武汉大学IGS电离层分析中心全球电离层产品精度评估与分析

2016年2月,武汉大学卫星导航定位技术研究中心(Wuhan University, WHU)正式成为新的国际GNSS服务组织(International GNSS Services, IGS)电离层联合分析中心(Ionosphere Associate Analysis Center, IAAC).本文首次系统地评估和分析了武汉大学IGS电离层分析中心自2016年日常化运行以来(2016年1月到2018年9月,太阳活动低年)的全球电离层产品的精度,并与其他六家IAACs (CODE、JPL、ESA、UPC、EMR和CAS)进行了比较分析.结果表明:WHU的全球电离层产品能够长期稳定且有效地监测全球电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)的时空变化;和IGS综合全球电离层产品比较,WHU的模型均方根误差和CODE、JPL相差不大,均值约为1.4 TECU,产品一致性优于其他IAACs;和GPS实测电离层TEC比较,WHU的模型内符合精度和CODE基本相当,均值约为1.4 TECU,且与电离层活动水平和地理纬度存在显著的相关性;和Jason-2测高卫星VTEC比较,WHU的全球电离层产品的系统性偏差均值约为-0.7 TECU,在不同纬度约为-3.0到1.0 TECU,且与地理纬度存在近似抛物线函数的关系;WHU的模型外符合精度和CODE、JPL以及CAS基本一致,均值约为2.9 TECU,且在中高纬度地区优于低纬度地区,北半球优于南半球.     

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.     

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。     

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.     

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.     

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.     

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...     

基于陆态网络GNSS数据的2013年和2015年磁暴期间中国地区电离层特性研究

2013年3月和2015年3月爆发了2次相似的地磁暴,引起了全球不同地区电离层的变化。本文利用中国大陆构造环境监测网络260余个基准站在中国地区的GNSS电离层TEC观测数据,结合电离层测高仪和电离层甚高频相干散射雷达观测,对2次磁暴期间中国地区的电离层变化特性进行了对比分析。结果显示,2013年3月磁暴期间,中国不同地区电离层变化较弱或不明显,而2015年3月磁暴期间中国地区电离层变化整体表现为大范围的强负相暴,中国地区不同程度的电离层响应主要受到不同的磁暴强度和磁暴期间不同的能量输入影响。2次磁暴期间电离层F层不均匀体的发生受到不同程度的影响,可能由不同种类的暴时电场导致。陆态网络数据空间覆盖范围广、时间分辨率高,在研究中国地区磁暴期间的电离层变化特性方面具有优势。     

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.     

利用COSMIC数据构建全球电离层TEC地图

电离层延迟效应是GNSS精密导航的主要误差源之一,通过建立电离层模型可不同程度地消除电离层延迟效应的影响.然而,目前海洋和气候条件极其恶劣的地区地面参考站建立困难,导致电离层观测资料的全球分布很不均匀,从而限制了现有电离层模型的精度,影响了延迟改正的效果.本文提出在日固坐标系(sun-fixed,地磁纬度和地方时)下,...     

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.     

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.     

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.     

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.     

Regional ionosphere modeling in support of IRI and wavelet using GPS observations

Dual-frequency global navigation satellite systems (GNSS) observations provide most of the input data for development of global ionosphere map (GIM) of vertical total electron content (VTEC). The international GNSS service (IGS) develops different ionosphere products. The IGS tracking network stations are not homogeneously distributed around the world. The large gaps of this network in Middle East, e.g., Iran plateau, reduce the accuracy of the IGS GIMs over this region. Empirical ionosphere models, such as international reference ionosphere (IRI), also provide coarse forecasts of the VTEC values. This paper presents a new regional VTEC model based on the IRI 2007 and global positioning system (GPS) observations from Iranian Permanent GPS Network. The model consists of a given reference part from IRI model and an unknown correction term. Compactly supported base functions are more appropriate than spherical harmonics in regional ionosphere modeling. Therefore, an unknown correction term was expanded in terms of B-spline functions. The obtained results are validated through comparison with the observed VTEC derived from GPS observations.     

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.     

The structure of the mid- and high-latitude ionosphere during the November 2004 storm event obtained from GPS observations

GPS data from the International GNSS Service (IGS) network were used to study the development of the severe geomagnetic storm of November 7–12, 2004, in the total electron content (TEC) on a global scale. The TEC maps were produced for analyzing the storm. For producing the maps over European and North American sectors, GPS measurements from more than 100 stations were used. The dense network of GPS stations provided TEC measurements with a high temporal and spatial resolution. To present the temporal and spatial variation of TEC during the storm, differential TEC maps relative to a quiet day (November 6, 2004) were created. The features of geomagnetic storm attributed to the complex development of ionospheric storm depend on latitude, longitude and local time. The positive, as well as negative effects were detected in TEC variations as a consequence of the evolution of the geomagnetic storm. The maximal effect was registered in the subauroral/auroral ionosphere during substorm activity in the evening and night period. The latitudinal profiles obtained from TEC maps for Europe gave rise to the storm-time dynamic of the ionospheric trough, which was detected on November 7 and 9 at latitudes below 50°N. In the report, features of the response of TEC to the storm for European and North American sectors are analyzed.     

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.     

Anamolous ionospheric TEC variations prior to the Indonesian earthquake (M 7.1) of November 15, 2014

This paper investigates preearthquake ionospheric variations with the use of TEC of Global Ionospheric Maps (GIMs) and regional maps based on Precise Point Positioning (PPP) during the 7.1-M Indonesian earthquake that occurred on November 15, 2014. TEC maps corresponding to 10 days before to 4 days after the event were examined. In addition, a time series of TEC values according to the PPP maps were also evaluated. In addition to GIMs, it was possible to detect TEC variations with PPP maps. The results showed that ionospheric TEC decreased strikingly 4 days prior to the earthquake. This TEC variation was highly likely related to seismic activity.