基于2007-2013年COSMIC掩星数据的电离层振幅闪烁研究

利用2007-2013年的COSMIC掩星数据，分析了E区与F区电离层闪烁的变化特征.发现用闪烁出现频次、闪烁发生率以及闪烁强度来表征的电离层闪烁出现规律比较相似.E区电离层闪烁在夏季半球的中纬地区最强，其次是春秋季的低纬地区和冬季半球.就经度分布来说，春秋季E区电离层闪烁呈四波结构.对F区电离层闪烁来说:南美-大西洋扇区在12月至点最为显著；非洲和太平洋扇区在6月至点最为显著；大西洋扇区在春秋分季最为显著.极区也出现中等强度的闪烁，尤其在南半球的90°E~180°E扇区较为显著.高纬E区电离层闪烁强度随太阳活动的增强而增强，而低纬和南半球的中纬E区闪烁随太阳活动的增强而减弱.高纬和低纬F区闪烁随太阳活动的增强而增强，而中纬F区电离层闪烁对太阳活动无显著依赖关系.对于赤道区来说，北半球60°W~60°E经度区闪烁强度随太阳活动的变化最为显著，其次是南半球60°E~210°E附近；而对于高纬地区来说，F区闪烁强度随太阳活动的变化最为显著的区域在南半球60°E~210°E附近.     

多站多路径GPS信号研究低纬电离层不均匀体

发展了GPS信号的多站多路径监测方法,对我国低纬地区电离层不均匀体特性进行了研究.多站观测统计分析表明,尽管太阳活动已下降到中等程度,但电离层闪烁现象在位于赤道异常区的海口、广州等低纬地区仍经常发生,尤其在二分季前后闪烁发生率明显增大,且闪烁强度较大;通过GPS信号的多站多路径监测还发现,电离层不均匀体在东经105°～120°间,北纬27°以南区域出现频繁,而且在北纬23°以北区域的不均匀体易衰减并首先消失,在北纬20°～23°间区域内则会持续较长时间;进一步分析其闪烁功率谱,计算出了不均匀体的东向平均漂移速度.     

利用COSMIC掩星数据分析电离层扩展F层现象

利用2009年的COSMIC掩星观测数据,分析电离层扩展F层不均匀结构引起的GPS卫星C/A码信噪比闪烁,研究全球范围内扩展F层的出现随地理位置、地方时变化的统计特征。初步分析结果表明,扩展F层在3月份主要出现在低纬地区和两极地区,主要发生在地方时日落至午夜之间,有时可延至午夜后数小时。本文结果和以往利用其他观测手段获得的结果较为一致,说明GPS掩星技术可以作为观测全球扩展F层的一种有效手段。     

地基GNSS和天基掩星观测对全球电离层数据同化效果的影响分析

电离层的精确现报预报对装备系统效应减缓及空间科学研究均具有重要的应用价值. 地基GNSS和天基掩星是电离层数据同化最为重要的数据来源之一。通过观测系统仿真试验（observation system simulation experiments,OSSE）对四种不同的观测系统条件下的全球电离层数据同化效果进行了定量分析,数据同化的总电子含量（total electron content, TEC）及三维电子密度参量技术得分(skill score, SKS)的评估结果表明:1)观测构型对数据同化现报和预报精度均具有重要影响。2)仅仅同化地基GNSS数据,其同化的TEC精度相比背景模型会有较明显的改善,TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别为0.45、0.39、0.32和0.25;但电子密度的现报和预报结果相比背景模型的改善则相对有限,电子密度现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS仅为0.05、0.04、0.03和0.02;通过融合掩星观测数据,其电子密度的精度会有明显提升。3)在掩星卫星数量较多且观测数据的覆盖性较好的条件下,仅同化掩星TEC观测数据就可以获得准确的TEC和电子密度现报与短期预报结果;大规模掩星星座的观测比仅利用地基GPS观测进行同化,其TEC现报、提前1 h预报、提前2 h预报和提前3 h预报的SKS分别提高了0.2、0.17、0.14和0.12;电子密度SKS分别提高了0.39、0.35、0.28和0.22,电子密度SKS的提升幅度要优于TEC。4) 现有的观测系统布局对中低纬区域的数据同化精度的提升效果要优于高纬区域;5) 随着预报时间的增加,数据同化的精度呈现下降的趋势. 随着未来微小卫星数量的快速增加,天基掩星观测将对电离层状态的精确表征产生不可估量的作用,相关研究可为我国天地基电离层观测系统的设计和构建提供技术参考.     

运动着的电离层不均匀体的观测研究

在电离层斜向探测试验中,得到了具有“微笑”特征的群距离多普勒谱图,基于简单的几何形状,构建了运动着的电离层不均匀体反射/散射电波的理论模型,给出了该模型下群距离多普勒谱图的仿真结果. 通过改变模型参数,得到的仿真结果和实测结果很好地吻合,证明了“微笑图”现象起因于运动着的电离层不均匀体这一解释的合理性,估计出了电离层不均匀体的运动速度.     

基于COSMIC掩星观测的顶部电离层标高特征分析

顶部电离层是指F2层电子密度最大值所在高度以上的电离层区域。掩星观测能够提供地面到低轨卫星轨道高度处的整个电离层电子密度剖面,对于顶部电离层的研究具有重要作用。标高是构建顶部以上电离层电子密度剖面模型的重要参数。本文使用2007—2020年的气象、电离层和气候星座观测系统(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate, COSMIC)掩星观测数据,提取有效电子密度剖面数据的顶部标高,分析了其随地方时、季节、经纬度和太阳活动水平的变化特性。结果表明：顶部标高具有明显的日变化和季节变化规律,并且表现出强烈的太阳活动依赖性;顶部标高在纬度上的变化强烈依赖于地方时,同时在东西经向上表现出明显的波状结构,且这种经度波状结构在南北半球具有不同的形态;顶部标高在夏季半球具有显著的东西经向差异,南半球夏季更为明显。     

电离层闪烁模型中的不均匀体强度建模

不均匀体强度模型是电离层闪烁建模的重要组成部分.参考国外电离层闪烁建模的思路, 利用海口地区2003年至2008年的GPS闪烁观测数据建立了中国低纬地区电离层闪烁不均匀体强度模型, 并对模型精度进行了分析.利用2003年至2008年海口地区GPS闪烁数据进行的模型精度分析表明, 模型误差为无偏正态分布, 误差方差为0.44.利用2013年海口地区和广州地区GPS闪烁数据进行的模型精度分析表明, 模型误差基本保持无偏的正态分布特征, 误差方差为0.42.利用国外模型进行同样的精度分析, 其误差均值为0.33, 方差为0.99, 且为有偏分布.由此表明, 建立的闪烁强度模型在中国低纬地区具有良好的适用性.     

基于地基GNSS和COSMIC掩星数据吸收的三维电离层电子密度重构方法

精确给出电离层的实时变化信息对现代通信和卫星导航等系统可靠应用具有非常重要的意义.为提高电离层经验模型电子密度的输出精度，提出了一种基于地基GNSS和COSMIC掩星数据吸收的三维电离层电子密度重构的新方法.以最新版国际参考电离层模型IRI-2016为背景模型，选择IG指数与Rz指数作为驱动量，采用Brent算法分两步实现了地基GNSS和COSMIC掩星数据的吸收.与欧洲区域8个垂测站实测数据的对比表明:数据吸收后模型重构的电离层N_mF₂的绝对平均误差和标准差分别下降了33%和29%；电离层h_mF₂的重构误差则分别下降了约55%和30%.对比结果验证了所提方法的精度和有效性.     

电离层不均匀性对GPS系统的误差影响分析

在ＧＰＳ定位误差分析中，对电离层误差大多只考虑了折射效应，采用双频技术即可消除折射一阶项的影响，更进一步的误差分析通常是考虑电离层折射的高阶项（主要是二阶项）。但均未考虑电离层不均匀性对ＧＰＳ系统误差的影响。本文根据波在电离层随机介质脉冲平均到达时间的理论结果，对ＧＰＳ信号穿越电离层的情况进行了模拟计算，在得出了典型背景电离层参数条件下折射一阶项、二阶项引起的ＧＰＳ信号延迟误差的基础上，重点讨论了     

Global morphology of ionospheric scintillations

Amplitude fluctuations produced by small irregularities in electron density in the F layer of the ionosphere can be a problem to communication and navigation systems in the very-high frequency-ultra-high frequency (VHF-UHF) range. Recent measurements are shown with emphasis on high and equatorial latitude observations. At high latitudes an irregularity region exists whose lower boundary reaches 57° invariant latitude near midnight. During magnetic storms the boundary descends to lower latitudes and the fading becomes deeper. Over the polar cap scintillations are somewhat diminished. Observing synchronous satellites through the irregularity region, deep fading is seen frequently with fade rates to one per second. Irregularities produce deep scintillations in the VHF range ±15° from the geomagnetic equator. In equatorial regions maximum occurrence of high level scintillations takes place between 2100 and 2400 during the equinoxes; a minimum occurrence is observed in the solstices. The data for various latitudes have been placed in statistical form, i.e., distribution of amplitudes for 15-min samples as well as for periods of one year and longer. To minimize the effect of this phenomenon on satellite transmissions, the systems designer can utilize the amplitude distributions, fading rates, and depths in designing his modulation.     

Global morphology of ionospheric scintillations

Starting with post World War II studies of fading of radio star sources and continuing with fading of satellite signals of Sputnik, vast quantities of data have built up on the effect of ionospheric irregularities on signals from beyond the F layer. The review attempts to organize the available amplitude and phase scintillation data into equatorial, middle-, and high-latitude morphologies. The effect of magnetic activity, solar sunspot cycle, and time of day is shown for each of these three latitudinal sectors. The effect of the very high levels of solar flux during the past sunspot maximum of 1979-1981 is stressed. During these years unusually high levels of scintillation were noted near the peak of the Appleton equatorial anomaly (∼ ±15° away from the magnetic equator) as well as over polar latitudes. New data on phase fluctuations are summarized for the auroral zone with its sheet-like irregularity structure. One model is now available which will yield amplitude and phase predictions for varying sites and solar conditions. Other models, more limited in their output and use, are also available. The models are outlined with their limitations and data bases noted. New advances in morphology and in understanding the physics of irregularity development in the equatorial and auroral regions have taken place. Questions and unknowns in morphology and in the physics of irregularity development remain. These include the origin of the seeding sources of equatorial irregularities, the physics of development of auroral irregularity patches, and the morphology of F-layer irregularities at middle latitudes.     

海南地区电离层闪烁监测及初步统计分析

介绍了中国在极区的电离层闪烁观测研究工作, 通过对Sodankylä和Tromsø两个观测站2004年3月至2008年9月期间的电离层闪烁观测数据的统计分析, 给出了太阳活动低年该地区电离层闪烁的变化特征:随着太阳活动程度的降低, 闪烁事件明显减少; 由于极区与低纬地区电离层闪烁产生机制不同, 极区闪烁形态主要表现为相位闪烁, 幅度闪烁很少; 极区闪烁不只是发生在地方时的晚上, 白天也会有闪烁出现; 并且, 极区闪烁对季节没有明显的依赖关系, 可发生在任何季节; 但是, 极区闪烁事件对地磁活动存在明显的响应.     

掩星观测中电离层延迟对LEO卫星轨道误差的响应

从Haselgrove和Budden方程出发，模拟了GPS信号在电离层中的传播过程，利用GPS/MET实验中5组GPS和LEO卫星的实际轨道，分别模拟了无LEO卫星轨道扰动和有轨道扰动情况下的GPS信号在电离层中的传播，并生成了对应的电离层延迟量，以同步生成的模拟精度序列为参照，就掩星观测中电离层延迟对LEO卫星轨道误差的响应程度进行了估计和分析，初步结果显示：在掩星观测中，电离层延迟对LEO卫星轨道误差的响应比中性层延迟要弱得多，这可能同采用了电离层掩星观测的采样频率比中性层采样频率低两个数量级的技术手段有关。     

利用无线电掩星观测数据反演大气水汽剖面

准确掌握地球低层大气中的水汽分布，了解水汽变化趋势对天气现象的研究、数值天气预报具有重要的理论研究及实用价值。以无线电掩星技术为基础，利用掩星数据反演大气水汽剖面。详细阐述通过线性迭代方法，反演对流层下部水汽廓线的原理。对常用的掩星数据做了概括性介绍，利用实际掩星数据反演得到了近地面水汽的垂直分布廓线，并给出了反演个例。通过反演的水汽廓线与模式以及实际探空资料进行对比，表明在大多数情况下，由大气折射率反演获取水汽剖面的正确性。针对初始温度和反演上边界的问题进行了研究，分析了不同温度及不同上边界条件下水汽剖面反演可能受到的影响，指出了线性迭代方法反演水汽垂直分布中存在的问题。     

山基无线电掩星模拟

利用3维射线追踪技术模拟山基(或机载)无线电掩星,研究掩星事件出现的时间、方位角和掩星事件持续时间;详细研究了大气边界层水汽和温度变化对掩星观测高度、相位时延的影响;从CHAMP掩星观测结果分析,得到了地形对掩星观测高度有重要影响的新结论.研究结果对于解释大气边界层掩星观测信号中断和掩星观测高度变化是非常有益的.     

我国中低纬地区电离层foE经验模型初步研究

利用电波环境观测网中低纬地区（以满洲里、重庆、昆明、海口为例）电离层f_oE数据,参照前人工作,分析了f_oE月中值与太阳活动指数、太阳天顶角的变化关系,建立了我国中低纬多个地区的f_oE月中值经验模型. 结果表明:f_oE月中值与F_10.7存在很强的相关性（相关系数大于0.9）;与正午太阳天顶角余弦存在反相关性(相关系数绝对值大于0.7);与实测数据对比发现本文模型计算值标准偏差小于0.1 MHz,优于国际参考电离层(international reference ionosphere, IRI)模型。本文研究对于IRI模型改进与我国区域电离层经验模型研究建立具有重要意义.     

软件无线电在电离层电波探测中的应用

提出了应用软件无线电发展新的电离层电波探测技术，开发新一代电离层电波探测设备的思想，并针对广泛使用的电离层探测设备数字测高仪，详细讨论了软件化数字测高仪的系统结构、特色和可行性。结果表明：发展新的软件化电离层电波探测设备的理论和技术条件均已成熟，它所具有的开放性和灵活性，能更好的满足二十一世纪电离层空间大气研究的需要。     

电离层沿场不规则体几何散射模型

电离层沿场不规则体散射具有很强的方向性,利用其进行甚高频(Very High Frequency,VHF)频段超视距通信时,需要准确可靠地确定散射轨迹以及地球上可接收散射信号的范围.文章基于电离层不规则体沿场散射的特点,分析了入射波、散射波及散射点地磁方向之间的几何关系,提出了一种电离层沿场不规则体散射几何分布模型.运用该模型对高中低纬度地区不同高度的电离层沿场不规则体散射进行了计算和分析,并将计算结果与已有文献中的数据结果进行了对比,结果比较一致.该模型能够计算电离层沿场不规则体VHF频段可接收信号的散射轨迹,为VHF散射通信链路的设计、布站提供了依据和技术指导.