一部培养空间物理人才的好教科书--读<电离层物理概论>

在信息时代的今天,无时无处不涉及到电离层的知识．因为在现代无线电通讯（包括短波和卫星通讯）、广播、电视和无线电定位等方面都离不开电离层的研究成果．电离层的发现与研究最早可以追溯到１８世纪末期,到２０世纪初已有许多人在探讨大气层中存在反射无线电波的层的可能性．随着科学技术的发展,电离层概念及其科学技术成果的广泛应用,电离层知识已愈来愈丰富和普及,并在人类生活中逐渐占据了重要的位置．尽管我国在电离层的研究方面起步较晚,但发展却很快,并在电离层学科的教学和科研方面作出了引人注目而又颇具特色的贡献．然而…     

电离层模型IRI-2016的NmF2和HmF2参数在平静期的误差分析

国际参考电离层模型IRI(the international reference ionosphere model)是利用全球电离层测站以及卫星观测数据建立的电离层经验模型,并广泛用于电离层研究领域.本文选用2014年地磁暴平静期的IRI-2016模式和电离层垂测仪的数据,对电离层F2层峰值电子密度NmF2和峰值高度HmF2两个物理量,通过IRI模型最新版本(IRI-2016)在地磁环境平静期的误差精度进行评估.根据不同磁倾角范围分别选择5个台站(Juliusruh(54°N,13°E)磁倾角:68.54°,Okinawa(26°N,128°E)磁倾角:37.26°,Jicamarca(12°S,77°W)磁倾角:-0.26°,Port_Stanley(52°S,58°W)磁倾角:-51.20°,Hermanus(34°S,19°E)磁倾角:-64.24°)进行NmF2和HmF2参数对比分析.5个台站中Port_Stanley站的NmF2相关性最差(相关系数0.68),Okinawa站HmF2相关性最差(相关系数0.52),Juliusruh站两个参数的相关性最高(相关系数0.87).以Juliusruh站为例进行白昼、夜晚以及不同季节的分析,可以看出白昼误差明显低于夜晚,相较于分季(春或秋)和冬季,IRI模型在夏季预测效果最好.5个台站的研究结果表明,IRI模型与垂测仪数据具备一致性,IRI模型的值高于实测数据值.     

雷电定位系统云闪定位精度图形因素分析

针对雷电定位系统中图形因素对云闪定位精度的影响,对于一定的信号探测误差,本文定义了位置面交会角及求解的方法,建立了云闪审问定位误差分布平行六面体图形.同时,计算了平行六面体顶点的点位误差.分析了定位点最大误差和位置面交会角的关系,得出雷电探测站地理位置分布的最佳图形.计算表明:云闪定位误差和地面探测站的位置分布以及地面探测站与闪电点构成的空间天系有天,研究结果可用于探测网工程设计、定位数据处理与精度分析.     

电离层暴和行扰的GPS台网观测与分析

利用局域GPS台网数据,研究强磁暴引发的中低纬电离层暴和行进式电离层扰动(TID)的特征.应用小波技术从含有电离层总电子含量(QTEC)长趋势变化和噪声背景的原始数据中提取微弱的电离层扰动.采用动态极大熵互谱分析方法确定TID的传播参量.通过对2001年两次强磁暴期间电离层暴和TID的分析表明:3月31日磁暴的电离层响应整体表现为正暴相;而4月11日磁暴的电离层响应表现为主相期间正负暴相交替出现,恢复相期间以负暴相为主.两次磁暴主相期间都出现了持续数小时从极区向赤道传播的TID,其主周期为37～41min.幅度平均达1016e·m-2以上,水平传播速度约为372m/s.该结果说明,本文提出的GPS台网和数据处理方法能有效地监测和分析电离层暴和行扰现象.     

电离层对亚暴响应的GPS观测与分析

利用全球定位系统（GPS）台网数据,研究了发生于2001年4月28～29日的三次孤立亚暴事件期间全球不同区域电离层的响应形态.对比分析了不同经纬度的电离层总电子含量（QTEC）对宁静日的偏离形态,讨论了扰动的产生机制并计算了特定区域极光电集流指数（AE）与总电子含量偏移量之间的相关系数,结果表明,孤立亚暴可以引起全球性的电离层扰动,引起垂直QTEC的最大偏离可达20 TECU（1TECU=10^16e·m^-2）以上.亚暴引起的电离层扰动形态与地方时密切相关,也随纬度位置变化.在没有电离层响应相互干扰的情况下,孤立亚暴的发生与电离层扰动具有较强的线性相关性,高纬区呈负相关,中低纬区呈正相关.     

江苏省三维闪电定位系统算法仿真

提出了一种三维闪电定位网的3D-TOA(时差测量定位技术)算法模型,进行了模型仿真和分析.利用江苏省建立的VLF/LF三维全闪电监测定位试验网进行试验,雷电探测的实测数据表明,闪电定位位置和高度与雷达分布图总体一致,水平定位误差小于300m,高度定位误差小于500m.所研究的多站3D-TOA算法可以探测雷暴发生、发展和衰退的过程.     

基于正交矩阵与联合独立滤波机制的无线传感网络信号定位算法

为解决当前无线传感网信号定位算法易受瑞利噪声影响,且其采用的半径扫描旋转定位机制在高衰落信道条件下难以消除定位角度误差,导致定位精度较低的缺陷,本文研究了鉴于正交矩阵联合单一滤波制度的无线传感网信息定位方案:首先,通过基准节点以及有关接收节点的位置关系,构建正交矩阵定位结构,用来接收待测节点发送的信号,并根据接受节点与待测节点的角度,对获取的待测节点子信号进行初步定位,减少接收节点定位待测节点的角度误差;随后,依据接收节点与待测节点的角度估计,构建联合独立滤波机制,采取功率谱密度函数计算定位过程中定位角度的平均估计,从而实现了对角度估计的优化,提高了信号定位精度.仿真实验表明:与JISA算法及NP-CPLA算法相比,本文算法具有较好的抗噪能力,其定位精度与效率更高,而定位误差更低.     

基于信号飞行时间与误差分析的改进无线传感网络Bounding-box定位算法

为提高无线传感网络定位算法的实效性,针对Bounding-box定位算法定位精度不足的问题,提出了基于信号飞行时间与误差分析的改进Bounding-box定位算法。该算法根据累计距离误差,在正方形重叠区域重新划分离散小方格,然后按照累计距离误差最小化准则,选择对应离散小方格的中心点坐标作为待定位节点的定位位置。通过仿真实验表明,提出的改进Bounding-box定位算法,在距离测量精确和小误差情况下,能够明显提高定位精度。此外,真实环境实验表明,在采用信号飞行时间作为距离测量技术的条件下,提出算法的定位误差最小。更多还原     

基于粒子群算法的闪电定位网优化布站

闪电监测网探测站的位置分布对定位精度具有重要影响,如何布置站点使得监测网具有最佳的定位精度是监测网设计时必须考虑的问题.在分析三维闪电定位算法和点位误差的基础上,引入最优化思想,提出了一种优化布站模型.利用粒子群算法能够求解得到该模型的定量化结果,该结果保证了目标监测区域的平均误差最小.在广西壮族自治区三维闪电监测网站点位置分布设计应用中,利用该模型仿真得到定位网内水平误差为200m,误差得到明显降低.本文提出的模型可以为三维闪电监测网合理布置站点提供支撑,能有效提高监测网定位精度.     

武汉GPS台网观测的电离层不规则结构漂移

利用2004年11月上旬强磁暴期间电离层总电子含量（QTEC）和电波闪烁武汉GPS监测台网的观测数据,采用小波去噪和互相关技术,计算了电离层不规则结构的视在纬圈漂移速度.结果表明,在11月10日夜间,各种尺度不规则结构的存在使L-波段闪烁活动与QTEC起伏均显著增强,振幅闪烁指数（S4）最大达到1.0.根据观测台网实测的QTEC变化率（RT）,得到引起闪烁和QTEC起伏的不规则结构沿纬圈向西漂移,漂移速度从午夜前（21：30 BST）的约130 m/s下降到午夜后（02：30 BST）的40 m/s左右.该研究为电离层不规则结构纬向漂移速度的测量提供了一种可行的方法.     

基于改进卷积神经网络的数控机床旋转轴热误差建模方法

为对五轴数控机床旋转轴的热误差进行更精确地预测,解决变工况条件下预测精度不佳与热误差数据获取困难的问题,提出了基于改进卷积神经网络的热误差建模方法.采用激光干涉仪与热成像仪采集不同温度下的角度定位误差与热图像,对热误差进行傅里叶函数拟合,将预测目标由不同角度下的热误差转变为拟合函数参数.在VGG网络模型架构上,引入SKNet注意力机制,以提高模型对变工况下的热图像特征提取水平,并采用全局平均池化代替全连接层,以改善过拟合情况.将建立的模型用于热误差预测,结果表明,旋转轴热误差预测RMSE在升温状态下为8.36″,降温条件下为9.57″,预测精度达90%以上,优于普通卷积神经网络模型.结果证实了所提方法在旋转轴热误差建模中的有效性.     

武汉多功能电离层探测系统

武汉大学电离层实验室研制的短波电离层探测系统是一部单站雷达,发射长编码调相脉冲串信号获得高脉冲压缩增益,并在脉冲间隔期间接收回波.在系统中加入了高精度频率源和GPS接收机,以实现系统间的频率和时间同步.单台系统可用于单站斜向返回探测和垂直入射探测,两台系统配合工作可实现双站斜向返回探测和斜入射探测.经多次实验得到了高质量的单站和双站斜返电离图、斜测电离图和垂测电离图.     

电离层断层成像数值模拟

将计算机断层成像(CT)技术用于电离层探测,可以得到电离层垂直剖面大尺度的电子浓度分布。根据电离层cT有限投影角度和稀疏接收站的实际探测条件,提出了增加接收站观测数据及扩展投影角度的方法。在迭代过程中对重建结果引入了最平稳解约束,以此构造了一个能量函数,在迭代过程中结合模拟退火方法,求得全局最优解。     

我国中纬地区电离层总电子含量的一个经验模式

由新乡（３５．３°Ｎ，１１３．９°Ｅ）１９８１～１９８５年观测日本同步卫星ＥＴＳ－Ⅱ的总电子含量（ＴＥＣ）资料，利用付里叶分析方法得出了表示我国中纬地区上空电离层总电子含量的经验模式．ＴＥＣ模拟与观测资料的比较表明其误差范围在５％～２０％之间变化．     

一种基于多普勒效应的拟牛顿室内定位算法

针对现有室内定位方法,根据目标节点在运动过程中与参考信标节点间产生的多普勒效应,得到一种距离差测量方法,避免了对目标节点与信标节点间时钟同步的要求.为实现此距离差定位,提出了一种基于拟牛顿法的室内定位算法.随机选取初始猜测值,得到一个测量点的距离差信息,由此迭代得到单个测量点坐标,再将所有测得的相对位置坐标进行整体迭代并调整初始位置,直到得到稳定的初始位置,实现定位.Matlab仿真结果表明,在信噪比SNR=10时,定位误差不超过0.5m.同时,为提高定位速度和成功率,尝试用粒子群算法求初始猜测值,进一步提高算法的性能.     

采用改进PI迟滞模型的压电微夹钳前馈控制

为减小压电微定位平台的迟滞误差, 设计前馈控制器对其进行控制. 首先在使所建平台迟滞模型精度达到要求并使各阈值点精度相同的情况下, 对平台迟滞模型的阈值进行优化, 得到满足模型精度要求的最小算子数, 进而建立了平台的PI(Prandtl-Ishilinskii)迟滞模型通过对所建迟滞模型求逆, 设计出平台的前馈控制器; 最后在所设计的前馈控制作用下, 使平台达到5μm理想阶跃值的响应时间为0.01s稳态误差中线的变化范围为0.40~0.50μm 当期望平台输出最大值为17μm变幅值三角波位移时, 实测位移相对于理想位移的误差中线变动范围为1.15~ -0.05μm. 所设计前馈控制器可有效减小压电微定位平台的迟滞误差.     

基于多输入多输出被动式室内定位算法研究

随着定位技术的不断发展,如何实现室内精确定位逐渐成为研究的热点.在复杂的室内环境下,信号的传输受到各种因素的影响,将会产生多径效应,进而影响定位效果.通过利用通用设备的多输入多输出(MultipleInput Multiple-Output,MIMO)系统特性及室内多径效应,采用信道状态信息(Channel State Information,CSI),设计被动式室内定位方案,从而达到室内被动式定位功能.实验结果表明:对比相应的基于接收信号强度(Received Signal Strength,RSS)方案,本文提出的方案具有较低的定位误差.     

基于阈值优化迟滞模型的压电微定位平台前馈控制

为减小压电微定位平台的迟滞误差, 设计前馈控制器对其进行控制. 首先, 在所建平台迟滞模型精度达到要求并使各阈值点精度相同的情况下, 对平台迟滞模型的阈值进行优化, 得到满足模型精度要求的最小算子数, 进而建立平台的PI (Prandtl-Ishilinskii)迟滞模型. 接着, 通过对所建迟滞模型求逆, 设计出平台的前馈控制器. 最后, 在所设计的前馈控制作用下, 平台达到5 μm理想阶跃值的响应时间为0.01 s, 稳态误差中线的变化范围为0.40~0.50 μm; 当期望平台输出最大值为17 μm的变幅值三角波位移时, 实测位移相对于理想位移的误差中线变动范围为－1.15~ －0.05 μm, 所设计前馈控制器可有效减小压电微定位平台的迟滞误差.     

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.     

电离层行扰的GPS台网监测

利用分布在武汉、安陆、荆州三地的全球定位系统(GPS)接收机组成局域GPS台网，监测中国中低纬地区电离层行扰(TID)现象．基于小波变换的多分辨分析特性与Mallat算法，给出了从垂直总电子含量(QVTEC)的时间变化曲线中提取电离层扰动的算法．并通过一个观测实例，说明了利用该方法可以有效地从QVTEC时间变化曲线中去除由卫星运动和电离层日变化等因素引起的日变化趋势，进而提取出短周期的电离层扰动．分析结果表明，本文提出的GPS组网方式和数据处理方法在中国中低纬地区TID监测中具有广阔的应用前景．