基于ARIMA与Holt-Winters组合模型的电离层TEC预报

分别采用时间序列中的求和自回归移动平均模型ARIMA(Autoregressive integrated moving average)模型和指数平滑模型Holt-Winters的加法模型,对IGS站发布的广西地区16个格网点进行短期的电子含量TEC预报。并利用组合权重的方法对两种模型组合进行TEC短期预报。分析比较不同季节各个模型的预测效果,以及电子含量的变化与太阳黑子数变化之间的联系。结果表明,组合模型的预测精度在各个季节都优于两种单一模型,不同季节,太阳黑子数的含量和电离层电子含量预测的精度也有较大差异。     

地磁变化场的MEEMD-样本熵-LSSVM预测模型

针对地磁变化场时间序列的混沌特性,提出了一种改进的集成经验模态分解(modified ensemble empirical mode decomposition,MEEMD)-样本熵-最小二乘支持向量机(least square support vector machine,LSSVM)的地磁变化场预测模型。首先,利用MEEMD-样本熵将非平稳的地磁变化场时间序列分解为一系列复杂度差异明显的地磁变化场子序列;然后,针对每一个子序列分别建立LSSVM模型,选择各自适合的最优模型参数;最后,以地磁台站实测的地磁变化场数据为例进行实验,并与基于单一LSSVM以及RBF径向基神经网络的两种预测模型进行比较。实验结果表明,MEEMD-样本熵-LSSVM模型的预测值能紧跟地磁变化场的变化趋势,相比另外两种模型,体现出更好的预测效果,在地磁Kp指数小于3时,预测3h平均绝对误差为1.63nT。     

太阳黑子数对电离层总电子含量的影响

针对太阳活动影响电离层变化的问题,该文利用2000年到2020年太阳黑子数和IGS组织提供的全球电离层总电子含量(TEC)格网数据,借助数理统计、相关系数及时间序列等方法,研究了太阳黑子数与电离层TEC之间的关系.实验结果表明:①两者之间的相关性具有分段变化的性质,分段变化由太阳黑子数的临界点L决定,因此确定了太阳黑子数与TEC日均值相关性的分段函数,并给出了太阳黑子数临界点L;②太阳黑子数的变化会引起电离层TEC值的变化,而这个变化具有1～3 d的滞后性,其中电离层TEC日均值滞后于太阳黑子数2d最为明显;③太阳黑子数和电离层TEC值具有明显的相关性,但太阳黑子数与电离层TEC值之间年相关性强弱不均.     

BP神经网络模型的电离层预报精度评估

针对电离层电子总含量(total electron content,TEC)时间序列高噪声、非线性和非平稳的动态序列的特点，基于反向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)模型对欧洲定轨中心(Centre for Orbit Determination in Europe,CODE)提供的电离层格网(global ionosphere maps,GIM)数据产品中低纬度、中纬度、高经纬格网点TEC数据和对应的时间点、经纬度、太阳射电通量F10.7数据、赤道地磁活动指数Dst、全球地磁活动指数Kp数据进行样本训练并进行电离层预报.结果表明：基于BPNN模型能够较好地预报低纬度、中纬度和高纬度电离层TEC数值，平均相对精度分别到达了90.5%、88.7%、85.35%，残差均值分别为1.505 TECU、1.595 TECU、1.885 TECU，平均均方根误差(root mean square error,RMSE)值分别为1.94 TECU、2.13 TECU、3.08 TECU.     

基于BP神经网络的太阳黑子年均值预测

以1700年至2008年间太阳黑子数年均值为研究对象,在数字信号处理及神经网络的基础上,分析归一化自相关函数以及离散傅里叶变换(DFT)后的图像特征,得到可靠的太阳黑子活动周期,以此周期为依据设置参数建立BP(back propagation)神经网络,将已有的随机时间样本进行分组训练和验证预测,拟合神经网络输出预测值与实际值并计算其拟合优度,验证了将BP神经网络应用在太阳黑子活动方面有较高的科学性和可行性。     

2011年电离层和太阳活动指数的准21.5天振荡分析

利用傅里叶变换,对2011年电离层总电子含量、太阳黑子相对数、太阳远紫外线0.1~50 nm波段和26~34 nm波段辐射数据、地磁场Kp指数和Dst指数进行功率谱分析,研究了2011年日地空间的准27 d周期振荡。发现在电离层和太阳活动指数中存在偏离27 d的21.5 d准周期振荡,同一时间内地磁活动指数没有发现这一现象,推断这可能是由太阳活动区演变引起的。对近几个太阳活动周的分析表明,21~23 d的准周期信号会在太阳活动上升期重复出现。利用太阳中央子午线左右[-10°,10°]经度范围内的太阳活动区面积,进一步证实2011年地球电离层和太阳指数数据中的21.5 d准周期振动可能是太阳活动区的演变与太阳较差自转的综合影响。利用全球电离层格网数据,研究了地球电离层准27 d周期振荡的全球分布。     

基于BP人工神经网络的震前电离层VTEC异常扰动研究

利用BP神经网络建立电离层VTEC模型,以年积日(DOY)、世界时(UT)、电磁KP数、Dst数、AP数、太阳黑子数(SSN)作为网络输入层参数,通过BP神经网络的训练和泛化功能,提供地震前10天理论意义上的平静VTEC值,再与地震前10天的实测VTEC作比较。试验结果表明,在地震发生之前3～5天电离层VTEC数值较VTEC平静时刻增大20%左右。     

混沌特征参数对神经网络预测电离层TEC的影响分析

利用国际GNSS服务组织(IGS)提供的东经115°经线上不同纬度处一年的电离层总电子含量(TEC)时间序列数据,研究了如何进一步提高基于神经网络方法预测电离层TEC的效果。研究表明:电离层TEC的预测误差与电离层TEC时间序列的最大Lyapunov指数与该序列均值的乘积具有较强的相关性;而且与时间延迟和嵌入维数的选择是否恰当也有着密切关系。     

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。     

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.      

Impact of the Halloween 2003 ionospheric storm on kinematic GPS positioning in Europe

Using dual-frequency data from 36 GPS stations from the EUREF Permanent Network (EPN), the influence of the October 30, 2003 Halloween geomagnetic storm on kinematic GPS positioning is investigated. The Halloween storm induced ionospheric disturbances above the northern part of Europe and Scandinavia. It is shown that kinematic position repeatabilities for this period are mainly affected for stations in northern Europe with outliers reaching 12 cm in the horizontal, and 26 cm in the vertical. These magnitudes are shown to be possibly due to the second-order ionospheric delays on GPS signals, not accounted for in the kinematic GPS positioning analysis performed. In parallel, we generate hourly TEC (Total Electron Content) maps on a 1° × 1° grid using the dense EPN network. These TEC maps do not use any interpolation but provide a high resolution in the time and space and therefore allow to better evidence small structures in the ionosphere than the classical 2-hourly 2.5° × 5° grid Global Ionospheric TEC Maps (GIM). Using the hourly 1° × 1° TEC maps, we reconstruct and refine exactly the zones of intense ionosphere activity during the storm, and we show the correlation between the ionospheric activity and assess the quality of GPS-based kinematic positioning performed in the European region.     

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。     

Analysis of ionospheric electron parameters versus geomagnetic index Dst from RO data of FORMOSAT-3/COSMIC

The FORMOSAT-3/COSMIC mission has provided ample ionospheric electron density profiles retrieved from the global positioning system radio occultation technique. Currently, there can be more than 2,000 electron density profiles acquired per day covering the global ionosphere from altitude 90 to 800 km. Utilizing the advantage of such a complete coverage, we statistically analyze how the ionospheric electron parameters NmF2, hmF2, and TEC respond to the geomagnetic index Dst for different magnetic latitudes and magnetic local time (MLT) and on quiet and storm times. A data set of 24 months is used for this study, in which most of the results focus on the low-latitude dayside regions. The results indicate that, in general, NmF2, hmF2, and TEC decrease as Dst increases at all seasons. Only during the sudden commencement phase (SSC) of storm events, NmF2 and TEC appear to increase as Dst increases.     

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。     

2014年鲁甸6.5级地震震前TEC异常分析

2014年8月3日云南省鲁甸发生了6.5级地震.针对震前电离层异常问题,利用IGS提供的全球电离层数据,采用滑动四分位法对鲁甸地震震中及其周围格网点的TEC进行异常探测,发现震前3d、6d和13 d电离层有明显的异常,其中震前3d、6d的异常最为显著.在进一步分析了太阳地磁活动及这几天的全球TEC异常分布后,认为这3d的电离层异常可能与震前的孕育地震有关.另外,这3d的TEC异常分布区域都满足在经度方向跨度和纬度方向跨度长度比约为3:1,且异常的峰值点并不位于震中的正上方,而是位于震中偏向赤道方向,同时赤道共轭区域也存在异常,但范围和幅度都较小.     

Tridimensional reconstruction of the Co-Seismic Ionospheric Disturbance around the time of 2015 Nepal earthquake

The Co-Seismic Ionospheric Disturbance of the 2015 Nepal earthquake is analyzed in this paper. GNSS data are used to obtain the Satellite-Station TEC sequences. After removing the de-trended TEC variation, a clear ionospheric disturbance was observed 10 min after the earthquake, while the geomagnetic conditions, solar activity, and weather condition remained calm according to the Kp, Dst, F10.7 indices and meteorological records during the period of interest. Computerized ionosphere tomography (CIT) is then used to present the tridimensional ionosphere variation with a 10-min time resolution. The CIT results indicate that (1) the disturbance of the ionospheric electron density above the epicenter during the 2015 Nepal earthquake is confined at a relatively low altitude (approximately 150–300 km); (2) the ionospheric disturbances on the west side and east sides of the epicenter are precisely opposite. A newly established electric field penetration model of the lithosphere–atmosphere–ionosphere coupling is used to investigate the potential physical mechanism.     

The ionospheric impact of the October 2003 storm event on Wide Area Augmentation System

The United States Federal Aviation Administrations (FAA) Wide-Area Augmentation System (WAAS) for civil aircraft navigation is focused primarily on the Conterminous United States (CONUS). Other Satellite-Based Augmentation Systems (SBAS) include the European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) and the Japanese Multi-transport Satellite-based Augmentation System (MSAS). Navigation using WAAS requires accurate calibration of ionospheric delays. To provide delay corrections for single frequency global positioning system (GPS) users, the wide-area differential GPS systems depend upon accurate determination of ionospheric total electron content (TEC) along radio links. Dual-frequency transmissions from GPS satellites have been used for many years to measure and map ionospheric TEC on regional and global scales. The October 2003 solar-terrestrial events are significant not only for their dramatic scale, but also for their unique phasing of solar irradiance and geomagnetic events. During 28 October, the solar X-ray and EUV irradiances were exceptionally high while the geomagnetic activity was relatively normal. Conversely, 29–31 October was geomagnetically active while solar irradiances were relatively low. These events had the most severe impact in recent history on the CONUS region and therefore had a significant effect on the WAAS performance. To help better understand the event and its impact on WAAS, we examine in detail the WAAS reference site (WRS) data consisting of triple redundant dual-frequency GPS receivers at 25 different locations within the US. To provide ground-truth, we take advantage of the three co-located GPS receivers at each WAAS reference site. To generate ground-truth and calibrate GPS receiver and transmitter inter-frequency biases, we process the GPS data using the Global Ionospheric Mapping (GIM) software developed at the Jet Propulsion Laboratory. This software allows us to compute calibrated high resolution observations of TEC. We found ionospheric range delays up to 35 m for the day-time CONUS during quiet conditions and up to 100 m during storm time conditions. For a quiet day, we obtained WAAS planar fit slant residuals less than 2 m (0.4 m root mean square (RMS)) and less than 25 m (3.4 m RMS) for the storm day. We also investigated ionospheric gradients, averaged over distances of a few hundred kilometers. The gradients were no larger than 0.5 m over 100 km for a quiet day. For the storm day, we found gradients at the 4 m level over 100 km. Similar level gradients are typically observed in the low-latitude region for quiet or storm conditions.     

自回归移动平均模型的电离层总电子含量短期预报

摘 要：本文在充分考虑乘积性季节模型的情况下,利用差分法对电离层总电子含量（Total Electron Content,TEC）样本序列进行平稳化处理后,采用时间序列分析中的求和自回归移动平均模型（简称ARIMA,Autoregressive Integrated Moving Average)对TEC值序列进行预报分析。以欧洲定轨道中心（CODE）提供的2008-2012年电离层TEC值为样本数据,分析了该方法在电离层平静期、活跃期预报高、中、低不同纬度电离层TEC值的精度以及TEC样本数据的长短对预报精度的影响等。实验结果表明：在电离层平静期和活跃期预报6天的平均相对精度可达83.3%和86.6%;而平均预报残差分别为0.18±1.9TECU和0.69±2.6TECU,其中预报残差小于3TECU分别达到90%和81%以上;而且两个时期都具有纬度越高相对精度越低而绝对精度越高的规律。此外,预报精度会随TEC样本序列长度增加而提高,但40天左右为其最佳样本长度,如超过此长度,其精度会逐渐降低;而相同样本数据的预报精度会随预报长度的增加而减小,初期并不明显,但超过30天其相对精度将随时间明显降低。     

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。