inversion) are compared with those of the traditional retrieval by the UCAR GPS/MET team (bending angle from slope of phase front, Abel inversion). In 3 of 4 cases we found good agreement (standard deviation σ_T∼1.5°K between both retrievals at heights 0–30 km).     

A methodology for using optimal MSIS parameters retrieved from SSULI data to compute satellite drag on LEO objects

A key application to be derived from Space Weather research will be to forecast atmospheric drag on low Earth orbit (LEO) satellites with significantly better accuracy than is attainable today. The recently launched STP P91-1 ARGOS mission will serve as a testbed for the use of future operational ultraviolet remote-sensing data to achieve such an improvement. This paper describes the associated methodology, which uses discrete inverse theory in conjunction with the data to derive correction factors in near real time for the MSISE-90 empirical thermospheric model. To simulate the application of this technique to orbit prediction, we use the Jacchia-71 operational model to generate an evolving “ground truth” upper atmospheric state over a 48 h time period. This permits a state-of-the-art Satellite Tool Kit orbit propagator to synthesize a corresponding “ground truth” orbit on a standard LEO test object at 350 km altitude. Our tests show that, for orbit prediction, the “data-enhanced” MSIS density specification can provide significant improvement over the uncorrected MSIS specification. However, for orbit prediction, the results are sensitive to the strategy selected for applying the correction factors. We contrast our results for orbit prediction with those of Marcos et al. (1998. Astrodynamics. Vol. 97(1). AAS, San Diego, pp. 501–513) for precision orbit determination. An important result in the context of Space Weather is that the Jacchia and MSIS models can show significant point-to-point disagreement, which has major implications for operational specification of thermospheric drag.     

利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量的变化特征

本文尝试利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量(简称PEC)的变化规律.首先介绍从低轨卫星对GPS的顶部TEC观测资料提取等离子体层垂直电子含量的方法,然后利用该方法提取2008年全年的PEC数据,进而研究了2008年这一太阳活动低年PEC随地磁纬度(MLAT)、磁地方时(MLT)以及不同季节的变化规律.此外,还利用提取的120°E和300°E经度链上的数据对比研究了PEC的经度变化情形.研究结果表明:(1)PEC主要集中分布在磁赤道±45°之间的一个绕地球的环带状区域中;(2)PEC表现出以下的昼夜变化规律特征:白天时段之值高于夜间,约在12—16MLT之间达到最高峰值,而最小PEC值出现在日出前大约4—5MLT左右的时段;(3)相比其他季节月份而言,PEC在北半球夏季月份(5—8月)具有最小值;(4)PEC存在明显的经度变化,不同经度链上的PEC存在不同的季节变化特征.     

近地空间环境的GNSS无线电掩星探测技术

从GPS/MET计划开始,基于GNSS的无线电掩星技术已成为一种强大的近地空间环境探测手段.截至到目前,已经有20多颗发射的低轨道卫星带GPS掩星接收机,其中COSMIC是首个专门用于掩星探测的卫星星座.这些掩星数据被广泛应用于气象预报、气候与全球变化研究、及空间天气监测和电离层研究.由于COSMIC的成功,相关合作单位目前正积极推动COSMIC-2计划,该计划将总共有12颗卫星,于2016年与2019年各发射6颗.COSMIC-2将携带一个高级的GNSS掩星接收机,它将接受GPS与GLONASS信号,并具备接受其他可获得信号源的能力(如中国北斗定位信号),其每日观测的掩星数量将是COSMIC的4~6倍.同时COSMIC-2还将携带两个空间天气载荷,加强空间天气的监测能力.本文以COSMIC与COSMIC-2计划为主线,对掩星的发展历史、技术要点进行了简单介绍,并简要综述了COSMIC取得的部分科学成果,同时对未来包括技术发展和众多的掩星观测进行了展望.     

Properties of the sunspot latitudinal distribution skewness

The properties of the sunspot latitudinal distributions related to skewness have been studied based on the data of the extended Greenwich catalog for 1874–2011. The results of the performed analysis indicate that a significant skewness is present in most annual latitudinal distributions of the sunspot index. In this case, the distribution skewness increases near the 11-year cycle maximum phase. An increase in the sunspot group number is also accompanied by an increase in skewness. In particular, when the sunspot index is large, the number of groups located below midlatitudes is mostly larger than the number of groups above these latitudes and this imbalance increases with increasing total sunspot activity level. In medium and large 11-year cycles, the average distribution skewness for a cycle is always positive and its value is related to the cycle amplitude. This results agree with the theoretical models of the 11-year cycle, where the specific features of the low-latitude meridional circulation are related to the sunspot activity level.     

地基GNSS VTEC约束的大气掩星电离层误差修正方法

介绍了一种考虑电离层沿GNSS掩星射线路径分布不对称且兼顾一阶和二阶项的大气掩星电离层误差修正新方法,它综合地基GNSS VTEC的水平变化信息和电离层模式的垂直变化信息,在沿"入射线"与"出射线"双边局部球对称假设下,估算GNSS掩星射线路径上的电子密度;进而计算一阶和二阶项弯曲角电离层误差廓线.采用太阳活动低年的2008年7月15日和太阳活动较高年的2013年7月15日两天的MetOp-A和GRACE掩星观测资料和IGS的GNSS VTEC数据,计算了GNSS大气掩星弯曲角一阶和二阶项电离层误差廓线.对比分析表明：新方法经验模型和理论模型的二阶项弯曲角电离层残差,以及经验模型与实测数据的一阶和二阶项弯曲角电离层误差均具有良好的一致性,因此该方法可用于L2信号数据质量较差或L2信号中断的掩星事件,同时修正大气掩星一阶和二阶电离层误差,从而提高弯曲角精度和掩星观测资料的利用率.