奥斯特／GPS掩星与地面雷达联合观测电码离层电子密度的初步结果

1999年2月丹麦发射了一颗奥斯特小卫星,它装载了两台GPS接收机,其中一台用于电离层和中性大气掩星测量,另一台用于自主定位,本文给出了1999年10月奥斯特/GPS掩星与日本MU雷达和数字测高仪的联合观测结果。奥斯特掩星反演得到的电子密度剖面与地面雷达观测的进行了比较。结果表明：天基和地基雷达观测的电子密度是一致的。文章还给出利用GPS的单频信号反演电离层电子密度剖面技术和3维射线追踪技术模拟掩星结果。     

利用单站地基GPS数据反演电离层电子密度

利用单站GPS观测数据对GPS硬件系统延迟作出修正,得到较精确的电离层总电子含量。根据Chapman电离层理论,建立电离层模型,利用遗传算法优化选择电离层关键参量,反演得到接收机上空电子密度剖面,结果表明：该方法用于太阳活动高年白天电子密度剖面反演效果优于国际参考电离层。     

GNSS／LEO无线电掩星电离层探测仿真研究

无线电掩星是实现全球电离层探测的重要手段之一。针对GNSS／LEO掩星探测电离层的特点,基于电离层掩星的判决条件,通过NeQuick模型实现了电波弯曲角和绝对总电子含量的数据仿真,利用阿贝尔变换法（Abel Transform）和穿刺法实现了电离层电子密度剖面的有效反演,统计分析结果验证了NeQuick模型用于GNSS／LEO无线电掩星电离层探测仿真的可行性。     

不同GPS掩星电离层剖面产品相关性分析

将在一定时空限定范围内的不同低轨卫星COSMIC、GRACE、CHAMP、FY3C的电离层掩星电子密度剖面定义为一个掩星对来对比分析不同类型掩星电离层产品。结果表明：COSMIC掩星对之间的电子密度剖面整体轮廓符合得很好，电子密度剖面主要在250 km以下和500 km以上存在较大的偏差，250~500 km的电子密度整体偏差较小，统计得到的COSMIC掩星对的电子密度参量NmF2和hmF2的相关系数能分别达到0.99和0.97，具有高度相关性，不同COSMIC卫星之间没有明显的系统误差；COSMIC、GRACE、CHAMP和FY3C不同低轨卫星间的电子密度剖面略有差异，通过统计电子密度参量NmF2和hmF2之间的相关系数，COSMIC和CHAMP的相关系数分别为0.95和0.86，COSMIC和GRACE的相关系数分别为0.98和0.94，COSMIC和FY3C的相关系数分别为0.96和0.92，不同掩星类型之间的电子密度参量之间也具有高度相关性，验证了不同卫星任务GPS掩星电离层剖面的一致性。     

地基GPS与掩星联合的电离层层析成像方法研究

由于有限视角、稀疏布站等原因,地基G PS电离层层析成像存在垂直分辨率不高的问题,联合掩星进行电离层层析成像是一个重要的解决途径。一方面地基G PS观测能保证电离层层析成像的时间连续性和区域覆盖性;另一方面由于掩星信号能够提供地基G PS没有的水平射线信息,提升了电离层层析成像的垂直分辨率水平。利用地基GPS站与COSMIC卫星的掩星观测进行的仿真结果表明：与仅利用地基G PS相比,联合掩星进行电离层层析成像,不仅在电离层电子密度反演精度方面有明显提升,而且在电离层F2层峰值高度（hm F2）和电离层总电子含量（T EC ）的精度方面同样有明显提高。     

COSMIC掩星观测数据反演电离层电子密度廓线

利用COSMIC掩星观测数据,将Abel积分方法和"洋葱分层"反演方法反演得到的电子密度廓线与传统电离层观测方法的观测结果进行了对比。结果表明,通过两种反演方法计算得到的电子密度廓线与垂测仪的结果在整体趋势和结构上符合得较好,反演计算得到的foF2与垂测仪的观测结果有较高的一致性,但hmax仍存在较大的误差。     

雾灵山山基掩星观测反演误差分析

运用山基GPS掩星探测技术对2005年8月河北雾灵山山基GPS掩星观测试验数据进行了处理,获得了接收机高度以下的大气折射率廓线;分析了掩星反演结果的内部符合情况,并利用同时进行的联合探空观测数据,将探空结果与掩星反演结果进行了比对分析.分析结果表明,山基GPS掩星反演大气折射率的内部符合精度优于1%,与常规探空结果的平均偏差为5.9%.反演结果偏小,标准偏差为5.6%.     

GPS反演上电离层剖面及实例

介绍了在利用GPS观测电离层TEC和反演上电离层剖面过程中，如何选择最适宜GPS星，如何计算卫星有关参数，如何计算卫星到测站间斜向TEC等问题，最后给出了一个剖面反演实例。     

附加平滑约束的电离层层析反演

根据乘法代数重构算法,利用相邻像素之间的连续性及平滑性,采用附加平滑约束的方法来克服没有任何观测信息的像素对经验模型给出的初值的依赖。利用中国地壳运动观测网络的高精度双频GPS观测值,反演了中国区域上空电离层电子密度分布,将反演的结果同检验站的电离层延迟进行对比分析,并且将反演的电子密度剖面与相应的测高仪数据进行比较,验证了此方法的有效性和可靠性。     

利用掩星技术研究南极地区顶部电离层特性

掩星观测能够提供地面到低轨卫星轨道高度处的整个电离层电子密度剖面,对于顶部电离层的研究有重要的作用。本文利用COSMIC(constellation observing system for meteorology ionosphere and climate)掩星数据反演了电子密度剖面,提取了F₂层峰值高度(hmF2)、F₂层峰值密度(NmF2)、垂直标尺高(vertical scale height,VSH)等电离层参数,研究了南极地区的F₂层在太阳活动周期内的变化、年际变化、周日变化等,并且重点分析了南极地区的顶部电离层的垂直结构特征,尤其是威德尔海异常在垂直方向上的变化。结果表明,整个南极的hmF2每日均值在250~300 km左右,NmF2每日均值在1~8×1011 el/m3之间,VSH每日均值在100~250 km,威德尔海异常主要表现在顶部电子密度的增强和底部电子密度的减少。     

一种适用于电离层电子密度重构的AMART算法

针对传统乘法代数重构算法（MART）迭代精度不高的问题,提出一种自适应电离层层析新算法。一方面,该算法根据射线穿越像素点的截距和电子密度值的综合影响,合理地分配迭代差值;另一方面,提出一种与电子密度值相关的自适应松弛因子,有效克服传播噪声对电子密度反演的影响。试验采用全球电离层图（GIM）数据和GPS双频观测数据分别从单射线迭代和多射线迭代两个方面对新方法的可行性和优越性进行验证。试验结果表明,相对于传统的MART算法,本文方法反演电子密度剖面更接近电离层测高仪观测结果。     

基于COSMIC技术的震前电离层异常研究

介绍COSMIC技术反演电离层电子密度的研究现状、技术和方法,验证其可靠性;并利用COSMIC掩星数据计算分析2011-03-11东日本大地震震前5d及地震当天震区上空电离层电子密度分布,探测到显著的震前电离层异常现象,证明COSMIC技术研究地震电离层异常的可行性。     

利用掩星和地基GPS研究日食电离层效应

21世纪最长的一次日全食于2009-07-22发生,从亚洲东部一直延伸到太平洋地区,同时,日食后期开始伴随着一次中等强度的磁暴。本文利用COSMIC掩星GPS数据反演了食甚时刻电子密度变化情况,利用武汉CORS地基GPS数据反演了局部TEC时序变化情况,并分析了日食电离层效应的物理机制。     

利用FY3C与FY3D GPS掩星资料研究中低纬地区偶发E层形态的比较

偶发E层(sporadic E, Es)是主要发生在90~120 km高度的电子密度显著增强的电离层薄层,Es层的存在会导致掩星观测中全球导航卫星系统信号强度和相位的强烈波动。利用2019-01—2021-12风云三号C（Fengyun-3C,FY3C）和风云三号D(Fengyun-3D,FY3D)卫星GPS（global positioning system）掩星观测的50 Hz信噪比数据提取Es层信息,进而对两颗卫星数据分别反演得到的60°S~60°N中低纬地区Es层发生率的时空分布及季节变化进行比较。结果发现,虽然两颗卫星掩星资料得到的Es层发生率分布形态基本一致,均反映了Es层的发生率与地磁场和中性大气背景风场的相关性,但在大部分季节和地区,由FY3D得到的Es层发生率低于由FY3C得到的结果,北半球夏季中纬地区尤为明显,而FY3C反演结果与基于电离层与气候星座观测系统掩星数据的反演结果更为接近。导致差异的可能原因包括两颗卫星信噪比廓线的上边界高度分布和地方时覆盖上的差异、两颗卫星掩星接收机噪声水平的差异等。上述结果表明,后续融合两颗卫星的掩星数据进行Es层相关研究时,可能需要顾及两颗卫星接收机的不同噪声水平,在Es层发生的判定策略上进行针对性调整。     

利用区域地基GPS的电离层层析成像研究

电离层是近地空间的重要组成部分,如何对电离层的异常扰动进行合理监测与预报一直是空间物理领域的研究课题。本文将计算机层析成像技术引入到电离层扰动监测中,利用大量的区域地基GPS观测数据,借助代数层析迭代算法反演得到三维电离层电子密度;并将层析结果与国际电离层参考模型IRI2007进行对比分析,结果表明:地基GPS层析所得的电离层电子密度与IRI2007基本一致,但层析结果精度略高于IRI2007模型。     

星基反演TEC与地基GNSS TEC数据融合可行性分析

卫星测高、DORIS(Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite)和无线电掩星等星基观测技术具有不受地表形态限制的全球观测范围,能够作为地基全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)电离层反演在海洋区域的补充观测。然而星基观测电离层高度范围仅限于低轨卫星轨道面以下,无法覆盖整个电离层高度范围,因此不能直接用于与地基GNSS反演的电离层总电子含量(total electron content, TEC)格网融合。针对DORIS观测反演的相对斜向总电子含量(slant total electron content,STEC),以全球电离层TEC格网(global ionosphere maps total electron content, GIM TEC)为基准,采用整体偏移方法将两者归算至统一观测尺度上;而卫星测高和GNSS掩星电离层产品则选取国际GNSS服务(International GNSS Service, IGS)组织提供的全球电离层TEC格网中均方根(root mean square, RMS)误差小于2 TECU的区域作为基准,采用2014年1月份低轨卫星观测值反演的TEC和GIM TEC数据进行对比,统计Jason-2和COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate)卫星反演的TEC与GIM TEC之间基于比例因子的函数关系,并将不同的观测手段归算到统一的观测尺度上,对比归算前后的TEC产品差异。并根据反演产品附近的全球定位系统(Global Positioning System,GPS)电离层穿刺点数量进行分类,验证星基电离层反演精度的有效性。对比结果显示,卫星测高、DORIS和掩星3种星基技术归算后的TEC产品与GIM TEC的匹配度在地基观测密集区域均能达到较好的符合度,而在地基观测不足区域符合度存在明显差异。考虑星基观测精度不受地域限制的特性,可认为该海洋区域的差异是由于星基观测在海洋区域观测精度比地基GNSS观测精度更高,星基观测反演的电离层TEC产品可作为海洋地区地基电离层TEC观测的有效补充。     

GNSS掩星探测大气算法及误差分析

简要概述了GNSS掩星探测大气的发展历史与国内外的研究现状;详细叙述了无线电掩星反演大气参数的基本原理,主要包括几何光学下的相位反演,中性大气层、电离层、振幅的反演,分辨率的定义以及无线电掩星技术系统与标准算法和误差分析;并针对该技术的一些特点,指出了若干尚需深入解决的问题;最后展望无线电掩星观测技术在数值天气预报(NWP)等领域的发展。     

电离层干扰对GPS掩星弯曲角和温度精度的影响

以MSIS90大气模式和3DNeUoG电离层模式为背景大气,仿真模拟了电离层暴、电离层行扰和电离层槽对GPS掩星弯曲角电离层残差及温度精度的影响。结果表明,在太阳活动活跃期,弯曲角电离层残差在35~50km高度范围内可达1.5μrad,其标准差可达0.9μrad;在15~35km高度范围内可达4μrad,其标准差可达1.4μrad。电离层暴和电离层槽可使弯曲角电离层残差标准差增大20多倍;电离层行扰可使弯曲角电离层残差标准差增大数倍。电离层干扰引起的电离层残差可使15~35km高度范围内温度反演误差高达8K,这样的温度误差会对掩星观测的日平均温度和月平均温度产生显著影响。因此,需要发展新的电离层修正方法;在掩星气候监测中,需加强电离层监测,并结合监测结果剔除电离层干扰误差。     

2009年7月22日日全食-电离层响应分析

选取2009年7月22日发生的日全食前后的电离层垂测仪数据来分析日全食期间的电离层响应,并尝试通过掩星电离层反演方法探测本次日全食引起的电离层效应。结果显示,利用垂测仪和COSMIC掩星反演均能够探测到日全食期间受日食影响的电离层的显著变化,但利用COSMIC掩星反演提取的电离层效应所具有的时间分辨率还有待提高。     

欧洲ACE+掩星观测计划

最近，欧洲制定了一个新的ACE^ 掩星观测计划。它由4颗小卫星组成，分布在2个轨道面上。星载接收机可以分别接收GPS和Galileo(伽利略)导航星座信号，进行掩星观测。此外，4颗小卫星中的两颗卫星，携带X和K波段的发射机，另外两颗携带接收机，他们之间也进行掩星观测，测量电波振幅变化，独立反演对流层大气温度和水汽。计划创新之处在于，它以前所未有的技术和测量精度获得全球大量的电离层和中性大气的气象场资料。本文介绍ACE^ 计划观测内容、卫星载荷、地面观测设备的数据处理技术，也给出该计划的应用前景。