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.     

大气掩星反演误差特性初步分析

GPS大气掩星探测技术可以获得全球大气折射率、气压、密度、温度和水汽压等气象参数,该技术基本原理是基于几何光学近似的Abel积分反演.地球扁率、电离层传播时间延迟、大气大尺度水平梯度、多路径传播现象等因素在某些高度范围影响大气反演的精度.本文采用模拟的方法,分析其中地球扁率及电离层对反演结果的影响,并讨论局部圆弧修正及电离层修正的效果.利用CHAMP掩星实测轨道数据和有关电离层和大气经验模式、采用三维射线追踪方法模拟计算几种情形下的GPS掩星观测附加相位数据,对模拟数据进行反演,将反演气象参量剖面与模拟时给定模式剖面进行比较,得到了0～60 km高度范围内的反演误差.误差统计分析结果表明,局部圆弧中心的修正以及电离层修正,对于高精度的GPS掩星反演是非常重要的;电离层修正残差仍是制约30～60 km高度范围内反演精度的重要因素,进一步完善和优化大气掩星反演需要发展新的电离层修正算法.     

三维模式约束的电离层掩星反演方法

目前电离层掩星数据反演是基于电离层电子密度分布局部球对称近似的Abel反演方法,实际电离层的非球对称性会给电子密度反演结果带来误差.本文研究利用三维电离层模式来提供电子密度水平变化的先验信息约束电离层掩星反演的方法,即三维模式约束法;并将该方法应用于模拟掩星观测数据和实测掩星数据的反演.模拟观测数据的反演结果表明,与Abel反演方法相比,三维模式约束法能够减小反演误差.采用IRI2001模式作为约束,对COSMIC电离层掩星实测数据反演,将反演结果与全球的垂测仪数据进行比较,结果表明,三维模式约束法和Abel反演方法都能很好地反演电离层掩星.     

电离层GPS掩星反演技术研究

GPS无线电掩星技术是崭新的、高效的地球大气层和电离层探测技术,但仍在发展和完善之中.本文详细推导了Abel积分和绝对TEC电离层反演方法,研究了如何解决Abel积分产生的上下限异常问题;用COSMIC发布的GPS原始数据进行了反演计算,将结果与地面电离层测高仪数据进行了比较,最后讨论了周跳对反演结果的影响问题.结果表明：（1）在较高轨道高度（约800 km）,Abel积分与绝对TEC方法的反演结果基本一致,都与电离层测高仪反演结果符合良好;在较低轨道高度（约500 km）,绝对TEC反演精度优于Abel积分反演精度;（2）绝对TEC反演的最大电子密度N_m较Abel积分法获得的结果更接近于电离层测高获得的峰值电子密度N_mF₂,绝对TEC反演法更加严密和有效;（3）周跳对绝对TEC反演结果的影响较Abel积分反演结果的影响更为敏感,但无论哪种方法,周跳对反演精度都造成严重损失.综合而言,绝对TEC反演法是更优的方法.     

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).     

电离层GPS掩星观测反演技术

在电离层局部地区球对称假设下,推导了利用双频和单频无线电掩星观测数据,反演电离层电子密度剖面的两种方法. 双频反演的误差来自于载波相位的观测误差,单频反演误差则主要由伪距的观测精度决定. 由于载波相位测量精度比伪距测量精度高两个量级,因此双频反演的精度一般比单频反演的高些. 不过,两载波信号L1和L2之间的传播路径差异会给双频方法带来误差. 利用三维射线追踪的程序模拟的无线电掩星数据来评估这些方法,结果表明,反演出的电离层剖面与给定的模式电离层非常吻合,验证了两种方法的可靠性和准确性. 将这两种反演方法应用于处理实测的GPS/MET掩星观测数据,均能获取合理的电离层剖面信息. 且单频方法得到的反演剖面与双频方法相当一致, 这为利用LEO星载单频GPS接收机进行电离层掩星观测提供了理论基础.     

无线电掩星反演大气参数误差分析及应用进展

本文详细分析了影响空间GPS无线电掩星反演大气参数方法的主要误差源，其中包括信噪比误差，精密定轨误差，电离层模制误差，多路径效应和时钟改正等误差，并且介绍了国内外在无线电掩星领域的一些应用研究进展。     

电离层掩星反演的变分同化方法

电离层掩星数据反演的传统方法是Abel反演法及其改进方法,而实际电离层的非球对称给电离层电子密度反演带来误差.本文研究了在气象领域广泛应用的变分同化方法在掩星数据反演电离层电子密度廓线的可行性,利用IRI和Nequiek模型模拟掩星真值场和背景场进行数值模拟反演,并与Abel反演法反演结果进行对比.结果表明,变分同化反演方法能够有效综合模式和观测数据,使得反演结果精度较高;与Abel反演法相比,反演的电子密度廓线F2层峰值浓度误差在10％以下,而Abel反演法在20％～30％之间;而且变分同化反演法对误差扰动有较好的过滤性,因此实用性较强.     

电离层残差对掩星反演温度精度的影响

本文以MSIS90大气模式和3D NeUoG电离层模式为大气背景,用三维射线追踪法模拟研究了太阳活动强度、地方时、掩星平面方位角对弯曲角电离层残差和温度电离层残差的影响,以及电离层残差对全球日平均温度的影响.结果表明：电离层残差是平流层顶部（35~50 km）和中间层底部（50~70 km）掩星大气温度反演的主要误差.在太阳活动活跃期,电离层残差对单一掩星事件的平流层顶部平均温度的影响可达1.8 K,中间层底部平均温度的影响可达7 K;对全球日平均温度的影响在平流层顶可达-0.6 K,在70 km高度处可达1.2 K.发展新的电离层改正方法或电离层残差修正算法对提高掩星大气反演精度和全球气候监测意义重大.     

电离层水平水均匀性对无线电掩星资料反演的影响

电离层水平不均匀结构是引起掩星资料反演的主要误差源。本文模拟不均匀结构对无线电掩星资料反演的影响。首先利用3-D全球射线追踪技术进行了模拟。结果指出：电离层电子密度20%的变化可能引起GPS的时延增加约12m。其次，将90%的掩星时延对应的路径长度，定义为电离层掩星测量的水平分辩率，其值为1200-2000km。最后，计算了不同纬度电离层当地正午、子夜和日出时的电离层水平不对称指数。它表明：低纬夏季日出时，不对称指数达-78%，反演结果可能有较大误差。     

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.     

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.     

Numerical simulation of the variations in the total electron content of the ionosphere observed before the Haiti earthquake of January 12, 2010

We present the results of a study of the abnormal variations in the total electron content (TEC) of the ionosphere observed before the earthquake of January 12, 2010, in Haiti. Global and regional maps of TEC relative (%) deviations from the quite background state are built for January 9–12, 2010. Using the UAM (Upper Atmosphere Model) global numerical model of the upper atmosphere of the Earth, the variations in the electric potential in the ionosphere and TEC are calculated using external seismic current above faults between the Earth and the ionosphere as a lower boundary condition. The numerical simulation results are compared with observations. It is shown that the simulated variations in the TEC at a specified current density of about 1 × 10^?8 A/m² on an area of 200 km (latitude) × 4000 km (longitude) above the focus represent all main features of the observations: prevalence of increased TEC values (positive disturbances), neighboring negative disturbances of lower magnitudes, localization, magnetic conjugacy of high-intensity effects in the Southern Hemisphere, and disappearance of disturbances around midday. Methodological recommendations are given to reveal variations in the TEC related to the preparation of seismic events.     

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.     

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.     

P波和S波接收函数的贝叶斯联合反演

S波接收函数对于研究岩石圈速度结构具有重要价值. 本文利用合成地震图技术研究了S波接收函数的动力学特征. 在接收函数非线性复谱比反演方法的基础上,发展了基于贝叶斯理论的P波和S波接收函数的非线性联合反演方法. 结果表明:(1)适用于S波接收函数反演的震中距范围约为55°~80°,S波接收函数反演要求所用远震事件的震级大于5级; (2)与陡变的岩石圈底部界面(LAB)相比,梯度带类型LAB上生成的S_LP转换波相对较弱,台站下方的沉积盖层有助于相对增强S_LP震相; (3)由于S波接收函数径向分量不符合δ脉冲,不依赖于等效震源假定的三分量接收函数多道最大或然性反褶积方法更适合S波接收函数的估计;(4)数值检验的结果表明,在初始模型速度参数偏离真实模型20%的情况下,本文的方法能够预测300 km深度范围内的P波和S波速度结构;(5)观测数据的反演结果表明,由于P波接收函数低频分量相对不足,本文的联合反演方法对于大于100 km深度上地幔的S波速度结构约束相对较弱.     

一九八○年二月十六日日全食电离层电子总含量的观测

本文介绍了1980年2月16日日全食时,在云南鹤庆县（100°12′E,26°35′N）,测量日本ETS-Ⅱ同步卫星136MHz信标法拉弟旋转所得到的一些主要观测结果:（1）电子总含量的日变曲线中出现提前日落现象;（2）F区峰下电离对法拉弟旋转的贡献在日食期间相对变小;（3）没有出现与日食明显有关的声重波扰动。     

FOCAL MECHANISM OF THE AUGUST 8, M7.0 SICHUAN JIUZHAIGOU AND AUGUST 9, M6.6 XINJIANG JINGHE EARTHQUAKES OF 2017

The W-phase is a long period phase arriving between the P and S wave phases of a seismic source, theoretically representing the total near-and far-field long-period wave-field. Recent study suggests that the reliable source properties of earthquake with magnitude greater than ~M_W4.5 can be rapidly inverted by using the W-phase waveform data. With the advantage of W-phase, most of major earthquake research institutes in the world have adopted the W-phase based inversion method to routinely assess focal mechanism of earthquake, such as the USGS and GFZ. In this study, the focal mechanism of the August 8, 2017 M7.0 Sichuan Jiuzhaigou and August 9, 2017 M6.6 Xinjiang Jinghe earthquakes were investigated by W-phase moment tensor inversion technique using global seismic event waveform recordings provided by Incorporated Research Institutions for Seismology, Data Management Center. To get reliable focal mechanism, we strictly select raw waveform data and carry out inversion in stages. At first, we discard waveform without correct instrument information. Then we carry out an initial inversion using selected waveform data to get primary results. Using the preliminary results as input, we carry out grid-search based inversion to find the final optimal source parameters. The inverted results indicate that the August 8, M7.0 Sichuan Jiuzhaigou shock resulted from rupturing on a NW-trending normal fault with majority of strike-slip movement. The parameters of two nodal planes are strike 152.7°, dip 61.4°, rake -4.8° and strike 245.0°, dip 85.8°, rake -151.3° respectively, and focal depth is 14.0km. The August 9, Xinjiang Jinghe M6.6 shock resulted from rupturing on a south-dipping thrust fault with left-lateral strike-slip. The parameters of two nodal planes are strike 100.6°, dip 27.5°, rake 114.1° and strike 259.3°, dip 65.1°, rake 78.0°, and the focal depth is 16.0km. The direction of two nodal planes is consistent with regional seismotectonic background.