电离层峰值变化特性及其影响因素分析

电离层延迟误差是影响GNSS高精度定位的重要误差来源之一,分析和掌握各因素对电离层变化规律的影响,有助于建立高精度电离层模型。为此,本文采用IGS中心提供的1999年~2015年电离层GIM数据计算南北半球不同经度圈的峰值不对称指数,分析其与太阳活动情况和地磁活动情况的相关性,并对单日电离层峰值变化情况进行分析。通过分析表明：(1)峰值不对称指数具有明显的年周期性和季节周期性;(2)西半球峰值不对称指数与太阳黑子数的相关性大于东半球,但东半球和西半球峰值不对称指数与地磁指数相关性几乎相同;(3)除08:00 LT ~ 10:00 LT(Local Time) 赤道两侧不存在明显峰值外,剩余时段均有明显的峰值,且通常在12:00 LT ~ 16:00 LT 取得极大值。     

中低纬电离层F2区峰值参量周年和半年变化及电场影响模拟研究

利用二维电离层理论模式,在地磁平静和太阳活动低年的情况下,模拟中低纬电离层峰值电子浓度NmF2和峰值高度hmF2的周年和半年变化规律.在考虑与不考虑理论模式输入电场的周年和半年变化两种情况下,对比分析研究了电场对电离层NmF2和hmF2周年和半年变化的影响.结果表明,当输入电场没有周年和半年变化分量时,模拟NmF2表现出一定的半年变化特征,而hmF2周年变化分量较强;当输入电场包含了周年和半年变化特征时,模拟NmF2和hmF2周年和半年变化特征明显改变,且这种改变随地方时和地磁纬度不同有较大的差别;电场对NmF2半年变化的影响无论是在强度还是范围上都明显大干对hmF2的影响,电场对NmF2的影响在赤道和驼峰区都比较明显,但对hmF2的影响主要集中在地磁赤道区.通过对比模拟NmF2和hmF2发现,中低纬电离层hmF2与NmF2半年变化具有一定的相关性,初步分析认为电离层电场及其关的"赤道喷泉"效应可能是这种相关性的重要纽带;电离层电场对hmF2半年变化的影响仅局限在地磁赤道地区,而对NmF2影响可达驼峰地区,因此hmF2与NmF2半年变化的相关性也仅在地磁赤道较为明显.     

影响GPS测量的电离层延迟模型研究

GPS作为一种无线电导航系统,受到很多误差源的影响,如:卫星轨道误差、卫星钟差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、多路径误差、接收机钟差和测量噪声等误差。其中,自从SA(Selected Availability)于2000年5月1日取消以后,电离层误差是最大的一项误差。为了消除电离层延迟的影响,GPS导航定位中采用了双频改正法、利用电离层延迟的空间相关性差分以及各种电离层模型来削弱其影响。本文探讨了常用的修正GPS电离层延迟的模型和经验改正公式:Bent模型,IRI模型,Klubuchar模型,双频改正法等,并详细论述了如何利用双频观测值建立电离层模型。     

电离层对GPS测量的影响

GPS作为一种无线电导航系统,受到很多误差源的影响,即:卫星轨道误差、卫星钟差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、多路径误差、接收机钟差和测量噪声等误差。其中,自从SA(Selected Availability)于2000年5月1日取消以后,电离层误差是最大的一项误差。电离层延迟对GPS定位的影响结果,主要体现在定位精度的降低和定位方法的限制等方面。电离层使接收到的GPS信号产生延迟,从几米到百米以上。如果不考虑这种影响,就会严重降低GPS定位和授时的精度。因此,电离层误差是GPS测量中的主要误差源,必须加以改正。本文介绍了电离层对GPS定位的影响,包括码群延迟(即绝对测距误差)、载波相位超前(即相对测距误差)、多普勒时延(即距速误差)以及信号衰减(即振幅闪烁),并论述了影响电离层密度的因素。     

玉树Mw7．1地震前电离层异常扰动初步分析

为了研究地震电离层效应,采用CODE提供的全球电离层地图（GIM）数据分析了2010年4月14日玉树7．1级地震．通过插值提取了震中区域震前的TEC时间序列,利用滑动四分位距法排除太阳（SSN、F10．7）和地磁活动（Dst、Kp）的干扰,发现电离层在震前26天和13天存在明显异常．全球电离层异常分布结果显示,震前26天的电离层异常幅度小于震前13天的异常幅度,这可能与临震时间有关．此外,两次异常的峰值点与震中区域并不严格对应,而是靠近震中偏向赤道的一侧,同时磁共轭区也有异常出现,但范围和幅度较小,这两次电离层异常有可能是地震前兆．     

低地磁扰期间海南电离层F2层临界频率的观测与IRI预测结果的对比研究

国际参考电离层模型(IRI)是非常有影响的电离层经验模型之一,利用该模型对我国东亚地区,尤其是海南低纬度地区,进行长期预测的效果尚未研究。通过对一个太阳活动周(2002~2012年)期间海南观测站(19.5°N,109.1°E)数字测高仪DPS-4D观测到的电离层临界频率foF2在低地磁扰动条件下的月中值日变化、季节变化和年变化进行了分析;并与相应的IRI-2012模型预报值进行了对比研究。结果表明:1观测到的foF2存在着明显的冬季异常和半年异常现象,对太阳活动存在着明显的依赖关系;2IRI-2012模型预报值虽给出了海南foF2的基本观测特征,但细节上IRI模型预测值与观测值还是存在着地方时、季节和年度偏差,主要表现为:在太阳活动低年模型存在高估;在太阳下降年期间模型存在低估;在太阳活动较高时期模型存在明显的分季低估,冬、夏季高估;整体上,多数偏差率在±20%以内。偏差率较大的时段主要集中在0500-0800LT,这与以前研究结果基本一致。这些结果对进一步完善IRI模型,尤其是在中国低纬度地区foF2预测参数方面,具有重要的参考价值。     

利用IGS数据分析2010-2012年电离层电子含量变化

利用IGS提供的2010-2012年3a的电离层服务产品IONEX数据,分析了点(120°E,30°N)的不同时间尺度的TEC变化情况,发现该地区TEC变化存在几个规律:1)3a的TEC变化具有明显的周年和半年变化特性,年变化存在双峰值,分别发生在春季和秋季;2)平均日变化曲线一致,最高值、最低值分别出现在地方时的14:00和04:00,白天TEC明显高于晚上;3)每年冬季TEC日间值低于其他季节.     

电离层在地震短临预报中的应用

总结了能够引起电离层扰动的各种因素,包括太阳活动、地磁活动、大气波动、剧烈天气以及其它方面(例如地震、火山以及人类活动等);提出了地震电离层前兆研究的一般步骤流程:地震事例筛选-电离层观测参量筛选-异常识别与提取-地震电离层前兆确认;介绍了目前地震影响电离层的三种可能途径:化学、机械波和电磁途径;总结了地震电离层前兆地基和天基监测手段;最后提出了地震电离层前兆研究的几个重点需要解决的问题.     

太阳高年期间海南电离层扩展F出现的起始时间研究

电离层扩展F与电离层闪烁现象密切相关,它们出现的起始时间存在着很大程度上的一致性,因此研究电离层扩展F出现的起始时间将对闪烁预报模型的建立具有重要的应用价值.将太阳高年（2002年3月-2003年2月）期间海南地区DPS-4测高仪观测到的扩展F按照频率、区域、混合和强区域扩展等分为四种类型,对其出现的起始时间进行了分析研究.结果表明：频率扩展和混合扩展的起始时间分别集中在0200LT-0800LT和0000LT-0600LT;而区域扩展和强区域扩展出现的起始时间分别集中在2000LT-0200LT和2000LT-2200LT.     

泸定M_S6.8地震前后的电离层TEC扰动分析

为了分析泸定M_S6.8地震期间的电离层TEC异常与地震之间的相关性,基于2022年8月6日—2022年9月8日GFZ全球电离层格网数据,选取4个特征点并使用滑动四分位距法,检测2022年9月5日泸定M_S6.8地震孕震区上空的VTEC异常。4个特征点的VTEC在8月26日、8月30日、9月4日、9月5日和9月8日均出现异常扰动,排除空间环境活动的干扰后,8月26日的负异常和8月30日的正异常与本次地震相关,且VTEC异常集中出现在世界时间UT04：00-12：00,呈现先增大后减小特征。检测结果表明,地震期间的电离层TEC异常与地震之间具有较强的相关性,可为地震的预测分析提供参考。     

电离层高精度高频多普勒频移参量的时域探测方法

针对电离层数字测高仪垂直探测中频域探测方法的不足,利用电离层回波信号相位测量分析和运算处理算法,开发并实现了一种时域探测方法,用于实时获取高精度高频多普勒频移信息.实验观测表明:新发展的电离层时域探测方法可以实时获得高精度高频多普勒频移参量,能够满足电离层小尺度扰动观测研究需要.     

井下小区域地磁数值的时域变化与波动分析

井下点位地磁数据采集精度直接影响到井下地磁定位准确度.针对井下小区域磁测数据在不同时域期间波动变化,选取美国FVM400磁力仪在井下实验场中,对6个基准点进行了3个太阳日的地磁数值的监测,通过数据预处理及统计分析了不同监测点的时域地磁数值波动规律.研究结果表明:小区域内单点地磁总场和三轴分量波动规律一致,波动变化表现明显.磁测数值稳定时域为00:00—08:00和16:00—24:00,不稳定时域为08:00—16:00.不同点位地磁数值时域波动数值较小,为20~60 n T,且在12:00达到了极值.同一时段测量不同点位在磁总场扰动值相对稳定,在井下地磁匹配定位时可用航迹数据相邻点做差运算来消除大部分时域变化磁数值扰动影响.     

地磁活动指数与太阳活动的小波分析

根据1957—2012年的地磁指数Ap、Dst、AE和太阳活动参数(太阳黑子相对数R与太阳射电流量F10.7)数据,利用小波分析方法研究了地磁活动与太阳活动的关系.结果表明,Ap、Dst、AE指数和太阳活动参数均存在准11 a和准22 a的周期特征.Ap和AE峰值滞后于太阳参数峰值1~2 a;而Dst指数与太阳参数存在近似负相关的关系,但从第21太阳周起逐渐延迟于太阳参数,表明地磁活动受太阳活动影响的滞后性.此外,地磁指数峰值从第20太阳周开始有逐渐下降的趋势,反映了地磁活动对太阳活动的响应减弱.     

基于短波段电离层探测数据分析地下核爆引起的电离层扰动

同GNSS（全球导航卫星系统,Global Navigation Satellite System）获取电离层TEC（总电子含量,Total Electron Content）数据相比,传统的电离层垂测、斜测等短波段数据具有特征参数丰富、高度分辨率高、历史数据多等优点。为利用电离层垂测和斜测数据,研究地下核爆引起的电离层扰动。本文利用2016年1月6日朝鲜地下核试验当天的斜测、垂测数据分析电离层扰动现象。结果表明,本次地下核爆造成的行波电离层扰动为小尺度电离层扰动,传播速度在150.3-158.7(m·s-1)之间。同时核爆发生后半小时在距离爆点421.4 km处,观测到foF2较月中值增加了0.7 MHz,较1月5日、1月7日在2:00 UTC（协调世界时,Coordinated Universal Time)的foF2（F2层临界频率,critical frequency of the F2 layer）增加了0.5 MHz,极有可能是地下核爆通过岩石圈-大气圈-电离层圈耦合机制造成电离层电子浓度增加。本文分析结果与其他文献资料非常吻合。由此可见,基于短波段电离层探测方式感知电离层扰动从而实现地下核爆炸事件的监测,是一种有效的核爆电离层效应监测手段,可与其他直接监测手段相印证,提高核爆事件监测能力。     

利用GPS数据研究江西区域电离层对台风“潭美”的响应

以2013年8月22日途经江西的台风"潭美"为研究背景,利用江西连续运行参考站(CORS)获取的GPS数据反演高精度TEC,对台风"潭美"登陆前后多天电离层的TEC进行了分析,发现:8月22日电离层TEC变化存在异常,且在台风登陆前TEC变化在逐渐增大,台风过境后TEC变化值出现下降趋势;进一步对台风登陆前后一段时间的TEC时间序列进行谱分析后,认为8月22日电离层TEC的扰动很可能与台风有关;对台风当天即8月22日各站点进行时间序列和空间强度分析,结果表明距离台风路径越远,TEC的扰动强度越小。进一步确认8月22日的电离层异常与台风具有相关性。     

电离层中标准电波的Doppler频移

指出了电离层的结构对电波传播过程的影响：使标准电波产生DOPPLER频移，并给出了标准电波的频移△f与标准电波的频率f之间的定性关系：（1）当电离层的层状结构随高度变化很小时：△f∝f，这时的频移主要是由反射高度的变化引起的；（2）当折射指数μ变化很小，并且忽略电子碰撞和地磁影响时，△f∝1/f，这时的频移主要是由群路径上μ的变化（即大气浓度的变化）引起的，标准电波的频移主要是由两个方面的因素引起的，从积分路径上看，频移与群路径本身的变化有关，即与反射高度的变化有关；从积分变量上看，频移与路径上折射率指数的变化有关，而折射率指数的变化主要体现在电离层中电子浓度的变化，正因为电波的频移与电离层之间的关系如此密切，对电波频移的探测就显得尤为重要，由此可以预测到电离层的许多突发性事件。     

地磁静日北半球电离层电子密度的反演

利用北半球IGS观测站提供的150个GPS观测资料,结合三维电离层层析方法,反演了平静日下北半球上空电离层电子密度的变化特征.结果表明:整个研究区域电子密度在不同纬度和不同高度上存在明显的日变特征,在0°经度剖面上,电子密度最大值出现在世界时13-15时,随着时间推移,峰值幅度衰减;在北纬20°附近,世界时11～ 13时电子密度出现双峰值;北纬50°～80°范围,电子密度无大的起伏;反演结果说明了电离层三维层析技术为监测电离层时空结构提供了一种强有力的实验支持.     

震前电离层扰动研究进展及汶川地震前电离层变化

介绍了近年来国内外对震前电离层异常扰动研究进展,大量新的观测证据显示,地震活动前的电离层扰动确实存在,而且在震级大于5级的地震发生前几天到几个小时内的孕震区上空会发生显著电离层扰动。针对2008年5月12日发生的里氏8.0级汶川大地震事件,通过利用漠河、北京、武汉和三亚的地基GPS测量获得的垂直电子总含量(VTEC)数据,北京地面测高仪测量的F_2层临界频率和Es临界频率等参量,考察中国上空电离层在地震前的变化情况,发现地震前1～6 d中,5月6-7,10-11日,白天电子浓度比5月1-5日的值偏低。但f_0E_s增强。5月9日日落后中低纬电子浓度出现异常增强,而这段时间地磁活动平静。探求这些异常变化的机制则需收集更多资料做进一步的研究。     

基于BDS/GPS双系统的全球电离层建模

借助当前比较完善的GPS系统,建立基于BDS/GPS双系统的全球电离层模型,是克服BDS单系统建模弊端,提高全球电离层模型和硬件延迟(DCB)监测精度的一种有效途径.本文分析了基于BDS/GPS双系统的电离层模型所能达到的精度,以及GPS观测对DCB监测的辅助作用.文中选用了太阳活动峰年2013年2月11日–2014年1月13日336天的BDS/GPS双系统观测资料,利用15×15阶球谐函数模型建立了全球电离层模型(GIM/SHA),并利用IGS最终电离层产品(GIM/IGS)、双频实测VTEC和海洋测高数据对该双系统模型的电离层产品进行了全面的精度评估.结果表明:(1)通过与三种基准数据比对,GIM/SHA的外符合精度在3–6 tecu范围内,且系统性偏差较小;(2)GPS卫星P1P2频点DCB与IGS最终产品结果比较BIAS在0.1 ns内,RMS最大不超过0.2 ns;(3)通过比较BDS单系统与双系统生成的卫星和接收机B1B2频点DCB发现,两种方法解算的DCB均值差别为0.01–0.227 ns,双系统解算BDS卫星DCB稳定性稍优于单系统结果,但是GPS观测资料的加入能够明显地提高接收机DCB的稳定性;从14颗BDS在轨卫星B1B2频点DCB长期稳定性统计可见,各卫星DCB长期稳定性为0.2–0.3ns,其中GEO卫星稳定性水平稍差.     

基于Cornell的自适应电离层闪烁强度的模型研究

针对Cornell模型在同一闪烁条件下,数据更新周期越长,估计和模型输入的幅度闪烁指数S4的偏差越大,并随着电离层闪烁的增强而增强的问题,提出基于Cornell模型的自适应S4的电离层闪烁模型即AS4-Cornell模型。模型以S4的偏差作为BP(back propagation)神经网络比例积分微分(proportional integral derivative, PID)算法的反馈,自动调整输入的复高斯白噪声的区段权值,使最终产生的闪烁信号满足模型输入的闪烁指数S4的指标。结果表明：仿真时,AS4-Cornell模型的幅度和相位闪烁序列概率分布均符合电离层闪烁理论,估算得到的电离层幅度指数S4与模型输入S4指数的最大偏差为0.001;全球定位系统(global positioning system, GPS)电离层闪烁模拟器测试时,AS4-Cornell模型估算得到的电离层幅度指数S4与模型输入S4指数的最大偏差为0.09;相比Cornell模型,AS4-Cornell模型产生的电离层闪烁信号更能够很好地反映模型输入的电离层闪烁指数S4的强度。