利用GPS监测电离层不均匀结构探讨

利用上海地区GPS综合应用网提供的高时空分辨率的双频GPS观测资料,研究了该区域内一电离层不均匀体的产生、消亡过程.首先,采用Kalman滤波的方法改善双频伪距之差的观测精度,并利用参数估计的方法计算该时段内相应的硬件延迟.再根据电离层单层模型,利用GPS双频观测量、测站位置和GPS精密星历,求出GPS信号穿刺点的坐标和垂直方向电离层的电子含量;然后内插并获取其等值线图.等值线图随时间的变化表明,受等离子体湍流的影响,2003年9月8日北京时间9时40分左右在38°N、118°E左右产生了一电离层不均匀体,其尺度大约在50km左右,生存时间大约为5min.受地球重力场和高空风场的影响,该不均匀体向东北方向扩散.然后,利用大气扩散模型,按扩散方程计算分析了该不均匀体可能发生的电离层层区.理论计算表明,该不均匀体发生在电离层扩展F区,高度在350km左右.     

基于中国中东部多站流星雷达的二维风场观测研究

全天空流星雷达广泛应用于中间层-低热层大气水平风场的观测,为研究该区域大气风场的变化特征提供了重要数据支持.目前流星雷达主要采用单站观测模式,没有水平分辨率,并且只能探测流星区域的大气平均水平风场.为了得到更加丰富且精准的中间层-低热层大气风场信息,本研究介绍了建设在中国安徽地区的多站流星雷达系统,该系统包括安装在蒙城（33.36°N, 116.49°E）的一台单站流星雷达和长丰（31.98°N, 117.22°E）的一台远程接收机,两地直线距离约为167km.相比于单站流星雷达,多站流星雷达系统探测到的前向散射流星数目增加了约70%,并且一般可以提供400 km×400km以上的水平观测区域.除此之外,多站流星雷达系统还可以提供更加丰富的流星观测角度.新多站系统可以实现中间层-低热层大气二维水平风场的观测,在获取平均水平风场以及风场水平梯度的同时,还可以估计水平风场的散度、相对涡度和拉伸、剪切形变信息.多站流星雷达能够提供更多的水平风场参数,对进一步研究中间层-低热层区域的大气动力学过程具有重要意义.不仅如此,未来即将建成的多站流星雷达观测网将会实现中国中东部地区上空的中间层-低热层...     

大功率高频电波加热电离层中人工沿场不均匀体散射特性的理论与数值模拟研究

大功率高频电波与电离层的相互作用会引起电子密度扰动,进而产生人工沿场不均匀体,其对无线电波特别是超短波信号有强的定向散射能力,可形成一种新型的超短波通信方式.基于各向异性介质的散射理论,首先通过求解电子密度扰动产生的附加极化势获得电子密度扰动散射方程,然后对电子密度扰动进行高斯自相关处理,并结合入射波/散射波与地磁场方向的空间几何关系,获得电子密度扰动的波数谱表达式,建立了人工沿场不均匀体的散射系数理论模型.利用模型对Platteville站实验中产生的人工不均匀体散射截面积进行了数值模拟,并通过与实测值对比验证了模型的正确性.根据人工沿场散射原理给出了利用其进行无线电信号传输的约束条件.重点仿真分析了人工沿场不均匀体的散射系数和散射覆盖区范围,结果表明：同等条件下,相对于高纬度地区,低纬度地区人工沿场不均匀体的散射系数小5~10 dB,但其散射覆盖区的地面范围大,东西向可达3000 km,南北向可达1500 km,完全可用于超短波信号的超远距离传输.本文结果为中低纬度地区开展相关实验研究提供了理论指导,对利用人工沿场不均匀体进行无线信号的超远距离传输应用研究具有重要意义.     

平流层爆发性增温期间中高层大气行星波研究进展

极区平流层爆发性增温（SSW）是冬季半球最剧烈的大气扰动现象之一. SSW期间温度和风场的剧烈变化被认为是冬季半球中高层大气波动能量异常增强的主要原因.流星雷达是能够稳定连续探测中间层和低热层风场的重要地基探测设备.主要依托国家重大科技基础设施建设项目：“子午工程”,我国已建设了多个流星雷达观测台站,对中间层和低热层风场进行了长期稳定连续的监测,为揭示SSW期间中间层和低热层波动异常变化的物理机制提供了重要的观测资料.本文简述了近年来以我国“子午工程”流星雷达监测数据为核心,SSW期间中高层大气行星波的研究进展和成果;深入讨论了冬季半球中高层大气行星波发生异常变化的主要激发机制.随着“子午工程”二期十个流星雷达台站即将建成,本文对利用“子午工程”流星雷达监测台网进一步研究SSW期间中高层大气波动的变化特性进行了展望.     

利用高频天波返回散射反演电离层水平不均匀结构

高频天波返回散射探测作为重要的电离层探测手段,能够实现遥远区域电离层空间上的连续监测,探测获取的返回散射扫频电离图显示了探测频率-群路径-回波能量三者之间的关系.由于电离图包含了探测路径上的电离层状态信息,通过对其反演可以实时获取大面积范围的电离层参数.本文提出了一种基于解空间约束的返回散射前沿反演算法,能够重构电离层水平不均匀结构.针对反演非线性问题,采用Newton-Kontorovich方法进行求解,同时又引入了求解不适定问题的Tikhonov正则化方法,有益于解的稳定性和唯一性.利用模拟数据和实测数据分别对本文建立的算法进行了验证,并与Fridman和Fridman于1994年提出的反演方法进行了对比.结果表明,本文算法反演结果稳定,对返回散射前沿判读误差不敏感,与Fridman和Fridman 1994年方法相比,本文方法对电离层局部精细结构反演更加准确,具有较高的反演精度.本文提出的算法不但能够反演白天和夜间这种电离层较平稳时期的电离层状态,而且对于日出/日落时段等电子浓度分布变化较快情形下的电离层,也有很好的反演效果,表明了该算法在处理复杂多变的实际探测的返回散射电离图中的应用价值.     

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究：3. 距离扩展流星尾迹回波

距离扩展流星尾迹回波 （RSTE,range spread trail echo）观测通常采用高功率大孔径雷达.本文利用三亚 （18.4°N,109.6°E） VHF雷达观测,分析研究了小功率VHF雷达观测的RSTE特征.结果表明,三亚VHF雷达在相干散射模式观测的RSTE,其发生和演化的主要形态特征类似高功率大孔径雷达的观测结果.通过2011年8月期间,三亚VHF雷达相干散射模式观测的RSTE,与同时的全天空流星模式观测的镜面流星尾迹（SE,specular trail echo）数据,统计分析了RSTE和SE随地方时以及高度的变化,发现短持续时间RSTE（小于等于15 s）与SE具有类似的时间-高度变化特征,而长持续时间RSTE（大于等于15 s）发生的峰值时间,相比SE和短持续时间RSTE向晨侧偏移,且长持续时间RSTE对高度的依赖性比短持续时间RSTE显著.此外,全天空流星模式观测SE 的数量远多于相干散射模式观测的RSTE数量,可能与不同模式下的观测角度、波束宽度等因素相关.     

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。     

空间电场的原位测量

在地球和行星空间中探测电场有助于我们理解空间中的电场结构和等离子体波动.?通过分析电场测量数据,我们还能反演得出普通能谱仪不能直接测量的磁层中占绝大多数的冷离子.?这些冷离子的来源为地球的电离层,通过极区的双极性电场加速而逃逸.?它们从电离层中的损失是地球大气层和宜居性演化的重要因素.?本文总结空间探测中主要使用的两种...     

地球等离子体层研究进展

地球等离子体层作为内磁层的重要组成部分,在空间天气过程的发生和发展过程中都起着非常重要的作用.地球等离子体层是由上行电离层粒子被地球磁力线捕获而形成的圆环状冷的等离子体区域.等离子体层的外边界称为等离子体层顶,在该区域的等离子体层密度在0.5个地球半径内下降了1～2个数量级.地球等离子体层结构的动态变化特征是空间环境扰动状态的指示器,其结构形态和动力学过程受地磁场和电场控制,而地磁场短期变化源于太阳活动引起的日地扰动.地磁暴期间等离子体层的大规模结构演化影响等离子体层中波的产生和传播,从而影响波-粒子相互作用,导致内磁层中电子和离子的空间分布发生变化,进而影响其它磁层和电离层过程.对地球等离子体层进行进一步研究,对揭示太阳风-磁层-电离层耦合过程中的质量输运和能量转移、空间天气预报等方面都具有重要的意义.本文对等离子体层和地磁活动的关系、等离子体层中的波、顶部电离层及等离子体层电子含量的变化规律和等离子体层模型等方面的研究进展进行了介绍.最后,我们还对等离子体层研究方面一些亟待解决的问题进行了展望.     

中国高层大气与电离层耦合研究进展

近年来,地球高层大气与电离层之间的耦合研究为众多学者所关注.在回顾这一领域国际上若干研究方向进展的基础上,着重介绍了中国学者的近期研究工作与贡献.首先,扼要介绍了中国高层大气观测的新发展,包括激光雷达、FP干涉仪、全天空气辉成像仪等光学探测,MST雷达、全天空流星雷达等无线电探测手段.在高层大气变化特性研究中,介绍了高层大气的气候学及各种大气波动的研究进展.在高层大气与低电离层的耦合研究方面,介绍了突发钠层及低热层钠层的观测研究和钠层模式的研究进展,以及突发E层与大气行星波之间的耦合研究工作.在高层大气波动过程与电离层F2层耦合研究中,着重介绍了电离层四波经度结构与高层大气非迁移潮汐之间的耦合特性与机理研究.在热层与电离层耦合的研究方向上,介绍了热层背景大气风场和重力波对电离层的作用、带电粒子对赤道热层的影响与热层赤道异常的形成机理研究等热层电离层相互耦合工作.综合认为,近年来中国学者在高层大气与电离层耦合的研究领域进行了大量工作,包括实验观测及数据分析、模式化与理论研究等.中国学者取得的研究成果为这一领域近年来的进展与突破做出了重要贡献.     

中纬电离层大尺度扰动的数值模拟

利用计算机模拟研究了不同条件下中纬电离层F区大尺度扰动的时空演变.当存在幅度约为5％的初始扰动时,Perkins不稳定性能发展成为大尺度电离层不均匀体.大气重力波能触发Perkins不稳定性,在更短时间内增长成为大幅度电离层振荡.非均匀局部电场结构也能产生局部电离层的大幅度扰动.本义的模拟表明,中纬电离层大尺度扰动主要表现为磁通管内等离子体沿磁力线的振荡.模拟结果与观测现象符合得很好.     

空间电磁环境研究在军事上的应用

由磁层、电离层和高层大气组成的近地空间系统是现代战争和未来战争活动的主要空间领域,地磁场和地球电磁环境与军事通信、遥感侦察、导航定位以及高空核打击等军事行动有着密切的关系.本文根据已经公开发表于学术刊物的材料,对比分析高空核爆炸产生的人工辐射带和天然辐射带的主要特点以及灾害性空间天气事件（如亚暴和磁暴）对空间飞行器的损害,简要介绍电离层骚扰和不均匀性对通信的影响,探讨地磁场在导航定位中的可能应用.     

子午工程二期漠河大气风温金属成分激光雷达钙原子初步观测结果

子午工程二期漠河(122°E,53°N)大气风温金属成分激光雷达利用高空大气金属层共振荧光散射机制探测80～120 km区域的金属层成分，并将这些金属成分作为示踪物去研究中高层大气的各种复杂的化学和动力学过程.子午工程二期漠河钙原子激光雷达采用的时间分辨率为1.1 min，空间分辨率为30 m.在这种高时空分辨率下，仍然得到了高信噪比信号.通过对2023年1月钙原子数密度随时间和高度的演化过程进行分析，发现背景层钙原子峰值密度达到了33.55 cm^-3左右，并且其突发层钙原子峰值密度可以达到约53.64 cm^-3；在与延庆(116.0°E,40.5°N)钙原子数密度的比较研究中，我们发现延庆的钙原子数密度小于漠河的钙原子数密度；在与国外台站钙原子观测的比较研究中，我们发现漠河钙原子数密度和德国Kuhlungsborn(54°N,12°E)台站的钙原子数密度接近，比法国的Observatoire de Haute Provence(44°N,6°E)台站的钙原子数密度大.在2023年1月12日至14日，我们观测到了钙流星尾迹，并且流星尾迹往往出...     

从高频垂测反射回波散射谱反演电离层不均匀结构方法初探

在背景各向异性不均匀的随机起伏电离层中高频电波散射理论的基础上,进行了不同漂移速度方向下高频垂测反射回波的相位和幅度功率谱的数值计算．结合理论分析,提出了根据非常波和寻常波的相位和幅度功率谱的谱线振荡形态以及变化趋势的分析来估计电离层不均匀体的谱结构以及漂移速度的大小及方向等参量的新方法．     

长偶极大功率可控源电磁波响应特征研究

地球物理学中关于电磁波勘探研究通常采用的是地球半空间模型.然而,对于几十公里的有限长电缆源（长偶极源）,远距离电磁波场探测必须要考虑电离层的影响,它是一个全空间问题.关于包含电离层、空气层和地球介质（我们称“地-电离层”模式）的电磁波场特征的研究在国外较少,国内几乎是空白.本文采用全空间积分方程法首先对小尺度的可控源电磁波场特征进行了研究,由于此时电离层的影响可忽略,它应该和半空间成熟的CSAMT模拟结果一致,对比结果表明,二者是一致的,验证了全空间模拟方法的可靠性和有效性.随后进行了50 km长电缆电离层和空气层高度都为100 km的“地-电离层”模式大尺度电磁波场模拟,以探讨大尺度可控源电磁波场的特征.给定频率的“地-电离层”模式电磁场的衰减曲线表明长电缆远距离电磁波场由于受电离层的作用存在衰减逐渐变小的过渡场和衰减变小的波导场.为了探讨复杂介质“地-电离层”模式电磁波特征,对“地-电离层”模式的典型地盾和地台多层介质模型进行了数值模拟,得到了偶极源长度50 km、电流200A、收发距离远达1600 km和2500 km的合理的电磁场结果.最后,对一简单含油储层结构模型进行了长偶极、大功率、远距离电磁波场响应计算.储层横向不均匀复杂结构模拟的结果表明,考虑电离层和大气层的“地-电离层”模式大尺度深层复杂介质模拟时,电磁场对深部目标体仍有很好的异常响应.     

曲靖非相干散射雷达观测研究进展与展望

本文介绍了我国曲靖非相干散射雷达的主要技术方案，结合实测数据分析表明该雷达具备了电离层电子密度与等离子体温度观测、空间碎片凝视探测与月球二维成像探测等能力，可用于研究电离层F层气候学特征、电子密度暴时变化与异常增强等天气事件、E-F谷区结构与变化、约3 cm以上尺寸空间碎片的分布特征与模型、月球不同区域的散射回波特性等.下一步将重点开展低电离层与北驼峰结构及演化过程、电离层暴时与扰动特性观测.     

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究:4.太阳活动低年夏季F区回波

太阳活动低年夏季,低纬电离层F区场向不规则体表现出与太阳活动高年和其他季节明显不同的特征.本文利用我国三亚站(18.4°N,109.6°E,地磁倾角纬度dip latitude 12.8°N)VHF雷达、电离层测高仪、GPS闪烁监测仪和美国C/NOFS卫星观测数据,研究了太阳活动低年夏季我国低纬电离层F区场向不规则体的基本特征.分析发现无论磁静日还是磁扰日,夏季电离层F区不规则体回波主要出现于地方时午夜以后,回波出现的时间较短,高度范围较小,伴随着扩展F出现,但没有同时段的L波段电离层闪烁.太阳活动低年夏季午夜后的低纬电离层F区不规则体回波,可能并不总是与赤道等离子体泡沿磁力线向低纬地区的延伸相关,而可能由本地Es等扰动过程引起.     

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...     

电离层氧离子83.4 nm辐射计算方法

氧离子83.4 nm辐射是由氧离子辐射跃迁产生的,是电离层极紫外日辉辐射中辐射强度较高的信号之一.从空间对其进行成像为高层大气状态的监测提供了一种强有力的方法.为了准确的描述辐射强度的分布情况,本文在MSISE-00大气模型下,用AURIC计算氧离子83.4 nm辐射的初始体辐射率、电离层氮气分子、氧气分子以及氧原子的密度分布,接着,用Chapman函数生成氧离子密度分布,计算共振散射作用下的体辐射率.然后,给出在不同的初始辐射率情况下,沿天底方向观测的辐射强度对比.最后,与Anderson的计算结果作了两组对比,指出由电子碰撞产生的初始体辐射率占比提高16%,总的辐射强度会提高30%.本文的工作为低热层大气氧离子密度和光电子通量的探测提供支持,这对电离层电子密度反演具有理论意义.     

火星弓激波的基本特征与位形模型

由于火星没有内禀磁场,太阳风可以直接与火星大气和电离层相互作用,并在火星上游形成弓激波.?过去几十年,利用弗伯斯2号(Phobos?2)、火星环球探测者号(MGS)、火星大气与挥发物演化(MAVEN)等探测器对火星空间磁场和等离子体的探测,研究人员对火星弓激波的基本特征、影响火星弓激波位形的主要因素开展了大量研究和探索...