基于CIT技术的广域增强系统电离层延迟修正算法

提出了一种基于电离层层析成像(CIT)技术的广域增强系统(WAAS)电离层延迟修正算法.该算法利用模式基函数与截断奇异值分解正则化组合的方式,实现WAAS单频用户的电离层延迟误差修正.基于中国区域23个广域基准站和10个用户站的仿真结果分析表明,传统的网格算法和基于CIT技术的电离层延迟修正算法的电离层延迟修正精度与太阳活动、昼夜变化及地磁纬度之间均存在明显的相关性.基于CIT技术的电离层延迟修正算法精度优于网格算法,CIT算法的平均误差与标准差相比网格算法均有较大幅度的下降.

2017-09-07-08磁暴期间全球尺度电离层扰动

基于全球6个CORS系统和IGS共2 645个站点的观测数据以及欧洲定轨中心(CODE)的全球电离层格网数据,利用电离层层析技术重构2017-09-07-08磁暴期间全球范围电离层电子密度变化情况。分析发现,2次电离层扰动均始于磁暴发生约1 h后,并随着磁暴的恢复而减小,二者发展趋势有强相关性。电离层扰动遍布全球,存在明显的赤道电离层异常现象。总体来看,低纬度地区电离层扰动强度大于中高纬度区域,200-400 km高度中层区域电离层扰动强度大于底层和高层,电子密度变化量达(3.3-9.4)×10^(5) el/cm^(3)。第1次磁暴恢复相期间,低纬度地区仍存在较强电离层扰动;第2次磁暴恢复相期间,电离层扰动呈现南北半球不对称现象,北半球电子密度减少,南半球电子密度增加。

GPS地面台网和掩星观测结合的时变三维电离层层析

本文给出GPS地面台网和掩星观测结合的时变三维电离层层析的原理、算法和基于实测数据的反演结果.反演结果的比较表明,联合地基GPS与掩星观测数据进行重建,电子密度整体图像的重建质量特别是其垂直结构的重建质量得到了明显改善.在平静日和磁暴期间两种条件下利用实测数据的重建结果表明,GPS地面台网和掩星观测结合的电离层层析可以获得电离层电子密度在高度-纬度-经度-时间四维空间中的变化.重建结果清晰地显示了磁暴期间电离层负相暴效应,表明结合GPS地面台网和掩星观测的时变三维电离层层析可以有效地监测扰动条件下的大尺度电离层结构.

电离层三维层析成像的自适应联合迭代重构算法

在电离层层析成像过程中,联合迭代重构算法是一种常用的反演算法.然而,该算法迭代收敛较慢,反演结果精度不高.为此,本文发展了一种自适应的联合迭代重构算法,该算法利用上一轮的电离层电子密度反演结果,自适应地调整松弛因子和加权参数.通过模拟数据和实测数据对该算法的反演结果进行了验证,并将得到的反演结果与电离层测高仪数据进行了比较,结果表明,该算法能够有效地反演电离层电子密度,且反演结果精度优于常用的联合迭代重构算法.

一种基于截断奇异值分解正则化的电离层层析成像算法

提出了一种基于截断奇异值分解正则化(Truncated Singular Value Decomposition,TSVD)的电离层层析成像算法.该算法选择球谐函数与经验正交函数作为表征电离层电子密度空间变化的基函数,以降低背景模型对层析成像的影响;利用广义交叉验证法来选择合适的截断参数,提高了算法的稳定性和反演精度.基于中国区域23个观测站的电离层层析成像仿真结果表明:与乘法代数重构算法(Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique,MART)相比,基于TSVD正则化的电离层层析成像算法能够在不需要背景电离层电子密度作为先验条件的情况下,实现电离层电子密度的有效反演.

顶部电离层和等离子体层电子密度分布--基于GRACE星载GPS信标测量的CT反演

本文利用两颗跟飞的GRACE卫星载GPS信标测量数据和基于差分相对TEC的层析算法,实现了全球范围的顶部电离层和等离子体层（450～5000 km）层析成像.反演结果表明,利用低轨道卫星载GPS信标测量数据可以有效地重建顶部电离层和等离子体层的全球二维分布图像.对不同地磁活动条件下的天基层析反演结果表明,等离子体层电子密度随纬度的分布是不均匀的;在低纬赤道带,从顶部电离层向上延伸直到等离子体层,以及等离子体层中局地的电离增强云团,经常出现近似垂直于磁力线的电子密度柱状增强结构.

基于GPS层析反演和斜向返回探测反演的电离层二维电子密度重构

GPS层析反演和电离层斜向返回探测反演可以给出电离层大尺度2维电子浓度分布,该文基于3次电离层垂测、GPS层析探测和斜向返回探测的实验结果,比较了GPS层析反演和电离层斜向返回探测反演得到的大尺度电子密度2维分布。结果表明GPS层析和电离层斜向返回探测都能较好地重构电离层电子密度分布,反映电离层大尺度的空间结构。通过和电离层垂测结果的比较,表明GPS层析和斜向返回探测反演得到电离层F2层最大电子密度和峰高具有较好的精度。

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。

基于广义奇异值分解算法的电离层三维层析模拟

为了研究广义奇异值分解(GSVD)算法在电离层三维层析中的可行性,利用IRI2001模型所提供的电子密度场构建的TEC模拟观测值。根据不同的测站、卫星源和初值,设计了4组模拟实验,利用广义奇异值分解算法反演电子密度。通过对比电子密度的模拟反演值和模拟真值,分析了站点分布、射线数量和初值选取对层析结果的影响。研究结果表明,广义奇异值分解算法理论上可用于电离层三维层析研究。在理想情况下,利用广义奇异值分解算法可较好地重建电离层电子密度三维分布。但当测站分布不好,或有效射线数较少时,重建质量将会受到较大的影响,在实际应用中合理选取初值可较好地重建电离层三维电子密度分布。

三频卫星信标测量TEC方法探讨及数值模拟

针对三频信标高精度探测的特点,开展了部分比较和模拟工作,结果表明采用三频信标获得的TEC精度高于双频信标。电离层CIT成像的结果显示,采用三频信标能够探测出较小尺度的电离层扰动,而双频信标对小尺度扰动的探测结果往往无能为力。

电离层CT变换重建方法中的小波外推技术

电离层ＣＴ技术由于数据采集系统结构的局限性，致使所得数据不完全，伪投影中采样不均匀，频域谱值不完全．若用直接Ｆｏｕｒｉｅｒ方法重建，必须对伪投影采样施以均匀化和在二维频域内进行估值．本文参照已有的Ｆｏｕｒｉｅｒ外推技术，提出小波外推技术．理论分析和重建结果都说明小波外推技术具有较多优越性．

一种时变三维电离层CT算法

提出了利用GPS观测数据获得时变三维电离层电子密度分布的一种CT反演算法。对GPS地面接收台网的合理布设进行了初步的尝试 ,在此基础上 ,利用实际的GPS射线路径和通过IRI90模式计算得到的TEC进行了模拟反演 ,得到了电子密度在一小时内随时间、空间变化的图像。通过与IRI90模式直接得到的电子密度分布图像进行比较 ,证明该算法能重现原始模型中的特征 。

多数据源电离层层析成像方法

卫星信标电离层层析成像(CIT)是一种高度不适定性问题,有限视角、稀疏布站等原因造成电离层CIT数据采集严重不完整,CIT结果精度不高,尤其是垂直误差可达50km以上。为了解决CIT结果精度不高的问题,提出一种融合地面垂测、斜测数据、顶部探测仪数据和三频卫星信标数据的多数据源电离层联合CIT方法。该方法采用建立在实测数据基础上的迭代初值,与实际偏离较小,能够提高CIT反演结果的精度;同时地基设备和顶部探测设备有较高的垂直分辨率,与卫星信标结合能够有效解决有限视角问题,提高CIT结果的垂直分辨率。

电离层层析成像及数值模拟

利用正则化反演法,对电离层层析成像技术进行了数值模拟.模拟结果表明,正则化反演法能够准确反演出电离层赤道异常的电子密度分布.对正则化反演误差的原因进行了分析,定义了代表重建结果精度的参数并研究其随信号数量的变化,结果显示造成反演误差的主要原因是信息量不足,在提供充足的数据条件下,正则化反演法能够得到很高精度的重建结果.数值模拟实验进一步证明了电离层层析技术在反演电离层电子密度分布中有很大的应用价值.

一种联合地基GNSS和测高仪数据的电离层层析成像新算法

电离层层析成像(computerized ionospheric tomography,CIT)技术是获取区域大范围电离层三维结构非常重要的手段之一.针对单独使用地基GNSS进行三维CIT的不足,提出了一种联合地基GNSS和测高仪数据的三维CIT方法,其综合了测高仪探测电离层垂直分辨率较高和地基GNSS水平分辨率较高的优点,以测高仪数据驱动更新IRI模型,将更新后的IRI模型作为背景电离层模型,再利用改进的代数重建迭代(algebraic reconstruction technique,ART)算法结合地基GNSS TEC数据进行CIT;基于IGS、中国陆态网地基GNSS台站及全球电离层无线电观测网(global ionospheric radio observatory,GIRO)测高仪数据实现了中国及周边区域三维CIT,分别采用Madrigal TEC数据和中国区域独立的测高仪数据对CIT获取的TEC和电子密度进行评估.TEC精度评估结果表明,CIT算法的TEC平均误差和标准差相比IRI模型及CODE GIM数据均有明显降低;电子密度评估结果表明,单纯依赖地基GNSS进行CIT可以提升foF2的精度但无法有效提升hF的精度,而联合测高仪数据后,电离层foF2和hF的重构精度均有明显提升,其中hF的平均误差和标准差从20.6 km和16.5km下降为14.8 km和11.7 km,说明测高仪数据对CIT垂直分辨率的提升作用明显.

一种融合测高仪与地面GPS数据的单站电离层反演方法

电离层层析成像技术非常适用于检测电离层电子密度的大尺度空间分布及其扰动。利用地面单站的GPS TEC值和另一站的数字测高仪观测数据,结合国际参考电离层(IRI),利用MART算法反演得到测站上空电子密度的垂直分布。利用白天和夜间的实测数据进行了CIT反演,结果表明了该方法的可靠性。

低仰角射线对电离层CT成像的影响分析

电离层层析成像(Computerized Tomography,CT)是一个有限视角问题,水平射线的缺失造成CT结果垂直分辨率的严重下降.很多人直观地认为低仰角射线可以弥补水平射线的缺失,然而本文的理论分析和数值模拟研究结果表明,低仰角射线对CT结果的影响十分微小,其无法弥补水平射线缺失所带来的垂直分辨率的下降.模拟结果显示,增加低仰角射线前后CT反演结果几乎没有变化;而去掉680条低仰角射线和高仰角射线后,CT反演结果差别巨大;去掉680条低仰角射线的CT结果与模型吻合很好;去掉680条高仰角射线的CT反演结果失真严重,几乎无法恢复模型的扰动特征.

一种基于地球同步轨道SAR的电离层电子密度反演方法

基于星载合成孔径雷达(SAR)的电离层层析是一种新兴技术,可有效反演三维空间中电离层电子密度。当前基于星载SAR的电离层层析方法都是基于低轨星载SAR数据,但受到重访时间和覆盖范围的限制无法实现大范围空间实时三维电子密度反演。文中提出了一种全新的基于地球同步轨道SAR(GE0 SAR)数据的电离层层析方法。首先,获得受到时变大气层影响的GEO SAR回波数据。其次,提出一种基于距离向子带划分和方位向划分子孔径的电离层电子量(TEC)反演方法,基于TEC反演结果,提出了一种全新的基于GEO SAR的电离层电子密度反演方法,可实时反演大空间范围电离层电子密度。最后,基于实测数据验证了所提方法的正确性。

地磁静日北半球电离层电子密度的反演

利用北半球IGS观测站提供的150个GPS观测资料,结合三维电离层层析方法,反演了平静日下北半球上空电离层电子密度的变化特征。结果表明:整个研究区域电子密度在不同纬度和不同高度上存在明显的日变特征,在0°经度剖面上,电子密度最大值出现在世界时13～15时,随着时间推移,峰值幅度衰减;在北纬20°附近,世界时11～13时电子密度出现双峰值;北纬50°～80°范围,电子密度无大的起伏;反演结果说明了电离层三维层析技术为监测电离层时空结构提供了一种强有力的实验支持。

基于混合罚函数法的多尺度电离层层析确权方法

在利用GNSS进行像素基电离层层析时,多尺度层析方法利用权重因子将反演区域不同像素层析模型结合在一起,最终得到电离层电子密度反演结果,可以有效地解决电离层层析过程中不适应问题和最终的电离层电子密度失真现象。在多尺度电离层层析中,不同像素尺度层析模型之间权重是影响最终的电离层电子密度精度的重要因素。为了获得高精度电离层层析模型,考虑到权重因子存在着等式和不等式限制条件,采用解决最优化问题的罚函数法确定不同像素尺度电离层层析模型之间的权重。通过采用实测GNSS观测数据进行电离层多尺度电离层层析,对比了多尺度层析模型的各个子模型建模精度并进行分析,同时将罚函数法获得的模型精度与其他确权方法进行了对比,该方法可以有效地应用于多尺电离层度层析,且最终的层析模型精度优于其他确权方法,更优于单尺度电离层层析模型精度。