电离层TEC卡尔曼滤波成像研究

随着太空探测技术的进步,对TEC(Total Electron Content,简称TEC)探测精度要求越来越高.本文利用COSMOS 2414卫星数据资料获得观测TEC,在电离层NeQuick模型下,得到电离层电子密度,并使用卡尔曼滤波算法反演电子密度,最后结合电离层测高仪数据对实验结果进行判定.结果发现利用卡尔曼滤波反演信标资料算法,可以获得可靠的二维电子密度场.     

2017年九寨沟M7.0地震前临震电离层异常研究

为研究2017年8月8日四川九寨沟M7.0地震前电离层异常,利用地基GNSS(Global Navigation Satellite System)垂直电子总含量(Vertical Total Electron Content, VTEC)和电离层测高仪F2层临界频率(foF2)观测数据,考察了震前20日内电离层变化,发现震前第4日(8月4日)及地震发生前5小时,震中附近上空出现显著电离层正异常。结合异常对应的日地空间环境分析,认为震前第4日出现的异常由磁暴引起,而发震当日出现的临震电离层异常可能与孕震活动有关。本文表明电离层测高仪具有同GNSS VTEC一致的异常检测结果。相比公布时间滞后的GNSS数据及其产品,测高仪数据的获取更加及时,将两种电离层观测手段结合起来,能实现两种技术优势互补,提高地震电离层监测能力。     

火星电离层电子密度对太阳辐射变化的响应

太阳辐射是火星电离层变化的重要控制因素.利用火星全球勘探者号(Mars Global Surveyor,MGS)电离层掩星探测数据,并结合一个火星电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)经验模型,研究了火星北半球高纬地区电离层电子密度对太阳辐射变化的响应特性.在考虑了火星掩星数据中电离层...     

基于载波相位平滑伪距与精密单点定位获取的TEC在GNSS电离层层析中的对比分析

利用GNSS(Global Navigation Satellite System)建立电离层层析(Computerized Ionospheric Tomography, CIT)模型反演电离层的结构,并探测和研究电离层的活动及其变化规律是目前的研究热点,其中相位平滑伪距(Carrier Phase Smoothing Pseudorange, CPSP)和精密单点定位技术(Precise Point Positioning, PPP)是两种主要的电离层电子含量(Total Electron Content, TEC)获取方式,但这两种方法对电离层层析的性能影响,目前尚未有研究进行比较分析.有鉴于此,本文利用欧洲区域2017年9月7、8两日的GNSS数据,分别基于CPSP和PPP获取TEC进行电离层层析反演并分析比较其精度,这两种反演方法分别称为CPSP-CIT和PPP-CIT.其结果显示,CPSP-CIT与测高仪之间的RMSE均值为0.9292×10¹¹ el/m³、PPP-CIT与测高仪之间的RMSE均值为0.6915×10^1...     

基于GPS探测汶川地震电离层TEC的异常

利用球谐模型和中国地壳运动观测网络及IGS（International GNSS Service）基准站的GPS观测数据,分别计算了中国区域及全球电离层电子总含量（Total Electron Content,TEC）,采用了不同的统计分析方法,对汶川震中上空及邻近区域的TEC进行检查.结果发现：震前后一个星期,孕震区上空连续出现电离层异常扰动,其异常形态具有共轭结构,且呈现向磁赤道漂移趋势.     

基于北斗、GLONASS和GPS系统的中低纬电离层特性联合探测

基于GNSS(Global Navigation Satellite Systems)的发展,我们利用具有北斗、GLONASS和GPS三系统信号接收功能的接收机观测的数据,结合电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)的反演算法,提取出GNSS三系统观测的电离层TEC;同时,将GNSS三系统获取的TEC应用到电离层TEC地图、行进式扰动、不规则体结构和电离层的太阳耀斑响应等方面的研究中,这也是首次使用三种GNSS系统数据对电离层进行联合探测研究.研究结果表明,增加了北斗系统的GNSS三系统在研究中国地区电离层TEC地图、周日变化、逐日变化,行进式扰动以及电离层的实时监测等方面较单系统的GPS具有明显的优势.     

应用经验正交函数估算顶部电离层电子密度剖面

本文基于IRI模型、地面数字测高仪和GNSS TEC数据,提出了一种利用经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,简称EOF)估算顶部电离层电子密度剖面的方法,并将其应用于美国Millstone Hill测高仪和GNSS数据以估算顶部电离层电子密度剖面.通过将估算的临界频率、峰值高度、400km以上电子密度分别与测高仪实测临界频率、测高仪实测峰值高度以及非相干散射雷达实测400km以上电子密度作对比以对方法的有效性进行验证.统计结果显示估算临界频率、峰值高度与测高仪实测数据基本一致,400km以上估算电子密度相较于非相干散射雷达实测的绝对误差平均值仅是测高仪推算400km以上电子密度绝对误差平均值的一半左右.所以本文提出的方法可以更加精确地估算顶部电离层电子密度.     

日本Mw9.0地震前电离层异常初步分析

2011年3月11日日本东北海域发生了9.0级大地震.根据国际GPS服务和日本国土地理院公布的GPS连续观测数据,得到地震前20天震区附近上空的电离层垂直总电子含量(Vertical Total Electron Content,VTEC)的时间序列,并利用滑动四分位法(前15天滑动)分析电离层异常.同时采集COSMI...     

2009年7月22日日全食期间湖北沙洋地区电离层扰动分析

发生在2009年7月22日亚太地区的日全食,为人们研究电离层扰动提供了一次难得的机会.基于沙洋地区采集的高频(1 Hz)GPS数据,通过对日食当天与前后几天电离层VTEC(Vertical Total Electron Content)的变化分析,结果显示日食期间电离层VTEC含量均呈现出一种先下降再上升的“水槽”变化趋势,且VTEC下降达到2～5 TECU,下降幅度达33.1％,VTEC的最小值与食甚时刻延迟为25.2～147.6 s.在日全食后期有中等强度的磁暴发生,与日食相互重合叠加共同对电离层VTEC变化造成影响,使得VTEC变化明显异于前后几天,最后定量的分析了磁暴对VTEC的影响.     

综合半参数核估计和自回归补偿的全球电离层总电子含量预报模型

针对电离层半参数球谐函数模型中窗宽参数选择引起的估计偏差,本文在传统的电离层球谐函数模型中引入半参数核估计和自回归(Autoregressive model,AR)模型,分别用于分离球谐函数模型的系统误差和窗宽参数引起的估计偏差,提出一种全球电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)组合预报模型.首先,利用多项式拟合法剔除球谐系数的趋势项;然后利用频谱分析法提取球谐系数的周期,引入半参数核估计平差模型求解模型参数,建立半参数球谐函数(Semiparametric-Spherical Harmonic,Semi-SH)模型;最后将Semi-SH模型拟合残差用AR模型补偿预报.实验结果表明,组合预报模型相比单一的Semi-SH模型有较大的提升,全球TEC预报值与欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)发布的TEC值相比,单天预报残差小于1 TECU、3 TECU和5 TECU占比分别为54.30％、93.40％和98.61％;组合模型滑动预报5天相对精度在低、中、高纬度地区分别提高了 2.14％、1.32％和2.32％.     

利用半参数核估计法预报全球电离层总电子含量

本文将半参数平差模型引入电离层球谐函数系数的预报中,建立了半参数球谐函数模型(Semiparametric-Spherical Harmonic,Semi-SH)来预测全球电离层总电子含量.首先,通过快速傅里叶变换获得球谐函数系数的周期和振幅,将振幅高的主周期归入趋势函数,振幅低的剩余周期归入随机信号,建立了半参数模型,同时利用核估计方法拟合趋势函数,解算随机信号,并在时间域上进行外推,得到了预报时间的球谐函数系数,代入15阶电离层球谐函数模型,最后得出电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)的预报值.本文基于欧洲定轨中心(CODE)发布的球谐函数系数进行电离层TEC长期预报和短期预报分析,其中长期预报采用四年预报两年的模式对球谐函数系数进行预报,短期预报设计了三个算例,采用前30天预报后一天的模式,分别预报1天、滑动预报7天和滑动预报30天.实验结果表明:长期预报能够较好地反映全球电离层TEC的变化趋势和波动情况,Semi-SH模型对全球电离层TEC平均值(Mean TEC global,MTECglobal)的拟合值和预报值与MTECglobal实际值的相关系数分别为0.8743和0.8010,呈现出高度相关性.短期预报中,在太阳活动高年和太阳活动低年,Semi-SH模型在中纬度地区预报精度较CODE发布的电离层TEC 1天预报产品(CODE′S 1-Day Predicted GIM,C1PG)有较大提升,在高纬度与低纬度地区两种模型预报精度相当;Semi-SH模型在太阳活动高年和太阳活动低年30天滑动预报精度的均值均高于C1PG模型.实验结果说明了Semi-SH模型预报电离层TEC值的有效性.     

基于注意力机制LSTM的电离层TEC预测

电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)的监测与预报是空间环境研究的重要内容,对卫星通讯和导航定位等有重要意义.TEC值影响因素较多,很难确定精确物理模型来对其进行预测.本文设计了基于注意力机制的LSTM模型(Att-LSTM),采用过去24小时TEC观测数据对未来TEC进行预测.选择北半球东经100°上,每2.5°纬度选择一个位置,共计36个位置来验证本文提出模型的性能,并与主流的深度学习模型如DNN、RNN、LSTM进行对比实验.取得了如下成果：(1)在选定的36个地区未来2小时单点预测上,基于本文的Att-LSTM模型的TEC预测性能明显优于其他对比模型;(2)讨论了纬度对Att-LSTM预测未来2小时TEC值时性能的影响,发现在北纬0°到60°之间,Att-LSTM预测性能随着纬度的升高而略有降低,在北纬62.5°～87.5°之间,模型预测性能出现扰动,预测效果略差;(3)讨论了磁暴期和磁静期模型的预测性能,发现无论是磁暴期还是磁静期,本文模型预测性能均较好;(4)还讨论了对未来多时点预测效果,实验结果表明,本文所提出的模型对未来2、4个小时的...     

利用气象TEC数据异常预测吉林松原地震的几点说明

正TEC(Total Electron Content)即为电离层电子浓度总含量,简称TEC,俗称大气电离。作者在以TEC观测数据为研究对象从事地震前兆研究工作过程中发现疑似地震前兆异常,于2017年9月26日向户籍所在地陕西省地震局上报了一份地震预报意见,预测吉林省松原地区有发生破坏性地震的可能。从发出预测意见之日起至2018年5月底,共发生4.0—4.9级地震2次,     

武汉大学IGS电离层分析中心全球电离层产品精度评估与分析

2016年2月,武汉大学卫星导航定位技术研究中心(Wuhan University, WHU)正式成为新的国际GNSS服务组织(International GNSS Services, IGS)电离层联合分析中心(Ionosphere Associate Analysis Center, IAAC).本文首次系统地评估和分析了武汉大学IGS电离层分析中心自2016年日常化运行以来(2016年1月到2018年9月,太阳活动低年)的全球电离层产品的精度,并与其他六家IAACs (CODE、JPL、ESA、UPC、EMR和CAS)进行了比较分析.结果表明:WHU的全球电离层产品能够长期稳定且有效地监测全球电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)的时空变化;和IGS综合全球电离层产品比较,WHU的模型均方根误差和CODE、JPL相差不大,均值约为1.4 TECU,产品一致性优于其他IAACs;和GPS实测电离层TEC比较,WHU的模型内符合精度和CODE基本相当,均值约为1.4 TECU,且与电离层活动水平和地理纬度存在显著的相关性;和Jason-2测高卫星VTEC比较,WHU的全球电离层产品的系统性偏差均值约为-0.7 TECU,在不同纬度约为-3.0到1.0 TECU,且与地理纬度存在近似抛物线函数的关系;WHU的模型外符合精度和CODE、JPL以及CAS基本一致,均值约为2.9 TECU,且在中高纬度地区优于低纬度地区,北半球优于南半球.     

基于JPL-GIM数据研究昆明地区VTEC的变化特征

利用下载的JPL-GIM（Jet Propulsion Laboratory-Global Ionosphere Map,美国加利福尼亚喷气动力实验室全球电离层地图）数据,分析了昆明地区2001—2012年VTEC（Vertical Total Electron Content）随时间变化的特性。结果表明,春、秋、冬三季的VTEC平均最高值均出现在“08:00UT”,而夏季的VTEC平均最高值出现在“10:00UT”,四季的VTEC平均最低值出现在“22:00UT”;VTEC变化存在季节异常,即春、秋季节高,夏、冬季节低;昆明地区的VTEC在2001—2009年呈现出逐渐下降的变化趋势,自2010年开始逐渐增强,年际变化与太阳活动及地磁活动变化的趋势呈现出较好的对应关系,且VTEC变化与太阳活动存在较强的相关性,其相关系数达到了0.8以上,而与地磁活动则显示出了相对较弱的相关性。     

克州电离层测高仪建设及初步结果

电离层测高仪是地面探测电离层的主要常规手段.2010年8月中国气象局在新疆的克孜勒苏柯尔克孜自治州(简称克州)(北纬39.72°,东经76.18°)完成了中国最西端电离层垂直探测站的建设.本文介绍了克州电离层测高仪的主要性能参数、一种新的CADI测高仪天线方案设计及天线系统测试结果;初步比较了克州电离层测高仪站和同样安装了CADI测高仪的加拿大Baker站(北纬52.16°,西经106.53°)2010年10月1日的电离图,这两个站的电离图质量基本一致;2011年2月24日发生了一次太阳耀斑事件,克州电离层测高仪记录了这次耀斑期间电离层的变化和响应,证明了测高仪监测对于短波通信有重要应用价值;比较了2010年8月至10月克州电离层测高仪观测月中值、Rome电离层测高仪(北纬41.9°,东经12.5°)观测月中值和IRI2007的模式值并发现:1)2010年8～10月,克州foF2观测月中值和同纬度Rome的foF2观测月中值在分布形态上比较一致;2)克州foF2观测月中值和模式月中值在8月比较吻合,在10月存在一定差异;9月10:00～13:00、10月4:00～14:00IRI2007模式月中值高于观测月中值,且偏离较大(大于8%);3)克州foF2观测月中值在8月、9月的分布中存在Biteout现象.     

日本M_W 9.0级特大地震前电离层扰动初步分析

利用JPL提供的TEC地图数据和日本NICT提供的测高仪数据分析了2011年3月11日日本MW9.0级特大地震(Tohoku-oki Earthquake)前上空的电离层变化.GIM TEC地图数据分析发现,3月1～4日GPS TEC在赤道异常区域出现了不同程度的负扰动,其中3月1日和2日的扰动幅度和范围较大,以上很可能是由于3月1日爆发的9小时磁暴所致;此外,震前3天即3月8日04-14UT期间赤道异常区电离层TEC出现了明显的增强现象,异常最大幅度达30TECU,并伴随有南半球磁共轭区增强现象.日本境内的4个电离层测高仪数据分析显示,3月8日4个台站同时出现了foF2增强现象,其中Okinawa和Yamagawa两个站增幅明显.分析发现震前3天地震上空区域电离层参量异常增强,认为这可能与大气层和电离层垂直电场的变化有关,这种电场的变化有可能是地震产生的电磁信号传播所致.     

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.     

暴时低纬电离层不规则体响应特征的多手段观测

2010年10月11日发生了一次中等强度的磁暴.本文利用三亚(18.4°N,109.6°E)数字测高仪、VHF雷达和GPS TEC/闪烁监测仪数据以及120°E子午线附近我国漠河(53.5°N,122.4°E)、北京(40.3°N,116.2°E)和武汉(30.6°N,114.4°E)的数字测高仪和GPS TEC/闪烁监测仪数据,分析了磁暴期间我国中低纬地区电离层不规则体的响应特征.结果表明:这次磁暴触发了10月11日午夜前后两个时段低纬(三亚)电离层不规则体事件,而在较高的纬度地区(武汉及以北),并没有观测到电离层不规则体与闪烁.在午夜前,电离层不规则体的发生受磁暴主相期间快速穿透电场激发;在午夜后,电离层不规则体受磁暴恢复相的扰动发电机电场触发,该时段伴随行星际磁场北向翻转的过屏蔽穿透电场也可能是扰动源之一.此外,磁暴期间不同尺度的电离层不规则体会伴随发生.     

联合半参数和长短期记忆神经网络的全球电离层TEC短期预报

半参数球谐函数(Semiparametric Spherical Harmonic, Semi-SH)模型能减少电离层预报模型误差以及残余周期带来的系统误差.但是半参数球谐函数模型中窗宽参数的选取会带来一定的估计偏差,本文利用长短期记忆神经网络(Long-Short Term Memory Networks, LSTM)在非平稳性时间序列预报中的良好适应性,提出了一种联合Semi-SH与LSTM(Semi-SH-LSTM)的全球电离层TEC短期组合预报模型,适用于1—5天的短期预报. Semi-SH-LSTM模型通过预报球谐函数系数解算全球电离层TEC,利用二次多项式和半参数核估计方法分别拟合球谐系数趋势项和周期项,最后基于LSTM对拟合残差进行补偿预报.本文利用欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe, CODE)球谐函数系数产品,采用单天预报和多天预报两种实验方案验证Semi-SH-LSTM模型的有效性.实验结果表明,相比于Semi-SH模型和综合半参数与自回归模型,Semi-SH-LSTM模型的单天全球TEC预报残差RMS值分...