利用北斗GEO卫星观测数据分析中低纬地区小尺度VTEC时变率

利用北斗GEO卫星的静地特性,研究了中低纬地区小尺度垂直总电子含量(VTEC)时变率.给出了利用GEO卫星双频载波相位观测数据计算VTEC时变率(RVTEC)的公式,引入VTEC时变率指数(RVTECI)作为反映电离层活动程度的指标.通过对不同卫星观测结果的比较,确定30°为合适的RVTEC观测截止仰角.对处于南北纬30°之间5个测站共12天的观测数据进行了计算,结果表明:中纬地区VTEC变化最为平缓,RVTECI一般不超过0.01 TECu/s;赤道附近地区某些夜间时段电离层变化较为剧烈,RVTECI可达0.5 TECu/s,1 min内VTEC的变化量可达8 TECu.     

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.     

卫星测高应用中的电离层延迟滤波处理的必要性

针对卫星测高应用中电离层延迟的精细化处理问题,分析了电离层延迟滤波处理的必要性.利用Jason-3卫星1 s电离层延迟数据研究了电离层延迟的空间变化特性,分析了滤波前后电离层延迟变化的差异及其产生原因.通过Jason-3卫星前100个周期的电离层延迟双频改正数据计算的1 s差分序列的标准差约为1.49 cm,其与实际电离层变化情况的差异表明原始电离层延迟双频改正包含1 cm量级的误差,滤波处理后电离层延迟1 s差分序列的标准差约为0.05 cm,更合理地反映了电离层电子含量的空间变化情况.卫星测高应用特别是需要进行沿轨海面高差计算的应用中电离层延迟滤波处理非常必要,若不进行滤波处理,对于Ku频段测高应用,沿轨海面坡度的计算将包含约1.5 cm/5.8 km的误差.     

电离层不规则结构漂移的GPS测量及其初步结果

本文阐述了利用GPS接收机台阵测量到的闪烁和TEC变化率ROT快速起伏图样估计F层不规则结构漂移的原理和方法,并利用实测数据估计了静日和暴时电离层不规则结构的水平漂移速度.短间距台网和超短间距台链观测实例的计算结果表明,暴时武汉地区引起TEC快速起伏的电离层不规则结构沿纬圈向西漂移,21∶30至03∶00 LT,西向漂移速度在约40 m/s至130 m/s的范围内变化;在桂林地区,磁静日午夜前后引起L波段电波闪烁的电离层不规则结构沿纬圈向东漂移,漂移速度从约70 m/s下降到约55 m/s,磁扰日午夜前不规则结构向西漂移,速度从约150 m/s下降到约50 m/s,午夜后转为向东漂移,速度从约25 m/s上升到约65 m/s.文中还提出了由单站多卫星观测估计F层不规则结构漂移的设想.实例分析与计算结果表明,利用单站多卫星观测估计电离层不规则结构漂移是一种合理可行的方法.     

利用GPS计算TEC的方法及其对电离层扰动的观测

在总结用ＧＰＳ研究电离层电子总量ＴＥＣ的数据处理方法基础上,分析了利用伪距观测量和载波相位观测量计算电离层ＴＥＣ的特点及误差来源．在处理过程中考虑了卫星的硬件延迟偏差,分析了应用ＩＲＩ模型进行接收机硬件延迟偏差修正的可能性,发现利用少量ＧＰＳ数据和ＩＲＩ模型修正接收机硬件延迟偏差有一定的困难．最后,利用一些ＧＰＳ观测数据有针对性地研究了电离层对若干次扰动事件的响应．包括一次大的太阳耀斑期间的电离层ＴＥＣ变化、一次较典型的电离层行扰以及日食期间的电离层ＴＥＣ的相对变化等电离层物理问题．结果表明,利用该方法计算ＴＥＣ的精度可满足电离层扰动现象的研究．     

与地震相关的电离层三频信标CT诊断——实验及初步结果

已有研究表明地震发生前会出现电离层电子密度异常。三频信标探测通过对电离层进行快速扫描,反演得到电子密度的空间分布,能够更清晰地反映地震电离层异常特征,目前用于地震观测的三频信标观测刚刚开展。本研究介绍一种基于三频信标的电离层反演算法,采用120°E观测链的数据进行电离层层析成像,并与电离层垂测观测结果进行对比,研究观测链路上低纬和高纬电离层的时变特征。结果表明,本研究采用的电离层层析方法获得的F2层电子密度相对于初始输入的IRI模型更接近垂测观测,达到了一定的反演精度,可反映电离层的空间及时间变化特征。     

利用GPS计算TEC的方法及其对电离层扰动的观测

在总结用ＧＰＳ研究电离层电子总量ＴＥＣ的数据处理方法基础上,分析了利用伪距观测量和载波相位观测量计算电离层ＴＥＣ的特点及误差来源．在处理过程中考虑了卫星的硬件延迟偏差,分析了应用ＩＲＩ模型进行接收机硬件延迟偏差修正的可能性,发现利用少量ＧＰＳ数据和ＩＲＩ模型修正接收机硬件延迟偏差有一定的困难．最后,利用一些ＧＰＳ观测数据有针对性地研究了电离层对若干次扰动事件的响应．包括一次大的太阳耀斑期间的电离层ＴＥＣ变化、一次较典型的电离层行扰以及日食期间的电离层ＴＥＣ的相对变化等电离层物理问题．结果表明,利用该方法计算ＴＥＣ的精度可满足电离层扰动现象的研究．     

北斗三频相位观测值线性组合模型及特性研究

针对北斗三频观测值,从线性组合的基本模型出发,推导了减弱各类误差源的实数组合,包括无电离层组合、无对流层组合和最小噪声组合.无电离层组合和无对流层组合可分别用一个平面来表示,最小噪声组合可用一条直线来表示.从几何的角度对三者关系进行研究表明:无电离层组合平面和无对流层组合平面之间的夹角较小,两者与最小噪声组合线的夹角较大,其中无对流层组合平面与最小噪声组合线正交.通过引入巷数、整数电离层数等定义,对北斗三频整数线性组合的长波长组合以及无电离层整数组合进行了研究,表明北斗三频整数线性组合的最大波长为146.53 m,无电离层整数组合的噪声均较大,噪声最小的组合为(0,62,59).最后基于巷数、电离层放大因子和噪声放大因子三个指标,从挑选三个独立线性组合的角度,研究并给出了具有不同特性的最优北斗三频整数线性组合模型.针对典型的短基线场景和长基线场景选择得到了最优的三个独立线性的组合.     

利用精密单点定位求解电离层延迟

近年来,高时空分辨率的全球导航卫星系统(GNSS)观测信号已成为电离层研究的重要资源.利用GNSS研究电离层,需首先将观测资料转换成包含电离层信息的可观测量(Ionospheric Observables,称之为"电离层观测值").目前,最常用的电离层观测值一般采用联合无几何影响组合的码和相位观测,利用相位平滑伪距方法计算得到(称之为"平滑电离层观测值"),但该过程易受平滑弧段长度和与测站有关的误差(如多路径效应和观测噪声)的影响.本文提出利用精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)提取电离层观测值(称之为"PPP电离层观测值",形式与平滑电离层观测值相同).与相位平滑伪距相比,IGS发布的卫星轨道、钟差产品可被PPP合理利用,从而有效减少了待估参数,使得电离层观测值的估计精度得到改善.基于短基线和零基线实验,通过考察两类电离层观测值的站间单差结果在各卫星弧段间的离散程度,验证了PPP电离层观测值的可靠性:以某两天的短基线实验结果为例,与测站有关的误差对PPP电离层观测值的影响分别为对平滑电离层观测值影响的44.4%和35.7%,表明PPP电离层观测值更利于高精度电离层建模、预报等研究.     

基于下一代三向车轮双星编队改善地球重力场空间分辨率研究

由于当前GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)串行式编队存在"南北向条带误差"等缺陷,因此本文基于星间速度插值法开展了利用下一代三向车轮双星编队ACR(Along-Cross-Radial)-Cartwheel提高地球重力场空间分辨率的可行性研究论证. 第一,采用GRACE卫星轨道参数和关键载荷精度,利用三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B反演了120阶地球重力场.结果表明:基于ACR-Cartwheel-A/B双星编队反演地球重力场的模拟精度较德国波茨坦地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测精度平均提高2.6倍,从而检验了基于下一代三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B反演地球重力场精度优于当前GRACE串行式双星编队的可行性. 第二,通过星间速度插值法,采用卫星轨道参数(初始轨道高度350 km、平均星间距离100 km、初始轨道倾角89°、初始轨道离心率0.0046)、卫星关键载荷精度指标(星间速度10-7 m·s-1、轨道位置10-3 m、轨道速度10-6 m·s-1、非保守力10-11 m·s-2)、观测时间30天和采样间隔10 s,基于经向车轮双星编队Lo-AR(Longitudinal-Along-Radial)-Cartwheel-A/B、纬向车轮双星编队La-AR(Latitudinal-Along-Radial)-Cartwheel-A/B和三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B,分别反演了120阶地球重力场;在120阶处,累计大地水准面精度分别为5.115×10-4 m、4.923×10-4m和3.488×10-4 m. 结果表明:(1)由于La-AR-Cartwheel-A/B编队的轨道稳定性优于Lo-AR-Cartwheel-A/B编队,因此基于La-AR-Cartwheel-A/B编队反演重力场精度高于Lo-AR-Cartwheel-A/B编队;(2)由于ACR-Cartwheel-A/B编队可以同时获得轨向、垂向和径向的重力场信息,卫星观测数据具有各向同性优点,因此ACR-Cartwheel-A/B编队是建立下一代高精度和高空间分辨地球重力场模型的优化选择.     

地基GNSS VTEC约束的大气掩星电离层误差修正方法

介绍了一种考虑电离层沿GNSS掩星射线路径分布不对称且兼顾一阶和二阶项的大气掩星电离层误差修正新方法,它综合地基GNSS VTEC的水平变化信息和电离层模式的垂直变化信息,在沿"入射线"与"出射线"双边局部球对称假设下,估算GNSS掩星射线路径上的电子密度;进而计算一阶和二阶项弯曲角电离层误差廓线.采用太阳活动低年的2008年7月15日和太阳活动较高年的2013年7月15日两天的MetOp-A和GRACE掩星观测资料和IGS的GNSS VTEC数据,计算了GNSS大气掩星弯曲角一阶和二阶项电离层误差廓线.对比分析表明：新方法经验模型和理论模型的二阶项弯曲角电离层残差,以及经验模型与实测数据的一阶和二阶项弯曲角电离层误差均具有良好的一致性,因此该方法可用于L2信号数据质量较差或L2信号中断的掩星事件,同时修正大气掩星一阶和二阶电离层误差,从而提高弯曲角精度和掩星观测资料的利用率.     

A study of GPS ionospheric scintillations observed at Guilin

The occurrence of strong ionospheric scintillations with S4≥0.2 was studied using global positioning system (GPS) measurements at Guilin (25.29°N, 110.33°E; geomagnetic: 15.04°N, 181.98°E), a station located near the northern crest of equatorial anomaly in China. The results are presented for data collected from January 2007 to December 2008. The results show that amplitude scintillations occurred only during the first five months of the considered years. Nighttime amplitude scintillations, observed mainly in the south of Guilin, always occurred with phase scintillations, total electron content (TEC) depletions, and Rate Of change of TEC (ROT) fluctuations. However, TEC depletions and ROT fluctuations were weak during daytime amplitude scintillations, and daytime amplitude scintillations usually occurred in most of the azimuth directions. GPS scintillation/TEC observations recorded at Guilin and signal-to-noise-ratio measurements obtained from GPS-COSMIC radio occultation indicate that nighttime and daytime scintillations are very likely caused by ionospheric F region irregularities and sporadic E, respectively.     

Ionospheric reflection coefficients at vlf from sferics measurements

Summary A method for calculating the complex ionospheric reflection coefficients at vlf using sferic waveforms is presented. The mathematical analysis was carried out for a number of different waveforms to illustrate the method. Reflection coefficients determined from sferics observations were compared with those calculated using an ionospheric model. In most cases, the agreement with theory is fairly good although in some cases, reflection coefficients exceeding unity were obtained. The discrepancies are believed to result from horizontally polarized flashes rather than limitations in the ionospheric model.     

远紫外光谱遥感反演电离层EDP技术

本研究基于美国GUVI观测氧原子135.6 nm夜气辉光谱数据,建立了GUVI临边观测模型,采用正则化和牛顿迭代法相结合的方法,消除了权重矩阵的病态问题,得到了峰值电子密度和峰值高度,并结合电离层电子密度的Chapman表达式,反演得到了电离层电子密度剖面.将得到的反演结果与地基方式获取的观测数据进行比较,两者吻合得很好.之后,反演得到了磁暴期2002年9月29日到10月3日的电子密度剖面,初步分析了电离层电子密度剖面随磁暴的变化情况.     

地基GNSS VTEC约束的大气掩星电离层误差修正方法

介绍了一种考虑电离层沿GNSS掩星射线路径分布不对称且兼顾一阶和二阶项的大气掩星电离层误差修正新方法,它综合地基GNSS VTEC的水平变化信息和电离层模式的垂直变化信息,在沿"入射线"与"出射线"双边局部球对称假设下,估算GNSS掩星射线路径上的电子密度;进而计算一阶和二阶项弯曲角电离层误差廓线.采用太阳活动低年的2008年7月15日和太阳活动较高年的2013年7月15日两天的MetOp-A和GRACE掩星观测资料和IGS的GNSS VTEC数据,计算了GNSS大气掩星弯曲角一阶和二阶项电离层误差廓线.对比分析表明：新方法经验模型和理论模型的二阶项弯曲角电离层残差,以及经验模型与实测数据的一阶和二阶项弯曲角电离层误差均具有良好的一致性,因此该方法可用于L2信号数据质量较差或L2信号中断的掩星事件,同时修正大气掩星一阶和二阶电离层误差,从而提高弯曲角精度和掩星观测资料的利用率.     

Ionospheric response to the partial solar eclipse of March 29, 2006, according to the observations at Nizhni Novgorod and Murmansk

The results of observations of the solar eclipse ionospheric effects on March 29, 2006, are presented. The observations were conducted using the partial reflection method near Nizhni Novgorod and the vertical sounding method at the automatic ionospheric station near Murmansk. It has been obtained that the electron density at altitudes of 77 and 91 km decreases by a factor of more than 4; in this case the response of the ionosphere at an altitude of 91 km lags behind the eclipse maximum phase on the Earth by approximately 20 min. It has been established that the eclipse in the E and F1 regions of the polar ionosphere causes a change in the electron density by 15–20%. The delay time of this effect varies from 12 to 24 min depending on the altitude. It has been registered that the reflection virtual altitude at altitudes of the ionospheric F region increases in Murmansk and Nizhni Novgorod.     

利用ICESat数据解算南极冰盖冰雪质量变化

南极冰盖冰雪质量变化反映了全球气候变化,并且直接影响着全球海平面变化.ICESat测高卫星的主要任务之一就是要确定南北两极冰盖的质量变化情况并评估其对全球海平面变化的影响.本文利用2003年10月至2008年12月的ICESat测高数据,针对南极DEM分辨率有限的特殊性,通过求解坡度改正值,解决重复轨道地面脚点不重合的问题,计算了南极大陆(86°S以北区域,后文所述南极冰盖均不包括86°S以南区域)在这5年里的冰雪质量变化情况,得到东南极冰盖的质量变化为-18±20 Gt/a,西南极-26±6 Gt/a,南极冰盖的冰雪质量变化为-44±21 Gt/a,对全球海平面上升的影响约为0.12 mm·a-1.解算结果表明,南极冰盖质量亏损主要集中在西南极阿蒙森海岸附近冰川以及东南极波因塞特角区域.     

一种能实现单频PPP-RTK的GNSS局域参考网数据处理算法

全球范围内大量布设的GNSS(Global Navigation Satellite System)参考网为精密定位、导航和授时等应用提供了丰富的数据资源.基于局域参考网,先后发展了若干侧重实现双频精密定位的技术,如NRTK(Network Real Time Kinematic),PPP(Precise Point Positioning)和PPP-RTK等.其中,PPP-RTK融合了NRTK和PPP的技术优势,是目前相关研究的热点.本文改进了利用局域参考网提取各类改正信息的算法,以便于实现单频PPP-RTK,具体步骤包括:1) 逐参考站实施非组合PPP,并固定已知站星距和卫星钟差,预估电离层延迟、浮点模糊度等参数;2)联合所有参考站的PPP模糊度预估值,通过重新参数化,形成一组双差整周模糊度和接收机、卫星相位偏差;3) 固定双差整周模糊度,精化求解卫星相位偏差和各参考站PPP电离层延迟.基于网解中用到的卫星轨道和钟差,以及网解所提供的卫星相位偏差和(内插的)电离层延迟,参考网内的单频流动站即可实施PPP-RTK.基于澳大利亚某连续运行参考站网和流动站的实测数据,考察了:1) 参考网数据处理中,双差模糊度的固定成功率(98.89%)和卫星相位偏差估值的时间稳定性(各连续弧段优于0.2周);2)流动站处电离层延迟的内插精度(优于10 cm);3)单天内任一历元起算,固定静态(动态)单频PPP整周模糊度所需时长(均不超过10 min);4) 模糊度固定前后,单频动态PPP的定位精度(模糊度固定后,平面和天顶RMS分别优于5 cm和10 cm;模糊度固定前,相应RMS仅为28~53 cm).