子午工程二期电离层高频多普勒监测仪初步观测结果

子午工程二期计划在漠河、北京、武汉、深圳四地分别建设由一个发射站和三个接收站构成的电离层高频多普勒监测台阵.本文介绍了为此研制的电离层高频多普勒监测仪的进展和试观测期间取得的一些观测结果.通过与电离层测高仪进行交叉对比,设备的性能和探测能力得到了验证.目前该设备已部署7个站点进行试观测,本文报告了该设备探测到的太阳耀斑导致的电离层扰动、电离层行进式扰动、大尺度电场导致的多站同时扰动等多种现象.未来子午工程二期建成后,该设备将具备我国上空北至漠河、南至广东的电离层扰动监测能力,并与其它探测手段融合发挥空间天气综合监测网络的最大效能.

2000年4月6—8日磁暴期间电离层TEC观测研究

利用北京、乌鲁木齐、武汉GPS观测数据计算的垂直总电子含量,分析了发生于2000年4月6-8日磁暴期间观测区域的电离层状态.结果表明,在4月7日北京时间0200-0700之间,在中、低纬地区出现了较弱的电离层负相暴,与前一日相比,最大TEC之差在-8TECU左右;在北京时间0700之后,在较高纬度地区开始出现强烈的电离层负相暴,并且该负相暴随着时间逐渐增强;但在北京时间0700-0900之间,在低纬地区出现了电离层正相暴.在一定时间内较高纬度地区的负相暴逐渐增强并向南移动而低纬地区的正相暴经历了增强到减弱的过程.

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．

大耀斑期间向日面电离层总电子含量的响应个例分析

利用2001年4月15日1336UT耀斑爆发期间向日面GPS观测数据提取的总电子含量的时间变化曲线,分析了向日面电离层对这次耀斑的响应特点.结果表明,耀斑期间向日面电离层出现了总电子含量突增事件.最大总电子含量增加量约为2.6TECU,在0600LT和1800LT都观测到了总电子含量突增,但增加幅度仅为0.5-1 TECU.在高纬地区,由于电离层闪烁,从TEC时间变化曲线提取不出来总电子含量增加值.从各卫星星下点处的TEC增加量和各星下点处的太阳天顶角的关系可以看到,TEC增加量与太阳天顶角有关,太阳天顶角越大,TEC增幅越小.另外,从总电子含量时间变化率曲线上还观测到了时间同步的小尺度扰动,通过与耀斑期间硬X射线辐射通量的比较,发现两者有明显的相关性,电离层中的这种扰动与耀斑期间的硬X射线或远紫外辐射有关.

应用高频多普勒方法对耀斑期间电离层TEC变化的估算

通过分析前人对耀斑期间电离层各区域电子密度的变化情况，总结了一个应用耀斑期间的高频多普勒扰动记录估算电离层总电子含量变化的方法，并应用这一方法计算了１９９０年３－６月几次耀斑引起的低电离层总电子含量的变化，同时还与各耀斑对应的最大流量密度进行了比较，并对两者之间的相关情况进行了分析．

大尺度电离层行扰的GPS观测

利用日本境内的高空间分辨率的双频GPS台站资料 ,观测研究了发生于 2 0 0 0年 7月中旬太阳强活动期间的一次大尺度电离层行扰 .结果表明 :在 7月 1 5日 1 1 :0 0UT—1 8:0 0UT期间观测区域的电离层中出现了大尺度电离层行扰 .在 1 5 :0 0UT之前 ,扰动周期为2h左右 ,在 1 5 :0 0UT以后 ,扰动周期为 1h左右 ;总电子含量扰动幅度的变化范围约为 1—2TECU ;通过对 1 5 :0 0— 1 7:0 0UT之间总电子含量扰动曲线同相位点的分析 ,发现这期间的电离层行扰的扰动速度约为 60 0— 70 0m/s,扰动波长在 2 2 0 0km左右 ,扰动传播的方向几乎沿着经线从高纬向低纬传播 .该行扰与此次强太阳活动有直接的关系 ,因其发生在 7月 1 5日的磁暴急始之前数小时 ,因此与磁暴本身没有因果关系 ,应与磁暴之前先期到达地球空间的高能质子流有关 .

日照边缘区域电离层对耀斑的响应特点研究

利用MSIS模型和背景太阳辐射谱模型,在一定大耀斑辐射谱假设的前提下,计算了耀斑期间日照边缘区域的电子产生率,分析了这一区域电离层电子密度的变化特点．结果表明,大耀斑期间在日照边缘区域,甚至大于太阳天顶角90°的区域都有明显的电子产生率的增加．从不同太阳天顶角处的电子产生率剖面的形态来看,随着天顶角的增加最大电离率减少,但高度增加．计算还显示了在太阳天顶角小于90°的区域内电子产生率的垂直分布有明显的双峰结构,这种结构对应着电离层的E区和F区,但在天顶角大于90°区域, F区的电子产生率要大得多．考虑到离子和电子的复合过程,这一区域的总电子含量的增加主要产生在高F区．

接收GPS卫星信号测量电离层总电子含量结果的初步分析

利用ＲｏｇｕｅＳＮＲ─８ＣＧＰＳ卫星接收机进行电离层总电子含量（ＴＥＣ）的观测。介绍了基本分析方法以及在新乡和南宁两地初步测量结果。结果表明，新乡的ＴＥＣ特性反映了中纬地区电离层的变化特征，而南宁的ＴＥＣ特性则反映了电离层的赤道异常的某些特征，显示了赤道异常峰的南北向移动的特点。

利用MF雷达对耀斑期间电离层D区电子密度的观测研究

利用MF雷达观测资料对X级别耀斑爆发期间在66—80 km高度之间的电子密度进行了研究,观测到了耀斑爆发期间电子密度的突然增加,在较低高度上的电子密度的时间变化趋势与耀斑的软X射线辐射通量相关.电子密度的变化强度依赖于具体的耀斑参数,有些耀斑引起的电子密度增加高达400 cm-3,有些仅为100 cm-3左右.但耀斑期间在这一高度区间增加的总电子含量增量仅占耀斑辐射引起的整个电离层总电子含量增量的千分之一左右.最后,利用恢复阶段电子密度的时间变化过程估算了1997年11月4日耀斑期间部分高度上的有效复合系数.

GPS接收机测量电离层TEC的数据处理方法

本文介绍了应用ＧＰＳ卫星接收机ＳＮＲ—８Ｃ进行电离层ＴＥＣ观测的数据处理方法，并给出了部分数据处理结果。其中包括应用ＧＰＳ双频信号进行ＴＥＣ计算的原理，应用卫星星历参数计算各时刻电离层质心点的经纬度及卫星仰角和方位角，以及ＴＥＣ的周日变化，逐日变化及一次卫星通过时ＴＥＣ的时空变化结果，讨论了该方法的误差来源及与ＮＮＳＳ方法，法拉第旋转测量ＴＥＣ的比较。应用ＧＰＳ方法测量ＴＥＣ具有很大的优点，具有高精度及多方位的特点。

GPS信号的多普勒效应分析

给出了 GPS信号多普勒效应以及利用多普勒观测量计算电离层总电子含量的计算公式。利用这些公式及 GPS接收机的多普勒观测量对运动多普勒和电离层引起的介质多普勒进行了分析 ,给出了利用多普勒观测量计算的电离层总电子含量。结果表明 :GPS的运动多普勒在正负几千赫兹之间 ,与运动多普勒相比 ,GPS信号的介质多普勒要小得多 ,其量级在 1 0 -2 赫兹 ;利用 GPS多普勒观测量可计算电离层总电子含量 ,其相对变化精度要高于利用伪距观测量的计算结果 ,但低于利用伪距

利用GPS方法对1998-11-22太阳耀斑引起的电离层TEC变化的观测研究

利用GPS伪距 +载波相位联合数据处理方法具体分析了 1998 11 2 2耀斑爆发期间北京、上海、武汉、西安GPS观测数据得到的电离层TEC。此次耀斑爆发引起了设在北京的高频多普勒长达 15min左右的无线电短波中断。通过对GPS得到的电离层TEC进行分析发现 :此次耀斑造成了大面积的电离层TEC的增加 ,耀斑爆发引起的最大TEC增幅在 1 2 5个TEC单位左右 ;利用高精度的GPS数据处理方法可研究耀斑引起的电离层扰动。另外 ,还分析了由GPS计算的TEC的时空变化特点。

电离层对耀斑响应的GPS观测研究

利用1997～1999年全球日地电离层观测卫星的耀斑观测资料以及全球定位系统(GPS)网的观测资料,对不同级别耀斑爆发期间的电离层总电子含量(TEC)随时间的变化特点、TEC增幅及其与X射线最大辐射通量之间的关系进行了研究.利用缓变型耀斑爆发期间的GPS观测数据,分析了电离层对此类耀斑的响应特点.

GPS系统硬件延迟估计方法及其在TEC计算中的应用

给出了用于估计GPS系统硬件延迟的卡尔曼滤波的状态方程和观测方程 ,在卫星和接收机相对硬件延迟计算方法的基础上 ,进一步给出了滤波器初值的计算方法 ,然后给出了GPS系统硬件延迟和卫星相对于平均值的硬件延迟的计算结果 ,并对GPS系统硬件延迟及卫星和接收机硬件延迟的稳定性进行了评价 ,结果表明 ,在两个半月的时间里 ,它们是非常稳定的 ,最后通过TEC的计算结果及其与滤波估计的比较证明了本文方法的正确性 .

基于单站GPS数据的GPS系统硬件延迟估算方法及结果比较

从GPS数据中解算电离层总电子含量(TEC)的最大误差源是硬件延迟。作者介绍了两种解算电离层TEC和硬件延迟的方法。利用单站的GPS双频数据,计算了2004年电离层TEC和硬件延迟,对两种方法得到的硬件延迟进行了比较,并且和欧洲定轨中心的公布结果进行了对比,同时分析了不同纬度台站数据解算硬件延迟的误差特点。结果表明:这两种方法均可以解算TEC和硬件延迟,结果是可靠的。解算的硬件延迟的标准偏差与观测站的纬度有关,在中国区域,纬度越低,估算的硬件延迟偏差越大,对这一情况进行了分析。

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.

2001年4月2日太阳耀斑及其太阳质子事件的观测结果研究

20 0 1年 4月 2日 ,太阳爆发了一个近年来X射线通量最大的一次耀斑并伴有质子事件 ,利用“资源一号”卫星星内粒子探测器和神舟二号飞船X射线探测器的观测资料 ,对这一事件的高能粒子响应进行了特例研究 .“资源一号”卫星运行于太阳同步轨道 ,高度约 80 0km ,和宁静时期的统计结果对比 ,这次耀斑后 ,星内粒子探测器在地球极盖区 (地球开磁场区 )观测到耀斑粒子的出现 ,这是宁静时期没有的 ;神舟二号飞船轨道高度 4 0 0km ,倾角为 4 2° ,X射线探测器在 4 2°中高纬地区也观测到高能电子通量比宁静时明显的增加 ,这表明 ,太阳耀斑引起的近地空间辐射环境的变化遍及纬度约 4 0°以上的区域 ,甚至在 4 0°N附近 4 0 0km左右的高度上仍然有响应 .但是 ,中高纬度、极光带和极盖区的粒子来源 ,加速机制和响应方式却不一定相同 ,需要分别讨论 .资料分析和对比还表明 ,质子事件的强度并不一定和耀斑的X射线通量成正比 ,因此 。

电离层高频多普勒记录在扩展-F研究中的应用

本文通过观测实例探讨并论证了电离层高频多普勒观测在扩展-F研究中的应用.实例和相应分析表明:首先,由于高频多普勒记录的时间连续性,有利于从观测角度了解扩展-F的时间演化过程;其次,高频多普勒偏移对不规则结构造成的回波弥散、对不同尺度行进电离层扰动(TID)以及耀斑引起的突然频率偏移(SFD)效应都很敏感,这些现象在记录上出现的时间关系有利于了解扩展-F的触发因素或扩展-F与其他电离层背景扰动之间的联系或相互作用;最后,高频多普勒记录对于持续时间较长(几小时以上)或很短(小于1小时)的扩展-F都能够完整地反映,不会产生因为观测间歇形成的缺失,也可以有效区分究竟是连续一次还是一段时间内断续的扩展-F现象.高频多普勒观测有其自身的优点同时也具有一定的局限性,本文对其局限性诸如缺乏空间分辨率等也做了分析.指出发挥高频多普勒观测的优势,综合应用多种资料,通过不同手段的数据分析和比较,可以更好地为电离层扰动的物理机制和预报研究提供正确的观测依据.

台风激发的声重力波的可探测性研究

通过对北京大学高频多普勒台站(39.4°N,116．2°E)多年的观测资料及相关台风资料的统计分析,着重研究了高频多普勒探测手段对由台风引起的扰动电离层响应的可探测性问题．通过对台风登陆前后的高频多普勒观测记录的细致分析及与宁静条件下记录的对比研究,表明高频多普勒观测手段可以很好地探测由台风激发的声重力波,尤其是对台风登陆前后所激发的扰动具有较高的可探测性．在所分析的24次台风事件中有明显扰动记录的高达22次(22/24)．结合观测事实与Huang等的统计结果(2/12)进行了比较,并进行了可能的原因分析．通过数值模拟的方法对观测到的主要扰动的非线性传播过程进行了模拟再现,结果基本上与观测结果及线性传播理论一致．确认了～般情况下高可探测性这一事实,但同时也表明可探测性和台风激发源与探测位置及中尺度TIDs在电离层中的传播模式有密切关系．

典型电离层多普勒记录及其讨论

由于地面电离层多普勒频率偏移测量具有时间连续、设备相对简便等固有特征,它特别适合于扰动监测.本文在整理北京大学电离层高频多普勒台站观测资料的基础上,给出了一些典型电离层多普勒效应观测现象,这些现象反映了多普勒频移对电离层Es,声重波,不规则结构及耀斑引起的突然扰动等的响应,表明多普勒资料的细致分析对电离层形态学研究有其特殊意义.利用IRI模型,对多普勒频移的太阳耀斑效应及电离层不规则结构对多普勒频移的影响进行了模拟计算,理论结果与观测基本一致,从而大体上解释了这些响应的物理机制.论文最后对观测到的一种特殊的记录类型——S型描迹的具体成因作了详细的分析和讨论,指出在一定条件下,以一定相位速度水平传播的声重波可以产生这类记录,给出了相位速度和振幅等声重波参数与记录描迹形状的关系,这对从多普勒频移记录推演电离层中的波动特征有一定的帮助.