基于IRI模型的垂测电离图自动判读算法

提出了一种基于IRI模型背景,模糊理论、约束外推、ARTIST算法相结合的垂测电离图自动判读算法。该算法可以实时、自动给出电离层分层信息及各层参数,对于常规电离图判读正确率接近百分之九十,对于异常电离图也可以给出较合理的判读结果。

GPS电离层延迟Klobuchar与IRI模型研究

电离层延迟是影响GPS绝对定位的最主要因素,由于电离层本身的不稳定,加上目前对其物理特性的了解还有一定的模糊性,还只能采用精度有限的经验模型对其进行描述。分析了两种常用经验电离层模型的使用特点和改正精度,并利用4个IGS站多天GPS实测数据,研究了两种常用经验电离层模型应用于GPS用户定位时的改正效果,为GPS用户修正电离层延迟,选择合适的电离层模型提供了参考性建议。

桂林实测VTEC与IRI模型VTEC的比较

为了研究桂林（地理坐标25.29°N,110.33°E,地磁坐标15.04°N,181.98°E）电离层的垂直总电子含量（VTEC）变化特征,利用桂林的电离层闪烁与TEC监测仪2014年3-4月的双频GNSS观测数据计算得到了VTEC,并与国际参考电离层（IRI）模型估算的VTEC进行比较。结果表明,IRI模型估算结果与实测VTEC相差较大。IRI模型VTEC的日变化比较平缓,实测VTEC的日变化较剧烈;与IRI模型VTEC相比,实测VTEC的日峰值出现时间滞后1-3h;实测VTEC的日峰值比IRI模型VTEC的日峰值高约40TECU。

附加IRI模型约束的全球电离层建模及定位精度分析

采用载波相位平滑伪距的全球电离层建模方法,确定了添加国际参考电离层(IRI)模型约束和不同数据选取策略的有效性和必要性。实验分析表明,采用P_(1)、P_(2)原始双频观测数据并添加IRI模型约束后,部分历元电离层建模的整体效果得到了显著提高,在观测数据不足的区域内定位误差在北、东、高方向上分别减小了0.260 m、0.146 m和0.103 m,验证了该方法的有效性;将C_(1)观测值作为低精度数据取代缺失P1观测值后,电离层建模的整体效果进一步提升,但损失了模型精度,在观测数据不足的区域内定位误差在北、东、高方向上分别增加0.524 m、0.111 m和1.549 m,说明了利用P_(1)、P_(2)双频观测数据的必要性。

IRI2016参考电离层模型在高度60～100km的精度分析

60~100 km低电离层对无线电传播、测量具有重大影响。IRI2016作为目前最新的国际参考电离层模型,研究其提供的电子密度在高度60~100 km的精度具有重要实际意义。本文以廊坊中频雷达(位于中纬度地区)提供的电子密度资料(2014—2016年)为基准,利用偏差、绝对差、相关系数、相对偏差和Lomb-Scargle周期图方法,定量分析了IRI2016模型电子密度在中纬度地区60~100 km高度范围内的精度特征。结果表明,在中纬度地区60~100 km高度范围内:①电子密度偏差、绝对差、相对偏差与季节有密切关系,在高度86~100 km,随高度增加均快速增大;相关系数同样与季节有密切关系,但随高度增加表现出增大、减小的交替变化特征;②IRI2016模型电子密度精度与太阳活动、地磁条件有关,在太阳活动低年、磁宁静条件下的电子密度精度最高;③中频雷达和IRI2016模型电子密度在82~84 km均显著(通过90%显著性检验)含有准全日潮汐波、准8 h重力波,同时IRI2016模型还显著含有准半日潮汐波,而中频雷达未显著含有准半日潮汐波;在86~92 km均显著含有准全日潮汐波、准半日潮汐波,无准8 h重力波;④中频雷达、IRI2016模型电子密度在同一高度层显著含有的波周期及功率谱存在差异,不同高度层之间显著含有的波周期及功率谱也存在差异;⑤对于高度82~92 km的中频雷达、IRI2016模型电子密度变化特征,准全日潮汐波均为主要作用,准8 h重力波在82 km为次要作用,而准半日潮汐波在86~92 km为次要作用。

基于IRI电离层模型的低频天波信号特性分析

研究电离层对低频天波信号的影响对其在远程导航授时中的应用具有重要意义.文中结合IRI电子密度模型和NRLMSISE-00大气模型,采用分层半空间中平面波传播的准一维双线性变换时域有限差分方法,计算了低频天波经电离层的反射信号,分析了反射信号幅度、时延、多径随入射角度、一天中的时间及季节的变化.仿真结果表明:对于TE波,随着入射角度的增大,反射系数幅度先减小后增大;一天中经电离层反射的罗兰C低频天波信号幅度相差最大可达32.22 dB,时延差可达69.03μs;经电离层反射的罗兰C低频天波信号一般包含一个完整的罗兰信号,在昼夜过渡时会出现两个信号.

IRI-2007预测TEC在广州地区的适用性分析

利用广州站(23.2°N,113.3°E)GPS双频接收机监测的电离层TEC数据和IRI-2007模型不同电离层输入参数计算得到的TEC预测值,对比分析了太阳活动低年(2008年)广州地区TEC的变化特征.结果表明,TEC观测值周日变化在16:00 LT左右达到最大值,而IRI-TEC最大值出现时间较GPS-TEC提前1 h左右.TEC季节变化在春秋分较高,两至季节较低,表现出明显的半年特性和季节依赖性,并出现冬季异常现象.IRITEC与GPS-TEC在白天具有较好的一致性,夜间偏差较大.不同电离层输入参数得到的TEC预测值也相差较大,选用顶部电子密度参数NeQuick、底部厚度参数B0 Table并用URSI系数计算F2层峰值参数时,能较好地反映TEC观测值的变化特征.在对磁暴的响应上,预测值无明显变化,观测值则有比较明显的表现.通过对比,初步分析了利用IRI-2007模型预测TEC在广州地区的适用性,并给出了合理的参数选择方案.

NeQuick2电离层改正模型的性能评估

NeQuick2电离层改正模型是在NeQuick1模型基础上改进而来的。利用GPS实测观测值在不同卫星截止高度角情况下获得的斜路径总电子含量作为参考,对该电离层模型性能进行评价,并与常用的国际参考电离层和Klobuchar电离层模型进行比较。结果表明,NeQuick2模型获得的斜向总电子含量与实测差值的标准差保持在15TECU以内,其稳定性显著优于国际参考电离层和Klobuchar模型。

基于深度学习构建的全球电离层NmF2模型

采用递归神经网络对空基COSMIC和地基垂测站数据建立了全球电离层峰值电子密度模型,模型均方根误差达到1.3×10^5 el/cm^3。在春夏秋冬4个季节内,人工神经网络ANN模型预测精度比IRI模型分别提高了25.7%、19.7%、33.3%和21.8%。另外,ANN模型不仅能够有效地模拟全球电离层时空变化特征,也能够成功地模拟电离层的诸多区域物理变化特性,如赤道电离异常、威德尔海异常、中纬度夜间异常和冬季异常。ANN模型可以为改正单频接收机的电离层延迟发挥一定的作用。

基于BDS/GPS和经验模型的区域电离层建模

基于北斗卫星导航系统(BDS)和全球定位系统(GPS)实测电离层穿刺点(IPP)数据,结合国际参考电离层(IRI)经验模型历史数据,提出一种对区域二维电离层总电子含量(TEC)进行高精度建模的方法.针对缺乏穿刺点的区域内短时间电离层建模时精度较低且各时段穿刺点空间分布不同的问题,该方法使用IRI模型在建模区域内均匀添加虚拟穿刺点数据,并根据与实测穿刺点的距离,使用构造的权重计算公式赋予其动态权重值,通过加权最小二乘法进行球谐模型参数解算.与欧洲定轨中心(CODE)发布的全球电离层图(GIM)进行数据比对发现,相对于只使用BDS/GPS实测穿刺点数据的建模方法,利用本文建模方法计算获得的垂直总电子含量(VTEC)值对缺乏实测穿刺点的区域精度有明显的提升.

常用电离层延迟改正模型的对比研究

电离层模型能有效改正GNSS导航定位中的电离层延迟,通过消除电磁波信号穿过该区域时传播速度和传播路径变化的影响,从而提高接收机的导航定位精度。据此,分析了几种常用电离层模型的使用特点和改正精度,并利用中国区域内2个IGS站多天GPS实测数据,研究分析了常用电离层模型在GNSS导航定位中的改正效果,为有不同需求的用户选择合适的电离层模型并修正电离层延迟提供了参考性建议。

LEO卫星单频精密定轨电离层模型改进算法

电离层延迟的有效改正是LEO卫星单频精密定轨的关键所在。目前主要采用电离层比例因子法进行LEO卫星电离层延迟改正,但该方法在电子密度峰值高度确定时未考虑太阳活动、经纬度、昼夜变化、季节等因素的影响。IRI2012模型虽然考虑了上述因素对电子密度峰值高度的影响,但因其与电离层薄层高度选择的标准不一致,通常它们之间存在系统性偏差而无法直接使用。为此本文提出将电离层薄层高度作为约束条件对IRI2012模型确定的电子密度峰值高度的均值进行参数约束估计,得到一种改进的电离层模型算法,并利用Swarm卫星GPS观测数据对其进行验证。结果表明:改进的电离层模型对Swarm卫星径向、切向和法向定轨精度均有不同程度的提高,尤其对轨道径向和法向精度改善最为明显,分别提高了31.6%和32.0%;同时较大幅度地降低了轨道的系统性偏差,尤其是在径向和法向,分别平均降低了65.0%和54.7%。

基于多源数据的BKlob模型精细化

北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)开通了全球服务,BDS Klobuchar(BDSklob)模型的服务区域也拓展至全球范围,BDSklob模型全球化后的性能引起了极大的关注.针对北斗二号卫星导航系统(BDS-2)播发的BDSklob模型在服务区域外精度不高、两极地区改正异常情况,本文基于参数精化方法,利用经验模型IRI-Plas-2017、北斗全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM),以及欧洲定轨中心(CODE)的全球电离层格网(GIM)产品多源数据提出新的BDSklob模型精细化方案多源数据精细化法.结果表明:各个数据源精细化方法对BDSklob模型性能都有明显提升,尤其是在极地区域;BDSklob_C(数据源为CODE的GIM产品)处理结果精度最高;BDSklob_B(数据源为BDGIM)精度次之,但不借助外部数据源,在北斗系统中即可完成精化处理;BDSklob_I(数据源为IRI模型)精度稍差,但基于经验模型的预测性,可以满足实时精化处理的需要.

国际参考电离层模型输出参数峰值高度性能

电离层峰值高度H_(m)F_(2)是描述电离层形态的重要参数之一,国际参考电离层模型IRI-2016中融入了大量电离层测高仪和无线电掩星探测数据,用以提升H_(m)F_(2)的预测精度.本文利用太阳活动低年(2007—2010年)气象、电离层和气候卫星联合观测系统COSMIC探测数据描述全球范围内COSMIC H_(m)F_(2)的三维形态变化,对比分析了IRI-2016与IRI-2012模型的预测结果,同时分析了IRI-2016模型输出H_(m)F_(2)的性能.结果表明,IRI模型在中高纬度地区的输出结果高于COSMIC反演结果,而赤道及低纬地区则大都偏低.与IRI-2012模型相比,IRI-2016模型的输出结果在夜间至凌晨时段呈现较为明显的纬向梯度变化且大部分区域输出值偏高,但在白天时段赤道附近区域的输出值大都偏低.上述结果为电离层IRI模型的完善提供了一定参考.

低纬地区电离层变化特征以及与IRI2012预测的对比分析

为归纳低纬地区电离层变化特征规律,对比分析国际电离层参考模型(IRI)预报模式。采用三亚地区(109.6°E,18.4°N)测高仪观测数据和IRI2012模型预测数据,对比分析了电离层在2012年中fo F2和hm F2参数昼夜、季节变化。结果表明,三亚地区电离层fo F2在8:00~14:00 LT时间段内逐渐增大,在16:00~6:00 LT时间段内逐渐减小,最大峰值16 MHz发生在12:00~16:00LT时间段内,最小峰值2 MHz发生在4:00~6:00 LT时间段;预测值相比观测值在8:00~18:00 LT大部分时间段内偏大且误差最大值为3 MHz,在18:00~6:00 LT大部分时间段内偏小且误差最大值为5 MHz。电离层hm F2在春秋分和夏季出现2个极大值,最大峰值450 km发生在12:00~14:00 LT时间段内,最小峰值200 km发生在4:00~6:00 LT时间段内;预测值相比观测值在春秋分的2:00~4:00 LT时间段内偏大且相对误差最大为0.16,在夏季的19:00~22:00 LT时间段内偏小并且相对误差最大为0.08,在冬季的2:00~4:00 LT时间段内偏大且相对误差最大为0.12。

基于电磁探测数据的时序分析模型研究

针对电磁探测数据交叉检验时对不同卫星探测数据的时间匹配需求,本文基于DEMETER卫星时序探测数据,分析了国际参考电离层(IRI)模型模拟电子浓度(Ne)数据在不同纬度区域的误差分布特征;同时,基于自回归移动平均(ARIMA)模型构建了Ne数据时序预测模型.在此基础上,分析比较IRI模型与ARIMA模型在Ne数据时序预测中的优缺点,结果表明:ARIMA模型模拟预测Ne数据时间序列的相对误差在短期内较低(小于10%),且随着预测时间的增长而增大;而IRI模型模拟预测Ne数据时间序列的相对误差不会随着预测时间的增长而增大,且在高纬度地区的预测相对误差比在中低纬度地区低.

基于射线追踪方法的电离层点对点传播问题研究

短波通信和电离层斜向探测本质上都属于点对点传播问题,即固定收发站之间的传播问题,而点对点传播问题的本质是在发射点搜索出合适的仰角和方位角来实现射线的自动导引。射线追踪一直是研究高频波传播现象的工具,基于射线追踪的自导引技术可以实现点对点传播,但不同电离层模型对点对点传播的轨迹和精度会有影响。本文将基于数值射线追踪,利用牛顿自导引技术构建点对点传播模型,研究在分段准抛物(quasi parabolic segments,QPS)电离层模型以及国际参考电离层(International Reference Ionosphere,IRI)模型这两种不同电离层模型下点对点传播算法的稳健性和精确性问题。结果表明,在两种模型下本文算法均有较高的稳健性,但是QPS电离层模型下具有更快的运行速度,而IRI模型下有更高的精确性。

WAAS系统中电离层折射校正的新方法及计算结果

电离层介质的色散性是影响电磁波信号进行卫星导航定位精度的重要因素之一.配合北斗二代分系统研制任务,提出了一种新的电离层折射校正算法,并利用2000年7月1日到3日的双频GPS观测数据对6个用户站进行试算,进一步将试算所得均方根误差和电离层网格算法得到的误差进行比较.结果表明,对于中纬区域的用户站,估算的TEC误差约为0.5 m左右;而低纬用户误差相对增大,为1 m左右.文中给出的算法与电离层网格模型所提供的精度相差不多,在未来中国自主的卫星增强系统中采用新方法进行电离层进行修正是可行的及有效的.

甚低频电磁波在地-电离层波导中的场强预测

甚低频电波传播特性分析与预测是提高甚低频导航/授时系统精度的关键。本文基于甚低频电磁波在"地-电离层"波导中的传播理论,结合IRI模型和NRLMSISE-00大气模型以及传播矩阵方法,构建了甚低频电波传播场强实时预测模型。对比了不同电离层模型间的差异以及电离层参数的时变特性,仿真预测了接收点场强及其日变化情况,并与文献实测结果进行了比较。计算结果表明:本文预测结果与实测数据吻合较好,较采用电离层指数模型的传统解析方法精度得到明显提升,可更有效地反映接收点场强的时变特性。

IRI2016模型的TEC预测能力分析

为了研究IRI2016模型对于总电子含量(TEC)的预测能力,该文利用IRI2016模型计算的TEC数据与GPS-TEC、CODE TEC数据,分别从单站、全球和区域(高、中、低纬度)的角度对IRI2016模型预测TEC的能力进行了分析。首先,选取2004—2018年中的偶数年作为对比年份,在全球范围内选取5个代表性的测站,分别是位于高纬度的Nril站、Palm站,中纬度的Cedu站、Yssk站和低纬度的Bogt站,比较了IRI2016模型和GPS-TEC实测数据;然后,在4个测试年中,将IRI2016模型在四至点上的全球TEC预报图和对应的CODE TEC图进行了对比,并分别将高、中、低纬度地区的数据结果提取出来,绘制出CODE TEC与IRI2016模型差值的分布直方图。结果表明:从单站、全球和中高纬度区域的角度分析,IRI2016模型表现较好。但模型描述的全球TEC分布较粗略,灵活性不高,并且在低纬度区域范围内,模型数据与CODE TEC差值的均方根值较大,模型表现较差。