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。

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。

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。

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%。

利用半参数核估计法预报全球电离层总电子含量

本文将半参数平差模型引入电离层球谐函数系数的预报中,建立了半参数球谐函数模型(Semiparametric-Spherical Harmonic,Semi-SH)来预测全球电离层总电子含量.首先,通过快速傅里叶变换获得球谐函数系数的周期和振幅,将振幅高的主周期归入趋势函数,振幅低的剩余周期归入随机信号,建立了半参数模型,同时利用核估计方法拟合趋势函数,解算随机信号,并在时间域上进行外推,得到了预报时间的球谐函数系数,代入15阶电离层球谐函数模型,最后得出电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)的预报值.本文基于欧洲定轨中心(CODE)发布的球谐函数系数进行电离层TEC长期预报和短期预报分析,其中长期预报采用四年预报两年的模式对球谐函数系数进行预报,短期预报设计了三个算例,采用前30天预报后一天的模式,分别预报1天、滑动预报7天和滑动预报30天.实验结果表明:长期预报能够较好地反映全球电离层TEC的变化趋势和波动情况,Semi-SH模型对全球电离层TEC平均值(Mean TEC global,MTECglobal)的拟合值和预报值与MTECglobal实际值的相关系数分别为0.8743和0.8010,呈现出高度相关性.短期预报中,在太阳活动高年和太阳活动低年,Semi-SH模型在中纬度地区预报精度较CODE发布的电离层TEC 1天预报产品(CODE′S 1-Day Predicted GIM,C1PG)有较大提升,在高纬度与低纬度地区两种模型预报精度相当;Semi-SH模型在太阳活动高年和太阳活动低年30天滑动预报精度的均值均高于C1PG模型.实验结果说明了Semi-SH模型预报电离层TEC值的有效性.

基于因果卷积与LSTM网络的电离层总电子含量预报

电离层总电子含量(TEC)不仅是分析电离层形态的关键参数之一,同时为导航及定位等空间应用系统消除电离层附加时延提供重要支撑。由于电离层TEC的时空变化特征,本文融合因果卷积和长短时记忆网络,以太阳活动指数F_(10.7)、地磁活动指数Dst和电离层TEC历史数据作为特征输入,构建深度学习模型,实现提前24 h预报电离层TEC。进一步利用2005-2013年连续9年的CODE TEC数据,全面评估了模型在北京站(40°N,115°E)、武汉站(30.53°N,114.36°E)和海口站(20.02°N,110.38°E)的预报性能。结果显示不同太阳活动条件下三个站的TEC值与真实测量值的相关系数都大于0.87,均方根误差大都集中在0~1TECU以内,且模型预报精度与纬度、太阳、地磁活动程度、季节变化相关。与仅由长短时记忆网络构成的预报模型相比,本实验模型均方根误差降低了15%,为电离层TEC预报模型的实际应用提供了参考。

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。

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．

IGS电离层图内插区域电离层电子含量精度分析

本文以重庆CORS网2007年第247天5个基准站观测数据为例,首先采用平滑伪距观测值解算各个基准站上空的VTEC值,然后将其中的4个测站穿刺点处的VTEC值采用克里金插值法内插YUBE站上空的穿刺点处的VTEC,发现克里金插值法内插的电离层穿刺点的VTEC值精度是可靠的,且比高精度的广义三角级数函数模型计算精度更高。再利用IGS电离层图,采用电离层穿刺点周围4个电离层图点和包含电离层穿刺点的所有格网点内插BANA站整点时刻的电离层VTEC值,经比较发现两者的内插精度基本一致。最后,利用包含电离层穿刺点的所有IGS电离层图点内插重庆CORS网5个基准站上空的整点时刻电离层VTEC值,经分析发现由IGS电离层图内插的5个基准站上空的VTEC值均比采用平滑伪距观测值解算的VTEC值偏大,约3.454TECU,且插值结果精度低于广义三角级数函数模型计算精度。

多模多频GNSS差分码偏差估计及电离层建模研究

电离层延迟是GNSS导航定位中重要的误差源,对电离层进行监测和建模具有重要的意义。GNSS具有覆盖范围广、观测时间长、反演精度高等特点,为电离层监测和建模提供了一种有效的手段。差分码偏差(differential code bias,DCB)包含在电离层观测值中,与电离层总电子含量(total electron content,TEC)参数相互耦合,在电离层建模时需要被精确分离和确定。

北斗GEO卫星在磁暴电离层扰动分析中的应用

为了研究磁暴发生期间,电离层受其影响产生的异常扰动现象的特性,本文利用北斗系统中地球静止轨道(GEO)的特性,选取沿等纬度、经度和地磁纬度规则分布的地面站观测数据,针对2019年5月11日与5月14日发生的磁暴事件,对磁暴期间电离层扰动进行了分析,实验表明5月14日磁暴事件造成的电离层扰动在各点处有着更相似的时频特性;同时计算得到了磁暴沿纬线的平均传播速度为657.9 m/s,沿经线的平均传播速度为480.1 m/s,沿地磁纬线的平均传播速度为1 591.2 m/s。

地磁暴期间电离层扰动监测及GNSS定位性能分析

为分析磁暴期间电离层扰动规律及GNSS定位性能变化,基于国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)全球观测数据及全球电离层图(global ionospheric map,GIM),对2018年8月26日地磁暴事件引发的北半球地区电离层总电子含量(total electron content,TEC)异常变化和GPS定位性能进行分析.结果表明:北半球TEC异常存在纬度差异,高纬地区响应快,低纬地区异常值变化大,达12 TECU;磁暴期间高纬地区观测数据周跳变化明显,周跳比数值与磁静日相比最大下降61.84%;磁暴期间所有测站数据完整率下降,高纬地区下降响应快,下降严重,达38.65%,研究区所有测站数据完整率下降出现在磁暴恢复相,数据质量与TEC异常变化规律较为一致;对GPS双频动态精密单点定位(precise point positioning,PPP)结果进行分析发现,磁暴期间高纬地区测站定位误差显著增大,水平和垂直方向均方根误差(root mean squared error,RMSE)增至约0.7 m及1.8 m.

震前电离层TEC异常探测方法研究

考虑到震前电离层TEC异常扰动探测方法(主要包括平均数法、中位数法、四分位距法等)的局限性,提出采用电离层TEC拟合后的剩余残差来识别TEC异常,即先对电离层TEC时间序列进行拟合,然后利用滑动时窗法进行异常识别。基于中国地壳运动观测网络GNSS观测资料解算的电离层TEC数据,采用上述方法对汶川8.0级大地震进行分析,结果显示该方法能够合理有效地探测到震前电离层TEC的异常扰动。

利用时间序列模型预报电离层TEC

以IGS(international GPS service)发布的电离层TEC(total electron content)资料为样本,用时间序列模型对全球的电离层总电子含量进行了预报。在时间序列预报模型中,不同的定阶方法导致不同的预报结果;实践证明本文使用的BIC定阶准则较好地实现了电离层总电子含量的预报。结果表明:对10d左右的预报时间段,时间序列模型的TEC计算结果相对精度高,预报相对精度优于60%的网格点数在总网格点数中所占百分比可达90%以上。

极区极夜期间E层占优电离层的分布特征

E层占优电离层是指E层的峰值电子密度大于F层的峰值电子密度(NmE>NmF)时的电离层,记为ELDI(E-Layer Dominated Ionosphere)。针对ELDI,利用2007—2010年的COSMIC(Constellation Observing System for Meteorolo-gy,Ionosphere,and Climate satellite)掩星数据,在修正地磁纬度-磁地方时标系下统计分析了它在南北极区极夜期间(南北半球的冬至日前后30天)的分布特征,结果表明极夜期间电离层ELDI特征明显,其分布与极光椭圆位形基本一致,而且其在夜侧的发生率较高,特别是磁子夜之后,北极为70%左右,而南极为90%左右;另外南极的ELDI特征在磁纬度分布上要略宽于北极的分布范围。在ELDI高发区,电离层峰值电子密度要高于其两侧地区,特别是在夜侧,尤其是磁子夜前的峰值电子密度要接近甚至大于磁正午的峰值电子密度,在南极地区格外明显;而且ELDI高发区内的E层的电子含量(TECE)、电离层总电子含量(TECI)及TECE占TECI的比重(TECEI)都高于其两侧地区,北极TECE和TECI大于南极,而TECEI则是南极大于北极。这些现象主要是由于极夜期间极区高能粒子沉降引起底部电离层电离率增大所致;同时,由于地磁轴偏离地理轴的程度在南极要大于北极,使得极夜期间南极地区的电离层的电子密度,特别是在F层要相应地小于北极地区,从而导致了极夜期间南北半球极区电离层ELDI特征之间差异。

基于VLBI和GPS测量2009年7月22日日全食期间电离层TEC变化

2009年7月22日上午发生的日全食是21世纪全食持续时间最长的日全食,跨越了中国北纬约30°的广大地区,为研究太阳对地球电离层的影响提供了一次难得的机会。上海位于此次日全食带中心线附近,为此,上海佘山站、乌鲁木齐南山站和日本鹿岛站开展了VLBI联合观测实验。与此同时,TEC测量还配合使用了GPS观测站。本文介绍了此次日全食观测实验的背景、测量方案、观测实验详情和数据处理流程。根据相关处理结果,利用二维条纹搜索方法在上海-乌鲁木齐基线获得了优质干涉条纹,预示着VLBI测量取得成功。对单站GPS数据的初步分析表明,日全食食甚时刻TEC值存在快速下降。此次观测实验预期将首次获得电离层TEC变化的VLBI实测结果,并开展VLBI与GPS测量结果的比较研究。

时间序列与神经网络组合方法在电离层TEC预报中的应用

时间序列和神经网络是广泛应用于各个领域的两种经典预测方法,将这两种方法结合起来可充分发挥其各自的优势。利用组合方法和IGS发布的2006年长沙地区某点处前11个月的电离层TEC(Total Electron Content,电子总含量)数据,对12月份的电离层TEC值进行了分析预报。结果表明,这种组合预测方法进行30天内电离层TEC预报相对精度在90%左右,比使用单个方法进行预报精度提高了2%～3%。

地基GPS与掩星联合的电离层层析成像方法研究

由于有限视角、稀疏布站等原因,地基GPS电离层层析成像存在垂直分辨率不高的问题,联合掩星进行电离层层析成像是一个重要的解决途径。一方面地基GPS观测能保证电离层层析成像的时间连续性和区域覆盖性;另一方面由于掩星信号能够提供地基GPS没有的水平射线信息,提升了电离层层析成像的垂直分辨率水平。利用地基GPS站与COSMIC卫星的掩星观测进行的仿真结果表明:与仅利用地基GPS相比,联合掩星进行电离层层析成像,不仅在电离层电子密度反演精度方面有明显提升,而且在电离层F2层峰值高度(hmF2)和电离层总电子含量(TEC)的精度方面同样有明显提高。