一种电离层观测雷达的数字处理系统设计

介绍了一种用于探测电离层等离子体运动规律的高频相干散射雷达的数字处理系统。该数字系统以FPGA器件为控制核心,配合模块化构架,具备高度可扩展性能。软件程序同样采用模块化设计思想,使用AXI-LITE协议增加程序灵活性,大大降低调试难度。实际应用表明该系统工作稳定,达到设计要求。

电离层数字测高仪被动接收观测模式研究

利用CADI(Canadian Advanced Digital Ionosonde)电离层数字测高仪平台,实现了新的电离层数字测高仪被动接收观测模式。利用新开发的观测模式,在观测台站开展了一系列实验观测研究,经过信号处理和信息提取,获得了电离层特征参量f_0F_2回归方程,高频信道背景噪声分布,电离层D层对电波的吸收等电离层探测信息。实验观测结果表明,所获取的f_0F_2与主动探测结果相关性在0.84以上,高频信道背景噪声分布以及电离层D层吸收状况与电离层实际分析结果相吻合。

地表氡异常与电离层扰动的关联研究及进展

随着空间观测数据的丰富和地球科学等研究的融合,对地表氡异常和电离层扰动两种现象开始进行联系和解释。异常垂直电场假说认为氡释放导致地表空气电离引起电场变化,地表垂直电场的异常通过大气层电场传导到电离层,最终引起电离层的扰动。通过调研地表氡的释放与测量、电离层扰动与测量、电离层异常的观测实例,进一步确认了地表氡异常与电离层扰动的联系。对氡异常与电离层扰动之间联系的基本模型进行了总结,综述了异常垂直电场假说的研究进展,提出了下一步研究工作开展的建议。

奥斯特/GPS掩星与地面雷达联合观测电离层电子密度的初步结果

1999年2月丹麦发射了一颗奥斯特小卫星,它装载了两台GPS接收机,其中一台用于电离层和中性大气掩星测量,另一台用于自主定位。本文给出了1999年10月奥斯特/GPS掩星与日本MU雷达和数字测高仪的联合观测结果。奥斯特掩星反演得到的电子密度剖面与地面雷达观测的进行了比较,结果表明:天基和地基雷达观测的电子密度是一致的。文章还给出利用GPS的单频信号反演电离层电子密度剖面技术和3维射线追踪技术模拟掩星结果。

附有伪距电离层估计的实时精密单点定位方法

针对现有实时精密单点定位(PPP)方法解算精度较低的问题,提出一种附有伪距电离层估计观测值P1ION的实时PPP方法:将无电离层(IF)组合及伪距电离层估计观测值(P1ION)相结合,并与传统的无电离层组合模型(IFPPP)和非差非组合模型(UC-PPP)进行对比和分析;然后,通过国际全球卫星导航系统服务组织(IGS)的最终精密产品评估法国空间研究分析中心(CNES)的实时数据流产品(CLK93),包括卫星轨道、钟差改正数和实时电离层产品。实验结果表明,全球定位系统(GPS)和伽利略卫星导航系统(Galileo)轨道和时钟改正精度优于格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)和北斗卫星导航系统(BDS);相对于IGS电离层联合分析中心(IAACs)最终全球电离层产品(GIM),不同分析中心的实时电离层产品垂直总电子含量(VTEC)估计的标准差(STD)和均方根(RMS)分别为1.9~2.3个总电子含量单位(TECU)和1.9-3.2 TECU;与IF-PPP和UC-PPP相比,附加实时电离层产品约束的IF-PPP+P1ION方法的定位精度在东(E)、北(N)、天(U)方向分别提高了14.0%、3.7%和11.2%。

南极中山站数字式电离层测高仪的初步观测结果

本文介绍数字式电离层测高仪DPS—4的原理和特点、在中山站的安装和调试．从扫频电离图所得到的初步结果表明，中山站冬季电离层F层存在明显的磁中午现象，而电离层Es层与极光粒子沉降有很大关系；漂移测量的结果表明，电离层漂移主要是水平方向的运动，并且具有大体一致的日变化模式，显示出在没区存在逆阳对流．

我国电离层闪烁初步观测结果

电离层闪烁观测是研究电离层闪烁现象及其效应的实验基础.本文中利用自行研制的电离层闪烁监测仪,开展了在我国中低纬地区的闪烁观测,初步的结果表明电离层闪烁在中低纬地区发生频繁,且对UHF频段通信卫星的影响十分严重.

利用精密单点定位求解电离层延迟

近年来,高时空分辨率的全球导航卫星系统(GNSS)观测信号已成为电离层研究的重要资源.利用GNSS研究电离层,需首先将观测资料转换成包含电离层信息的可观测量(Ionospheric Observables,称之为"电离层观测值").目前,最常用的电离层观测值一般采用联合无几何影响组合的码和相位观测,利用相位平滑伪距方法计算得到(称之为"平滑电离层观测值"),但该过程易受平滑弧段长度和与测站有关的误差(如多路径效应和观测噪声)的影响.本文提出利用精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)提取电离层观测值(称之为"PPP电离层观测值",形式与平滑电离层观测值相同).与相位平滑伪距相比,IGS发布的卫星轨道、钟差产品可被PPP合理利用,从而有效减少了待估参数,使得电离层观测值的估计精度得到改善.基于短基线和零基线实验,通过考察两类电离层观测值的站间单差结果在各卫星弧段间的离散程度,验证了PPP电离层观测值的可靠性:以某两天的短基线实验结果为例,与测站有关的误差对PPP电离层观测值的影响分别为对平滑电离层观测值影响的44.4%和35.7%,表明PPP电离层观测值更利于高精度电离层建模、预报等研究.

DGS-256电离层数字测高仪的升级与联网

随着网络通信技术的发展 ,通过电离层测高仪的联网提供电离层实时数据 ,已成为当前国际上电离层观测技术的发展趋势。文中介绍了为实现电离层频高图数据自动度量和联网 ,对武汉 DGS- 2 56电离层数字测高仪进行升级改造的技术方案和实施方法。通过系统升级改造后 ,不仅实现了武汉上空电离层数据实时在网上发布 ,而且还可在网上对数字测高仪进行远程控制。

地方时与区时在电离层研究中的差异

本文指出混淆地方时与区时两个时间概念在电离层研究中带来的差异的严重性，建议使用地方时与区时这两个名词，而抛弃＂本地时＂和＂当地时＂等容易引起混淆的名词。

东亚地区电离层Es出现率峰值的时空演变

通过对东亚地区20多个台的电离层垂测资料，进行逐年、逐月与逐台的比较研究，发现Es出现率峰（Es出现率最大处）具有时空演变．冬季的白天，峰位于低纬；夏季的白天，峰的位置随太阳活动的不同而变动；春秋两季的峰不明显，隐约可见其振荡在类似于海口与国分寺的纬度之间；夜晚，兰州、新乡与国分寺，几乎既是夜晚各季节的主峰所在，又是白天冬夏季节的亚峰地点．可见Es出现率峰，有着十分规则的变化，这一点与以往结论有别．

GPS信号的电离层延迟误差及改正

详细论述了电离层对GPS信号的延迟误差,讨论了修正电离层延迟误差的相对定位、延迟模型改正方法,分析和比较了双频观测量和三频观测量电离层延迟误差改正方法。

联合历元间差分相位和双频载波消电离层模型的定位方法

本文展示了一种利用历元间载波相位差分结合双频载波消电离层组合观测量的定位方法,该方法计算简单,可用于低成本、小型化的无人机产业的实时导航定位。采用香港大地测量观测站数据对该方法进行验证,结果表明:滤波收敛后,该方法的定位结果在E、N、U方向精度(RMS)的平均值分别达到0.61m、0.21m、0.52m,三维精度达到0.83m,与传统伪距单点定位相比,精度有较大提升。

张衡一号卫星三频信标载荷典型事件观测

“张衡一号(简称ZH-1)”卫星搭载的三频信标机(tri-band beacon,TBB)载荷,能够对站链上空的电离层进行高精度测量.为检验TBB载荷在电离层监测中的应用效果,本文利用2018—2019我国中低纬地区TBB观测数据,采用求均值及多项式拟合的方法对各月份F_(2)层峰值电子密度(N_(m)F_(2))数据进行处理,分析N_(m)F_(2)的半年变化特征;将2018-08-26磁暴当天与宁静日的电子密度作差值,分析电子密度对磁暴事件的响应特征.结果表明:TBB观测数据能够有效监测电离层变化,正确反映站链上空电离层变化规律;在磁暴事件中,观测到了电子密度的变化过程,其准确地反映了正暴相的特征,证明在重要天气事件中,这一手段能够获得较为准确的观测数据.

GPS单点定位观测值的精度分析与改进

通过实验分析单点定位中常用的消电离层组合伪距观测值精度与P码伪距精度的关系,得出:当P1、P2码伪距精度相差较大时,消电离层组合伪距观测值精度降低,从而导致定位精度低于P1码伪距的定位精度。针对以上问题,提出一种改进GPS单点定位观测值的方法:当P1、P2码伪距精度相近时,采用消电离层组合伪距观测值,反之采用P1码伪距。最后,通过实验数据验证了此方法在提高单点定位精度上的有效性。

星基GNSS掩星事件预报方法分析

针对全球卫星导航系统(GNSS)星基掩星观测时长通常仅有几十秒,特别是在升星掩星观测中,需要快速实现负高度角卫星信号的捕获跟踪,才能获得及时有效的掩星观测时长的问题,基于先验轨道信息辅助的开环跟踪技术,提出一种基于切线高度的掩星事件快速预报方法,以辅助掩星接收机快速捕获和跟踪GNSS掩星信号,从而保证掩星观测数据质量和有效观测时长:对地球局部曲率中心进行修正,得到更为精准的切线高度;然后设置掩星事件的判决条件,采用极值的方式快速预报出符合阈值的掩星事件;最后对全球内曲率中心和曲率半径进行分析。实验结果表明,曲率中心的修正距离最大值可至45 km,曲率半径波动范围可达到65 km,足以影响掩星探测的准确预报。基于气象、电离层和气候星座观测系统(COSMIC-2)实测数据的仿真结果表明,掩星预报的全球定位系统(GPS)掩星漏报率低于3%,格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)掩星漏报率约14.5%,且预报掩星开始时间大多提前5~10 s;证明基于切线高度的掩星预报方法能够有效地应用于星基掩星事件的预报,以辅助接收机准确捕获和跟踪信号,提升掩星观测资料的数据量和有效观测时长。

基于非组合精密单点定位的区域电离层建模

电离层是地球空间的重要组成部分,电离层延迟是全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)数据处理的重要误差源,电离层的影响主要表现为地面站接收到的卫星载波和伪距信号的附加时延效应,最大可达几十米,精确的电离层模型可以有效提高GNSS单频数据处理的精度。利用GNSS观测值研究电离层,一般采用无几何距离组合的码和相位观测值,使用相位平滑伪距方法得到平滑电离层观测值,但是该方法容易受到伪距多路径和观测噪声的影响,导致电离层估计不准确。因此,先基于非组合精密单点定位(precise point positioning,PPP)提取电离层,利用国际GNSS服务的轨道、钟差等产品,有效减少待估参数个数,提高电离层延迟的估计精度;再使用纬度差和太阳时角差的多项式拟合进行区域电离层建模。利用某省连续运行参考站系统数据提取了天顶方向总电子含量信息进行建模,与PPP解算结果进行比较,在测站天顶方向上的模型值和解算值差异较小(除个别卫星外),可达到2 TECU左右。

短波信道与其链路穿过的电离层相关性分析

电离层的状态及其变化在短波通信、天波超视距雷达和短波广播等依赖天波技术的系统应用中有重要意义.以前很少看到关于短波信道与其链路穿过电离层的状态及其变化的同步观测及其相关性定量描述.本文利用2011年7月21-27日厦门—武汉链路短波信道观测数据和2011年12月10-16日西安武汉—莆田链路短波信道观测数据,以及厦门、武汉、西安电离层垂直观测数据,对西安—武汉—莆田链路短波信道、厦门—武汉链路短波信道及其链路穿过的电离层特征参量相关性进行了分析研究,结果如下:(1)西安—莆田链路短波信道的最大可用频率(MUF)与该链路的中点(武汉)电离层F层临界频率(foF2)的相关系数最大,为0.974;(2)西安—莆田链路MUF与链路端点(西安)电离层foF2的相关系数稍小些,西安武汉链路MUF与链路两端(武汉、西安)电离层foF2的相关系数也稍小些,但都接近于0.930;(3)西安—莆田链路MUF与厦门(距离莆田约为140 km)电离层foF2也比较小,为0.912;(4)西安一武汉链路MUF与厦门(距离武汉约770 km)电离层foF2的相关系数更小一些,为0.877;(5)根据厦门电离层垂测仪的观测,去除掉与电离层Es相关的数据后,厦门一武汉短波信道MUF与厦门电离层foF2的相关系数为0.557;不去除时,其相关系数几乎为零.这些结果对于提高短波信道预测能力和短波信道信息在依赖天波技术系统中应用水平有重要帮助.

地震电离层TEC异常信息提取方法研究

地震是地球内部能量释放的一种方式，越来越多的研究结果显示，地震过程并不仅局限于地球的岩石圈，地震前后产生的电磁效应会通过岩石圈-大气圈-电离层的耦合作用引起大气层、电离层、磁层等的扰动。地震电离层观测不仅能够获取地面电磁观测无法得到的更多类型的信息，同时还能提高获取空间物理场信息的能力，是非常有希望取得地震预报突破的技术领域。

高精度多普勒频高图的获取和分析

电离层高频反射回波的多普勒频移是研究电离层扰动的一个重要参数.在数字测高仪探测中,高分辨率的多普勒频移一般在漂移测量中获得,但这种测量方式探测的频点少,不能获得扰动的高度剖面;而在频高图模式下,虽然工作的频点多,能够获得电子浓度的高度剖面的信息,但探测的多普勒频移的分辨率低,无法用来精确检测电离层扰动.实际的电离层高频回波一般为窄带信号,由此本文中提出了一种新的分析方法,利用DGS-256数字测高仪频高图模式下记录的16个多普勒通道的数据,通过反傅里叶变换还原成时域信号,采用最小二乘法估计相邻时间点的相位差,获得高精度多普勒频高图.作为实例,利用该方法分析武汉电离层观象台数字测高仪观测站的观测数据,得到了多频点的多普勒频移曲线.结果表明:在DGS-256数字测高仪频高图模式下能够得到高精度多普勒频高图,这在电离层扰动探测和研究中很有意义.