利用GPS三频数据计算电离层垂直总电子含量变化率

研究了通过采样间隔为1 s的GPS三频载波相位观测数据计算1 Hz电离层垂直总电子含量变化率(RVTEC)的方法,推导了直接采用双频载波相位观测量计算RVTEC的公式,对一般空间环境与电离层活动剧烈两种条件下L1L2、L1L5、L2L5三种载波相位组合计算的RVTEC进行了一致性分析,给出了通过三频载波相位观测数据计算电离层RVTEC的修正方法,比较了X射线太阳耀斑期间RVTEC与由传统方法计算的总电子含量变化率(ROT)响应,在双星串飞编队测高模式下对计算方法进行了应用.结果表明,L1L2、L1L5两种组合之间的一致性较好,由L1L2、L1L5组合计算的RVTEC的中误差约为0.004 TECu/s,RVTEC较ROT更能体现TEC变化的细节,在双星串飞编队测高模式下海面高梯度的计算中,电离层延迟之差可以忽略.

一种组合模型的电离层总电子含量预报方法

针对电离层总电子含量(TEC)的非线性、非平稳等多种因素影响会导致全球导航定位服务数据的高噪声问题,提出一种小波分解、长短期记忆(LSTM)网络模型、埃尔曼(Elman)神经网络模型组合的方法:采用国际全球卫星导航系统服务组织(IGS)中心提供的不同纬度、不同时间段的TEC格网点数据,利用db4小波分解对前20 d的TEC样本序列进行分解得到高频信息与低频信息;再分别利用LSTM模型和Elman模型对高频信息和低频信息进行预报;然后将2种模型的预报值进行重构;最后利用滑动窗口预测连续多个2 d数据进行分析研究。实验结果表明,组合模型在春、夏、秋、冬不同季节的电离层预报的均方根误差分别为0.85、0.68、0.84和0.84个总电子含量单位(TECu),平均绝对值残差分别为0.66、0.55、0.60和0.69个TECu,平均相对精度分别为97.1%、97.1%、96.7%、95.9%,与2种单一模型相比可有大幅度提升。

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.

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.

利用GPS监测电离层总电子含量的季节性变化

利用Georgiadiou电离层模型计算了GPS系统硬件延迟,从而由双频伪距观测值获取绝对电离层总电子含量值。利用北京IGS站的GPS观测数据分别计算了2000年和2004年各个不同月份的总电子含量值,对两年各月份的总电子含量进行多项式拟合,发现总电子含量的季节性变化趋势一致。

利用非组合精密单点定位技术确定斜向电离层总电子含量和站星差分码偏差

联合双频GPS数据,利用相位平滑伪距算法,可得到包含斜向电离层总电子含量(slant total electron content,sTEC)、测站和卫星差分码偏差(differential code bias,DCB)的电离层观测值(称之为"平滑伪距电离层观测值"),常应用于与电离层有关的研究。然而,平滑伪距电离层观测值易受平滑弧段长度和与测站有关的误差影响。提出一种新算法:利用非组合精密单点定位技术(precise point positioning,PPP)计算电离层观测值(称之为"PPP电离层观测值"),进而估计sTEC和站星DCB。基于短基线试验,先用一台接收机按上述两种方法估计sTEC,用于改正另一接收机观测值的电离层延迟以实施单频PPP,结果表明,利用PPP电离层观测值得到的sTEC精度较高,定位结果的可靠性较强。随后,选取全球分布的8个IGS(internationalGNSS service)连续跟踪站2009年1月内某四天的观测数据,利用上述两种电离层观测值计算所有卫星的DCB,并将计算结果与CODE发布的月平均值进行比较,其中,平滑伪距电离层观测值的卫星DCB估值与CODE(Centre for Orbit Deter mination in Europe)发布值的差别较大,部分卫星甚至可达0.2～0.3 ns,而PPP电离层观测值而言,绝大多数卫星对应的差异均在0.1 ns以内。

武汉地区电离层电子浓度总含量的统计经验模式研究

由武汉电离层观象台一个太阳黑子周期（１９８０—１９９０年）的实测电离层电子浓度总含量（ＴＥＣ）资料，统计分析得出了武汉地区的一个 ＴＥＣ经验模式．模式很好地再现了武汉地区的ＴＥＣ观测值．其预测误差在太阳活动高年稍大，低年较小；在春秋两季稍大，冬夏两季较小；在当地时间白天和傍晚稍大，夜间和早晨较小．此外，与国际参考电离层模式ＩＲＩ的计算结果比较，本模式预测的ＴＥＣ值更接近于实际观测结果．同时，本文也初步探讨了ＴＥＣ的半年变化特征和冬季异常现象．

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.

通过GPS测量数据研究电离层电子总含量的逐日变化

提出了一种直接通过双频GPS伪距测量数据导出接收站附近垂直TEC的方法，这种方法不需要事先知道卫星和接收机电路时延的精确值，前者可在换算过程中自治地加以修正，而接收机时钟误差则利用IRI模式的夜晚平均值作为参考来订正，这一订正存在一定的绝对误差，但不会影响逐日相对变化。却使数据处理过程大为简化．得到的垂直TEC为天顶周围60°锥角内的平均值，能够相当好地反映电离层电子总含量的周日变化．一个计算实例显示了连续三天北京地区TEC的日变化情况，证实了这一方法的实用性．文中还提出一个新概念或问题，即GPS卫星仰角很小时，通常认为多径效应造成大的误差，本文的一些实例似乎表明，这种多径效应的概念应当包括电高层不规则结构的贡献．

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。

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GPS观测值反演电离层总电子含量的时空变化

为了便于电离层总电子含量时空变化的研究,利用区域电离层模型获得了GPS系统硬件延迟,从而进一步获取了绝对电离层总电子含量值。利用北京IGS站的GPS观测数据分别计算了2000年至2004年各个不同季节的总电子含量,经比较发现,电离层总电子含量表现出明显的季节性变化。利用中国地壳观测网络25个测站的观测数据计算发现,电离层总电子含量空间变化幅度大,在低纬度地区总电子含量值相对较大,而在中纬度地区相对较小。

低纬电离层闪烁与总电子含量起伏的GPS观测结果

在地处电离层赤道异常区的桂林和武汉两地进行了电离层闪烁和总电子含量(QTEC)起伏的同时监测.分析和比较了两地闪烁和QTEC起伏的特征.结果表明:振幅闪烁活动主要发生在日落后至黎明,最大振幅闪烁出现率在午夜及其前后数小时,表现出对地方时的强依赖性.大部分闪烁为中等偏弱闪烁,振幅闪烁指数(S4)大小为0.2≤S4<0.3,也不时有强闪烁(S4≥0.3)发生,闪烁出现率逐日变化幅度很大,其空间分布相对集中于卫星仰角25°至50°的区域.对于大多数事件,伴随振幅闪烁活动及其强度的增强,都出现明显的QTEC的耗空和QTEC变化率(RT)的快速起伏,RT的标准差(IR)指数也明显增强,该研究说明QTEC起伏的观测可以在一定程度上预测引起闪烁的电离层不规则结构的存在.

电离层总电子含量建模的最优观测值选择

观测量的精度对区域电离层总电子含量建模至关重要。介绍电离层总电子含量(TEC)的概念,讨论利用GPS双频观测数据反演TEC的方法和原理。通过对几种TEC计算方法的精度进行研究和分析,提出一种电离层总电子含量建模最优观测值的选取方法。

深度学习LSTM模型的电离层总电子含量预报

针对TEC时间序列高噪声、非线性和非平稳的动态序列的特性,基于分解-预测-重构的思想,运用总体经验模态分解和深度学习长短期记忆神经网络,构建了EEMD-LSTM预测模型。同时,以测试集上预测结果的均方根误差最小为目标,运用多层网格搜索算法对EMD-LSTM预测模型进行参数优选。以IGS中心2015年全年1 h时间尺度的TEC格网数据进行实验分析,结果表明,EEMD-LSTM组合模型的预报结果能够很好的反应电离层TEC的变化特性,在低、中、高纬度地区平均预报残差分别为1.37、0.82和0.96个TECu,预测平均相对精度分别为92.8%、91.9%和87.8%。

自回归神经网络的电离层总电子含量预报

为了进一步提高TEC的预报精度,针对TEC时间序列高噪声、非平稳、包含线性和非线性动态序列的特性,运用经验模态分解和非线性自回归动态神经网络,基于分解-预测-重构的思想构建EMD-NAR预测模型;并对比分析EMD-NAR组合模型和单一模型的预报精度,同时运用EMD-NAR预测模型分析不同环境下的电离层TEC时间序列。实验结果表明EMD-NAR动态神经网络模型能很好地反映电离层TEC的变化特性,平静期和活跃期的预测平均相对精度分别为94%和88.3%,预报残差小于1个TECu的分别占71%和68.5%,小于3个TECu的分别占90.3%和87.5%。

南极地区电离层总电子含量分布特征的初步探讨

通过对微分多普勒数据处理后得到的电离层总电子含量的分析,探讨了南极地区总电子含量随纬度的分布变化特征及规律。

基于GPS的南极电离层电子总含量空间分布特征研究

利用南极区域内的中国中山站GPS常年跟踪站(ZHON)和国际GPS服务站GPS观测数据,计算出2000—2006年期间南极地区上空高精度电离层电子总含量值,分别对极光区内、极光区外、极隙、极盖区的电离层电子总含量进行分析比较。结果表明,极光区外的电子总含量峰值要大于极光区内,极光区内的电子总含量峰值又大于极盖区,而每日电子总含量谷值(即最小值)则相差并不明显,这一空间分布特征与不同位置的不同太阳入射角以及地球磁场在高纬地区具有的特殊构型有关。

由微分多普勒数据求算电离层总电子含量的新探讨

介绍一种由微分多普勒数据求算电离层总电子含量的新方法,并且通过理论分析,提出了对提高TEC计算准确性起重要作用的电离层中心高度的修正模式。实际计算结果表明,这种新方法和修正模式对于由微分多普勒数据求算TEC值是成功和有效的。