中国区域电离层实时建模与分析

电离层延迟是全球卫星导航系统(GNSS)中的一个主要误差来源。为了改正电离层误差,一些GNSS应用如单频精密单点定位(PPP)和非差非组合PPP依赖于全球电离层模型(GIM)产品。然而,目前可用GIM产品的发布时间存在延迟,不适用于实时GNSS应用。为了解决这个问题,文中提出一种基于卡尔曼滤波(KF)的实时电离层建模方法,并基于中国区域116个连续运行参考站(CORS)的观测数据,生成中国区域的实时区域电离层模型(RT-RIM)。此外,由于伪距差分码偏差(DCB)与电离层延迟存在强耦合关系,还对BDS-2/3、GPS和Galileo系统的DCB进行估计。结果统计分析表明,模型输出的垂直总电子含量(VTEC)与中国科学院(CAS)的最终GIM产品一致性较好,二者差异的RMS小于2 TECU;将VTEC投影为斜向总电子含量(STEC)后,与PPP估计结果偏差的RMS在0.2~0.8 m;模型输出的卫星DCB与CAS快速产品的偏差RMS小于0.8 ns,以上结果表明本文模型具有较好的精度,能够精细描述中国区域电离层VTEC的时空变化。

激光场中原子阈上电离的强场近似方法研究

强激光与原子相互作用的基本现象是原子的电离,其中阈上电离是一种非常重要的强场电离现象,许多方法被用于研究激光场中原子的阈上电离性质,其中强场近似方法是十分重要的理论方法之一.本文利用时间演化算符及鞍点近似论述了激光场中单原子阈上电离行为的二级强场近似理论,其中一阶近似项给出低能电子的直接电离振幅,二阶近似项描述电子与母离子的重散射过程,表示高能光电子的电离振幅.文章给出了强场近似理论下线性极化的激光场中光电子能谱和电离概率,为应用强场近似方法模拟研究激光场中单原子的动力学行为提供了一定的理论参考和依据.

利用原子在圆偏振激光场中的强场电离产生自旋极化电子

圆偏振激光场中原子的非绝热强场电离为产生自旋极化电子提供了机会.我们应用这些解析电离速率公式[Ingo Barth and Olga Smirnova,Phys.Rev.A 88,013401(2013)]更系统地研究了通过Kr和Xe原子在右旋圆偏振激光脉冲中的强场电离产生自旋极化电子,并证实了不同自旋态的光电子能量分布有很大差异、电子的自旋极化敏感地依赖于光电子能量.另外,在光电子能谱的低能部分其自旋极化可以达到100%,并且通过调节激光强度和频率可以很好地控制能量积分的自旋极化.

利用低轨道卫星地磁观测反演电离层电流概述

随着现代卫星技术的发展,携带高精度磁力计的低轨道卫星成为地磁场观测的重要手段,可以提供全球持续的磁场观测,而不受地面和低空天气条件的影响.空间电流,特别是电离层电流,是引起地表和低轨道卫星高度处磁场扰动的主要来源.本文简要介绍了低轨磁测卫星的发展历史和在轨定标流程与方法,回顾了电离层电流的起源、研究历史及产生机制,并详细介绍了利用卫星磁测数据反演电离层不同电流的方法.基于地基和卫星磁测对同一电流的分析结果并不总是一致的,有时会出现明显的差异.造成这些差异的原因可能与采用不同的数据源(比如地基与卫星、卫星与卫星之间)及反演算法中的假设有关.基于有限的观测,在反演中通常要对电流的几何形状和所在位置进行一定的假设,而这些假设可能并不完全满足实际电流的分布.因此,将地基台站和卫星磁测结合起来,通过对比和交叉验证,是检验和改进电离层电流反演算法中假设的合理性的一种有效手段.利用融合后的磁场观测数据,建立更准确的电离层电流反演算法,全面分析电流的形态学和气候学特征,建立以地球磁场信号为媒介的空间天气监测理论与方法,将有助于提升人们对电离层发电机理论、磁层状态以及电离层与磁层之间能量耦合途径等科学问题的理解.

卫星导航中电离层误差校正技术现状与发展

电离层误差严重影响着GNSS的定位精度,GPS、BDS、Galileo、GLONASS有不同的电离层误差校正方法.全文概述了电离层误差校正方法,综述了单频电离层误差校正、双频电离层误差校正及多频电离层误差校正等技术的原理与发展现状.在单频电离层误差校正技术中总结了增强系统中的电离层误差校正技术、北斗全球电离层延迟修正模型(BeiDou global ionospheric delay correction model,BDGIM)、Klobuchar模型、单频电离层误差校正技术的优化—附加国际参考电离层(international reference ionosphere,IRI)约束模型和NeQuick-G模型;在双频电离层误差校正技术中重点总结了双频消电离层误差、无电离层组合模型及PPP-RTK技术中电离层误差校正方法;在多频电离层误差校正技术中介绍了高阶项改正和地磁场建模对电离层误差校正技术的优化与改进.最后,对电离层误差校正技术及其改进方法进行了分析,总结了其发展趋势与方向.

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

同全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)获取电离层总电子含量(total electron content, TEC)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。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,传播速度为150.3~158.7 m/s。同时核爆发生后0.5 h在距离爆点421.4 km处,观测到F2层临界频率(critical frequency of the F2layer, foF2)较月中值增加了0.7 MHz,较1月5日、1月7日在协调世界时(coordinated universal time, UTC)2:00 UTC的增加了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。

2020年7月22日阿拉斯加7.8级地震同震电离层扰动分析

利用全球导航卫星系统(GNSS)、电离层测高仪和地震仪数据,从振幅及波形、时空分布、传播速度与方向、时频域等角度对2020年阿拉斯加7.8级地震同震电离层扰动(Co-seismic ionospheric disturbances,CIDs)特性进行探究.卫星G03、G04和G09在地震西部探测到3类CIDs,最大扰动幅度约0.1 TECU (1 TECU=10^(16) el/m~2),并且均沿着地震断层破裂延伸方向(西南方向)传播;而在地震北部与东部未发现CIDs.根据CIDs的速度及中心频率将其分为三类,第一类为高速传播的CIDs(速度约为2.93 km·s^(-1)),中心频率约11 mHz,符合瑞利波激发的电离层扰动特征;第二类CIDs的传播速度约为1.69 km·s^(-1)和1.55 km·s^(-1),中心频率约4.5 mHz和4.7 mHz,符合声波引起的电离层扰动频率;第三类CIDs速度约为0.98 km·s^(-1)和1.11 km·s^(-1),中心频率约2.9 mHz,可能为声波引起的另一类电离层扰动.同时,利用CIDs时空数据估计的CIDs扰动源位置与震中较为接近,进一步说明电离层扰动由地震激发.通过对GNSS站及地震仪位移的分析,估计了地震瑞利波沿西南方向传播速度与第一类CIDs较为吻合,验证了第一类CIDs由瑞利波激发,且断层的垂直位移是引起电离层扰动的重要因素.测高仪观测到电离层临界频率(f_(0)F_(2))发生显著波动,探测到CIDs的传播速度约1.02 km·s^(-1),传播速度和方向与卫星G03、G04探测的CIDs较为吻合,推断其属于第三类CIDs.

阿拉斯加2021年8.2级地震同震电离层扰动特征及对比分析

为分析2021年7月29日阿拉斯加8.2级地震引起的电离层响应,利用地震附近的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)观测数据估算电离层总电子含量(Ionospheric Total Electron Content,TEC)及同震电离层扰动(Coseismic Ionospheric Disturbances,CIDs).从多角度对CIDs的时空分布特征进行分析,并与阿拉斯加2018年7.9级走滑型地震以及2020年7.8级逆断层地震引起的CIDs对比.在地震西南方向探测到两类CIDs,最大扰动振幅约0.8 TECU(1 TECU=1016 el/m^(2)),并且在西南方向距离震中约1094 km的测高站EA653探测到CIDs.在震中西北、东北和北方向探测到传播速度相近的CIDs.根据CIDs的速度和频率大小将CIDs分为两类,第一类CIDs的传播速度为1.87 km·s^(-1),频率约为3.8 mHz,可能由地震声波引起,扰动量级最大;第二类CIDs的传播速度为0.85~1.09 km·s^(-1),中心频率约在3.0 mHz或者5.7 mHz附近,为地震声波引起的另一类电离层扰动.逆断层地震引起的CIDs比走滑型地震更加显著,表明地震引起的垂直地表运动在CIDs的形成中起主要作用.三次地震在西南方向均引起显著的CIDs,与地震破裂方向较为一致,该地区大地震引起的CIDs可能具有较为明显的方向性,具体形成机制有待于进一步研究.

基于陆态网和IGS站联合数据的中国区域电离层建模方法

为了提高中国区域电离层垂直总电子含量(vertical total electron content,VTEC)建模的精度,减少区域建模边缘误差,利用中国地壳运动观测网络(Crustal Movement Observation Network of China,CMONOC)和国际GNSS服务组织(International GNSS Service,IGS)GPS数据联合进行电离层建模,并对中国区域电离层建模策略进行定量考察,对比给出各类建模策略对中国区域电离层建模精度的影响,从而给出更符合中国区域的电离层建模方式。将建模后的结果同IGS中心的全球电离层格网产品进行比对,结果显示:基于本文方法对中国区域电离层建模的结果精度更高,与IGS数据中心发布的电离层格网产品相比误差平均值为1.2109 TECU,与卫星实测电离层TEC的内符合精度误差为1.050 TECU。说明利用联合数据建模能一定程度上提高中国区域建模的精度,同时减少区域建模边缘的误差。

基于随机森林回归的电离层幅度闪烁指数预测

为满足低成本、高精度的电离层闪烁监测需求,提出一种基于随机森林回归的闪烁指数预测模型。在卫星导航接收机输出信息基础上,计算电离层结构状态参数,形成输入参数,并进行参数筛选构建训练数据集,结合专用型电离层闪烁监测接收机观测到的闪烁指数,训练生成基于随机森林回归的幅度闪烁指数预测模型。实验结果表明,与传统电离层幅度闪烁指数计算方法相比,随机森林回归模型预测得到的闪烁指数相关性更强、精度更高。

基于SHAKING方法的北斗星基增强系统电离层模型可用性分析

北斗星基增强系统(BeiDou Satellite-Based Augmentation System,BDSBAS)通过境内的监测站为中国及周边地区用户提供电离层改正及电离层完好性监测服务,因此其对电离层算法的可用性要求较高.本文采用附加Kriging估计的调整球谐函数建模方法(adjusted spherical harmonics adding Kriging,SHAKING)解算BDSBAS电离层参数信息.通过对现有星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System,SBAS)电离层的性能分析可以发现,部分SBAS播发了标记为未监测点的延迟修正信息.通过对中国区域SBAS格网点需求分析可以发现:在卫星截止高度角为15°时,SHAKING方法提供的电离层可用点为189个、不可用点为3个,满足服务需求;结合BDSBAS提供的钟轨改正信息,SHAKING方法较反距离加权插值(inverse distance weighted,IDW)方法的垂直制导进近可用性范围提高约30%.

基于GPS TEC的2022年1月15日汤加火山喷发激起的电离层行扰分析

2022年1月15日南太平洋汤加海底火山发生剧烈喷发,是近30年来最大规模的火山爆发,产生的强烈大气波动为开展火山喷发电离层扰动研究提供了难得的机会。本文利用GPS数据探测火山附近、新西兰、澳大利亚和中国地区的电离层扰动,从波形、频率、传播速度和时空分布等角度分析汤加火山喷发电离层行扰(TIDs)的特征,并利用电离层测高站、海平面监测站和大气压监测站的观测数据进一步验证TIDs的传播特征。研究结果发现,汤加火山喷发在其附近区域、新西兰、澳大利亚和中国地区引起了3类TIDs。在火山附近东、西、南、北方向上均探测到第一类TIDs, TIDs的传播速度为617~972 m/s,该类TIDs极有可能由火山喷发产生的声波引起。汤加火山喷发仅在火山附近东、西方向引起第二类TIDs,其传播速度分别为472 m/s和418 m/s,可能由声波传播过程中衍生的声重力波或者混合波引起,形成机理有待进一步研究。汤加火山喷发在新西兰、澳大利亚和中国地区引发了第三类TIDs,其传播速度为328~352 m/s,该类TIDs与Lamb波密切相关。

全球电离层峰值参数的季节变化

针对全球电离层峰值参数的季节变化问题,使用2006-2019年COSMIC掩星电离层月均值数据和小波分析方法分析了全球电离层N_(m)F_(2)和h_(m)F_(2)季节变化特征,结果表明:电离层N_(m)F_(2)和h_(m)F_(2)随地方时、季节、纬度存在显著差异,电离层峰值参数均与太阳活动水平表现出正相关性,月均值相关系数分别达到了0.9和0.8以上;正午电离层N_(m)F_(2)在太阳活动高年期间存在显著年、半年等季节变化特征,午夜基本以年变化为主,且南半球电离层N_(m)F_(2)季节变化特征更为明显;正午电离层h_(m)F_(2)所有年份均存在显著年变化特征,午夜期间季节性变化特征不太明显,且南半球电离层h_(m)F_(2)季节变化特征强于北半球;电离层峰值参数的季节变化规律在太阳活动高年期间更为显著;太阳活动指数和电离层峰值参数中似乎存在25~35个月的周期信号,但未通过显著性检验,综合分析研究认为电离层中的等离子体不会受到QBO现象影响.

基于2016-2018年IGS台网观测的美洲地区的低纬电离层特征分析

基于2016-2018年IGS台网的地基GPS观测数据,反演电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC),分析了美洲地区(300°E)赤道电离异常(Equatorial Ionization Anomaly,EIA)和低纬电离异常(Low-latitude Ionization Anomaly,LIA)随时间、月份和太阳活动的变化特征.结果显示:EIA和LIA的强度均在地方时1300-1500 LT附近出现极大;春/秋季的强度比其他季节的要大;EIA和LIA的强度还随着太阳活动的减弱而减小.EIA和LIA的南-北半球不对称在地方时1700-2100 LT出现极大;夏季(5-8月)的不对称性最为明显.另外,EIA的强度较LIA的强度要大,而LIA的南-北半球不对称特征较EIA的南-北半球不对称特征更为显著.

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个小时的预测拟合度R-Square均超过0.95,预测结果比较可靠,对未来6、8、10个小时预测拟合度最高为0.7934,预测拟合度R-Square下降迅速,预测结果不可靠.

电离层对台风响应的全过程的特例研究

作为特例研究,本文对1988年和1990年两次强台风影响期间的电离层多普勒记录及相应的台风资料进行了细致的相关分析,目的是利用多普勒记录的连续性优点来了解电离层对登陆(或近海)强台风通过声重波响应的演化全过程.分析表明,在这两次台风影响期间,电离层形态中除有明显的波状扰动(中尺度声重波)出现外,还有一些值得注意的新现象:波动的时间演化表现出明显的幅度逐渐增加以及频率由高频向低频转变,在振幅很大的情况下日落后同时出现扩展F(Spread-F)现象,显示了声重波在激发电离层不规则结构方面的种子作用.这一演化过程与电离层中TIDs的线性传播理论一致,文中开展了对这一现象的非线性数值模拟,模拟结果基本上也与上述观测现象相吻合.

中性风对夜侧电离层纬向四峰结构的影响

欧空局Swarm星座包含三颗飞行在不同地方时的卫星,其为研究夜侧电离层纬向四峰结构随时间的演化提供了很好的机会.在2017年1月31日夜间,Swarm A和C两颗并排飞行的卫星在黄昏前后(17:55/18:01地方时)的美洲扇区并没有观测到赤道电离异常的两个峰,而Swarm B卫星在约4.5小时后飞行于大致相同的经度扇区,并观测到夜侧电离层呈现出明显的纬向四峰结构.该观测证明了纬向四峰结构中靠近低纬的两个内峰不是黄昏前后赤道电离异常峰的残余.在该事件中,位于秘鲁的Jicamarca非相干散射雷达从黄昏至午夜观测到向下的等离子体垂直漂移速度,表明向上的等离子体漂移速度并不是引起夜间纬向四峰结构的必要条件;而位于Arecibo的法布里-珀罗干涉仪观测到中性风显示出东向和南向分量的增强,表明中性风对夜侧纬向四峰结构的形成有着重要作用.SAMI2模型的模拟结果与卫星、非相干散射雷达及法布里-珀罗干涉仪的观测一致.模拟结果显示夜侧东向与赤道向风为纬向四峰结构的形成提供了有利条件;但当赤道向风过大时,会导致背景电子密度出现显著半球不对称性,从而阻碍夜侧纬向四峰结构的发展.

中国区域电离层特性对卫星导航系统的影响

利用GPS数据对中国区域电离层环境(电离层赤道异常、电离层暴、电离层闪烁)对卫星导航系统的完好性、可用性影响进行分析。结果表明,中国区域电离层异常将影响电离层延迟误差的空间相关性,从而影响电离层完好性门限的建立。电离层暴破坏了电离层的空间相关性,在影响系统完好性门限建立的同时,还影响到系统对扰动的检测能力。电离层闪烁影响接收机测量的精度、可用的卫星数和定位精度,影响系统的可用性;同时,闪烁相关的不均匀体也会影响电离层TEC的准确提取,从而影响系统电离层修正模型的实现。电离层这些不同影响效应之间往往又相互影响,使得中国区域的电离层环境对卫星导航系统的影响具有复杂性。

电离毒的理论及辨治内涵探讨

电离辐射是一种新的致病因素,临床中可导致放射性损伤。该文根据其致病特点,与“毒邪”理论相融合,创造性提出“电离毒”的概念,并总结归纳出其具有隐伏、特异、传舍、可变、复杂五种致病特性。相应地提出防治结合,先证而治;以证带病,病证结合;扶正祛邪,分期而治;多法齐举,灵活辨证等治疗原则,以期为放射性损伤的中医辨治提供思路和方法。

中低纬电离层F_2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于对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。