2015年3月特大磁暴期间中国区域电离层TEC NeuralProphet预报模型研究

延迟是全球卫星导航定位中重要的误差源之一,提高电离层TEC建模和预报精度对改善卫星导航定位精度至关重要.本文构建了以太阳辐射通量指数F_(10.7)、地磁活动指数Dst、地理坐标和中国科学院(Chinese Academy of Sciences,CAS)GIM数据为输入参数的NeuralProphet神经网络模型(NP模型),实现在2015年3月特大磁暴期中国区域电离层TEC短期预报.为验证NP模型的预报精度,本文同时构建了长短期记忆神经网络(Long Short-term Memory Neural Network,LSTM)模型进行对比分析.结果统计分析表明,NP模型在磁暴期(2015年DOY076-078)TEC预报值RMSE和RD分别为0.83 TECU和3.13%,绝对和相对精度较LSTM模型分别提高1.49 TECU和10.25%;且NP模型RMSE优于1.5 TECU的比例达97.24%,远高于LSTM模型.NP模型预报值与CAS具有较好一致性和无偏性,偏差均值仅为-0.01 TECU,而LSTM模型预报值的均值偏大,偏差均值为1.49 TECU.从低纬到中纬度的三个纬度带内,NP模型RMSE分别为1.12、0.83和0.44 TECU,精度比LSTM模型提高1.94、1.56和1.23 TECU.整体上,在磁暴期NP模型预报性能明显优于LSTM模型,能够精细描述中国区域电离层TEC时空变化.

子午工程二期GNSS电离层TEC与闪烁监测仪样机测试及数据对比分析

子午工程二期电离层TEC与闪烁接收机布网采用国产设备.经过连续3天的运行测试,本文以同台站同天线的国外对比设备PolaRx5数据为参考,对样机的数据进行质量评估.对于科学研究,数据的连续性和有效性,VTEC、幅度闪烁指数、相位闪烁指数这三项数据的精度是最重要的指标.本文根据科研场景设计了这些方面的数据比较标准,评估样机的数据质量,并对两种设备探测结果特征的原因进行了分析,为数据准确性的评估提供参考和借鉴.

联合半参数和长短期记忆神经网络的全球电离层TEC短期预报

半参数球谐函数(Semiparametric Spherical Harmonic,Semi-SH)模型能减少电离层预报模型误差以及残余周期带来的系统误差.但是半参数球谐函数模型中窗宽参数的选取会带来一定的估计偏差,本文利用长短期记忆神经网络(Long-Short Term Memory Networks,LSTM)在非平稳性时间序列预报中的良好适应性,提出了一种联合Semi-SH与LSTM(Semi-SH-LSTM)的全球电离层TEC短期组合预报模型,适用于1—5天的短期预报.Semi-SH-LSTM模型通过预报球谐函数系数解算全球电离层TEC,利用二次多项式和半参数核估计方法分别拟合球谐系数趋势项和周期项,最后基于LSTM对拟合残差进行补偿预报.本文利用欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)球谐函数系数产品,采用单天预报和多天预报两种实验方案验证Semi-SH-LSTM模型的有效性.实验结果表明,相比于Semi-SH模型和综合半参数与自回归模型,Semi-SH-LSTM模型的单天全球TEC预报残差RMS值分别提升了12.6%和13.1%;误差小于1 TECU占比分别提升了4.9%、4.6%.基于Semi-SH-LSTM模型的多天全球TEC预报残差RMS值分别提升了10.5%和8.5%,误差小于1 TECU占比提升了3.9%和3.2%.同时,半参数LSTM组合预报模型每预报一天耗时约在2 h以内.

基于KF-LSTM组合模型的短期电离层TEC预测

针对电离层总电子含量(TEC)时间序列非线性、非平稳性等特点,提出以卡尔曼滤波对电离层TEC数据进行预处理为基础,融合长短期记忆神经网络模型,构建KF-LSTM短期电离层组合模型预测TEC的方法,并利用该模型预测2016年和2018年4个时段的高、中、低纬度及赤道地区36个格网点提前1 d的电离层TEC。结果表明,KF-LSTM组合模型预测效果优于传统BP神经网络模型和单纯的LSTM模型。在赤道地区,其预测效果与C1PG模型相当;在15°~75°N地区,其预测效果优于C1PG模型。

国际GNSS服务组织全球电离层TEC格网精度评估与分析

国际GNSS服务组织(International GNSS Services,IGS)发布的全球电离层TEC格网(Global lonospheric Map,GIM)是利用GNSS进行电离层研究的主要数据源之一.IGS电离层工作组于2016年2月正式授予中国科学院为全球第五个电离层数据分析中心,由测量与地球物理研究所和光电研究院联合实施.本文系统地总结和展示了IGS电离层工作组对各分析中心GIM评估的结果;此次评估以基准站实测电离层TEC、测高卫星电离层TEC为参考,给出了各分析中心1998-2015年GIM的总体性能.结果显示:随着IGS基准站日益增多,各分析中心GIM内符合精度由4.5~7.0TECu提升至2.5-3.5TECu;不同分析中心GIM一致性从3.0~4.5TECu提升至2.0~3.5TECu;相对于测高卫星电离层数据,CODE、CAS、JPL和UPC分析中心的GIM精度相对较高(约4.0~4.5TECu),但是在不同测高卫星评估结果之间存在不同的系统性偏差.

中国地区电离层TEC暴扰动研究

电离层总电子含量(TEC)是空间天气研究和监测预报的重要参量.本文引入了电离层TEC扰动指数DI,对青岛等6个台站的DI数据进行分析,选取DI>0.35(DI≤-0.30)作为正(负)相电离层TEC扰动的强度标准,并以连续6h及以上的DI满足该值来判定电离层TEC暴扰动事件.对电离层TEC暴扰动事件的统计分析表明,在地方时日落后至子夜前为发生高峰时段,正(负)相暴扰动事件平均持续时间约为10.9h(10.5h),正相暴发生率以冬季为多,夏季为少,而负相暴则以夏季略高.发现位于赤道异常驼峰区的广州站和位于高中纬度的海拉尔站比典型中纬地区的北京站电离层TEC暴扰动更易发生,且低纬地区以正相暴扰动为主.分析表明,约有70%的电离层TEC暴扰动伴随着有地磁扰动,但是电离层TEC暴扰动并不完全由地磁扰动所引起,强烈气象活动等局地环境因素也可能对电离层TEC暴扰动有着重要影响.

用GPS观测研究电离层TEC水平梯度

双频GPS用户能自动修正电离层总电子含量(TEC)引起的延时误差,但是对于电离层中的不规则体造成的信号闪烁而引起的误差则不能消除.即使是差分GPS系统,电离层误差仍然是其主要的误差源,其中电离层TEC梯度将会影响到系统的定位精度和性能.本文用GPS方法研究了电离层TEC的水平梯度问题,用处于赤道异常区NTUS台站的GPS观测数据作了具体计算.结果表明,在日落以后到子夜前后电离层垂直TEC出现了大的涨落,电离层中的不规则体导致L波段信号强的闪烁,同时还伴随着大而快速变化的电离层TEC水平梯度.对比发现,ROTI指数、电离层TEC水平梯度和电离层垂直TEC三者之间有很好的对应关系,它们的变化特征均由电离层中的不规则体引起.我们认为研究电离层闪烁,特别是在缺乏S_4指数时,电离层TEC梯度也可以作为一个重要的可选参数.

基于IRI背景场的单站电离层TEC地图重构技术

为了有效解决电离层TEC观测数据稀疏时重构问题,引入IRI-2007作为背景场,利用反距离加权法和克里格方法重构了电离层TEC地图,使用交叉检验方法检验了引入背景场前后的重构精度.结果表明,引入背景场后,一方面有效地控制了边缘地区的发散现象,另一方面重构网格点上绝对误差在-0.25～0.25 TECU之间的比例分别提高了约70%和100%,误差统计基本呈正态分布.

组合方法在电离层TEC短期预报中的应用

在传统的频谱分析法和灰色模型的基础上提出了一种新的组合方法来预报电离层TEC。首先利用频谱分析法计算的残差建立灰色模型,计算后面历元的残差修正值,然后和频谱分析法的预报结果相加。结果表明:组合方法的预报精度约为0.53 TECU;预报值的RMS约为0.65 TECU;预报精度与经纬度有关,与历史数据长度无关。与现有方法相比,该方法预报精度高、所需的数据少、简单易行。

利用陆态网络实时监测电离层TEC及在地震监测中的应用分析

中国大陆构造环境监测网络(陆态网络)是中国最大的GPS综合服务网络,该网络包括260个分布全国的GPS基准站。本文首先介绍了利用GPS研究电离层TEC的基本原理与方法,然后阐述了陆态网络电离层TEC监测系统的数据处理及产品发布的详细流程,最后分析了震前电离层异常现象与地震发生的耦合关系,并利用陆态网络电离层TEC监测系统的产品分析了四川省芦山7.0级地震的同震电离层扰动现象。

中国西南区域孕震区电离层TEC变化长时间序列分析

通过中国地壳运动网络提供的GPS观测数据,获取了高精度电离层TEC分布,采用滑动四分位法分析了中国西南区域2008年4-10月（太阳和地磁活动平静时段）6次连续的MW6.0以上地震期间孕震区电离层TEC长时间变化及其异常分布；并在此基础上利用GIM数据对比分析了全球TEC变化特征.鉴于电离层主要受到太阳和地磁等空间天气的影响,将TEC变化与太阳EUV辐射、行星际磁场南向分量IMF Bz以及地磁活动指数Dst和Kp进行了比较.结果发现,该时段内电离层TEC异常扰动与太阳和地磁活动有很好的相关性；除汶川地震外,其他地震前没有发现明显的跟地震相关的TEC异常扰动现象.同时,对比分析了与上述研究区位于同一地磁纬度的“检验区”（30＆#176;～ 50＆#176;E,15＆#176;～35＆#176;N）的GPS TEC随时间变化和异常分布情况,结果显示TEC异常分布的时空特征与研究区域较为一致.由于电离层是一个复杂的系统,其扰动具有多源性,而且地震电离层扰动现象是复杂多变的,因此需要联合地基和天基手段共同观测,并加强其机理研究.

利用CORS进行格网化电离层TEC实时监测

为了实现对区域电离层的实时监测，利用连续运行参考站观测到的双频GPS数据提取电离层总电子含量（TEC）信息．根据卫星和接收机硬件延迟在一定时间内比较稳定的特点，利用前一天计算的硬件延迟值来修正当日卫星传播路径上的总电子含量值，从而获得实时的电离层总电子含量．由此建立单历元多站多项式模型，结果表明：当基站间距离平均约为250km时，由7个基站共同建立的实时模型内外符合精度平均优于0．8TECU（1TECU=10抛电子数／m2），将实时模型计算的电离层延迟改正信息应用于静态单频PPP定位中，点位精度能够达到0．3～0．4m，与不进行电离层延迟改正的单频PPP定位结果相比提高80％左右．因此，进一步结合格网技术，可以实现区域电离层总电子含量的实时监测．

第23太阳活动周武汉站电离层TEC特征分析

利用武汉站(30.5°N,114.4°E)1997年1月1日至2007年12月31日电离层TEC、太阳黑子数及地磁指数等资料.分析了第23周武汉站TEC的周日变化、季节变化、半年变化以及与太阳活动的相关性等特征;以2006年4月13-1 7日发生的磁暴为例,讨论了武汉站TEC对磁暴的响应以及可能的机理.结果表明.武汉站电离层TEC在太阳活动高、低年均呈典型的周日变化特征;冬季异常和半年异常特征明显,且受太阳活动强弱影响;TEC和太阳黑子数年均值相关系数为0.9611;TEC对磁暴的响应可能是由磁层穿透电场和中性风共同作用导致的,具体影响机制有待深入研究.

电离层TEC预报模型的卡尔曼滤波改进方法

针对直接使用IGS公布的原始数据对电离层TEC进行预报时存在原始数据含有随机噪声等问题,提出将卡尔曼滤波作为预处理方式引入电离层TEC预报,用以减小噪声对于预报模型的影响。实验结果表明,卡尔曼滤波对电离层TEC数据具有很好的降低噪声的作用,使用滤波后的数据建立组合模型能够提高模型的预测精度。

新乡观测的电离层TEC和板厚的统计与建模研究

利用1982年至1990年在新乡接收ETS－Ⅱ同步卫星136MHz信标所取得的电离层总电子含量TEC月中值和相应的F2层临界频率，计算了电离层板厚，分析比较了电离层板厚、TEC和F2层临界频率的日变化、季节变化和太阳活动变化的差异，给出了板厚随太阳活动的抛物关系，建立了新乡的电离层极厚模式，并与国际参考电离层和中国参考电离层模式的结果进行了比较。结果表明，本文的板厚模式预报的结果在太阳活动高年较国际参考电离层（IRI）和中国参考电离层（CRI）大为改善。

基于夹角余弦的电离层TEC混沌预测

利用加权一阶局域法对TEC时间序列进行预测时,提出利用夹角余弦对相似相点进行选择。结果表明,在5维相空间中,该方法除在第4分向量略不及欧氏距离外,其余4个分向量均优于后者。利用夹角余弦选择的相似相点进行一阶局域预测时,该方法得到的STD(0.660 1TECU)和RMS(0.670 0TECU)均小于欧氏距离得到的STD和RMS,说明夹角余弦可以准确地搜索到与基准点相关性更强的相似相点,因此,预测精度更高。

太阳活动高低年电离层TEC变化特性分析

为了进一步研究电离层变化特性受不同太阳活动强度影响的问题,提出太阳活动高低年对比分析的方法,研究5个特定点的电离层TEC的变化特性;重点对太阳活动高低年的TEC半年变化、季节变化以及周日变化进行分析。结果表明:太阳活动强度影响TEC数值变化的同时,还影响其半年变化和季节变化特性;春秋分季节是出现峰值的高峰期,TEC半年变化强度与太阳活动成正比;太阳活动强度对季节异常现象有一定影响,太阳活动高年季节变化更显著,0°N^-20°N是TEC季节异常的活跃范围;全球TEC峰值呈自东向西周日性运动,通过2年数据的自相关分析可以明显看出其变化周期为24h,未受到太阳活动高低年影响。

基于多种度量的电离层TEC混沌预测分析

利用东经120°,北纬45°上空的2008年年积日101～150d时间段内共600个电离层格网TEC数据为时间序列样本,分析了该点上空电离层TEC参数的混沌特性,发现其关联维数为2.2632,嵌入维数为5,最大Lyapunov指数为λ=0.0833,表明该点上空电离层TEC时间序列具有混沌的特征,存在混沌现象.采用加权一阶局域法对TEC时间序列进行预测时,在有效预报尺度内,利用各种度量进行预报得到的中误差都随着预报天数的增加而逐渐增大,但预报的相对误差却是在一定幅度范围内上下波动.采用四种距离度量以及皮尔森相关系数和Jaccard相似系数进行预报,其预测结果或者平均中误差较大,或者平均相对误差较大,结果不理想.其中,采用标准化欧氏距离得到的平均中误差最大,达到5.107TECU,而采用皮尔森相关系数得到的平均中误差最小,为5.078TECU;对于平均相对误差而言,由切比雪夫距离得到的平均相对误差最大,为0.185,而Jaccard相似系数得到的平均相对误差最小,为0.166.而采用余弦相似度得到的预测结果,其平均中误差和平均相对误差都很小,分别为5.079TECU和0.167.因此,在一阶局域混沌预测时,采用余弦相似度作为衡量相空间轨迹的差异性是较为合适的.

基于MATLAB-GUI的GPS电离层TEC插值软件设计与实现

本文介绍了由IGS提供的关于电离层总电子含量TEC的数据文件IONEX,其包含的数据在时间和地理位置上是不连续的,利用插值方法计算不连续的时间和地理位置的TEC数值。运用MATLAB图形用户界面(GUI)的设计功能并结合其数据处理和绘图功能,设计关于GPS TEC数据处理的软件,按照区域(包括某特定地理位置)、时间为划分绘制TEC分布图或者变化图。通过实际应用,该软件的各功能界面能够独立运行并实现预期的数据处理和绘图等功能。

2018年8月磁暴期间北斗GEO卫星电离层TEC时空变化分析

基于北斗GEO卫星独有的静地特性,本文利用其观测数据提取电离层TEC进行磁暴期间电离层TEC时空变化研究。同时利用全球电离层格网图GIM值进行试验对比,结果表明:北斗GEO卫星提取的TEC与GIM模型值变化趋势一致,并且前者可更有效地监测电离层的细微扰动变化。在此次磁暴发生期间,亚太地区电离层TEC变化及扰动响应特征在纬度方向差异明显。其中南北半球较高纬度区域,电离层TEC在磁暴主相阶段主要表现为正响应扰动,而赤道及北半球较低纬度区域,电离层TEC在磁暴主相及恢复相阶段均产生了强度更大、持续时间更长的正响应扰动。结合现有研究,认为造成此次电离层异常扰动的激励因素主要为东向快速穿透电场的增强及热层中性成分的变化。试验结果也证明了GEO卫星可以精准有效地监测在磁暴发生时电离层TEC的变化规律及不同空间位置处TEC产生的扰动响应特征。