电离层闪烁模型

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电离层闪烁对卫星导航系统性能影响的仿真分析

统性能影响的仿真分析
刘钝，卫民，甄冯健，忠新，宝田邓马
（国电波传播研究所，东青岛２６０）中山６１７
摘要：电离层闪烁是影响卫星导航系统定位性能的重要因素之一。通过仿真方法对中
因此，离层闪烁的影响是卫星导航系统应用电领域关注的一个重要问题。电离层闪烁的影响可
卫星导航接收机接收信号的载噪比ＣＮ。可／由如下模型获得
Ｃ／。Ｃ＋Ｂ＋Ｇ。Ｌ一（＋ＩＮ一＋Ｎ。）（）１
烁严重时会引起接收机环路的失锁，其是载波跟尤
型，出电离层闪烁参量（闪烁指数Ｓ）给如４随时间、
季节、地理位置的变化分布，真分析卫星导航系仿
统性能受电离层闪烁影响的分布特性，并作为闪烁
重要因素之一。电离层闪烁对卫星导航系统的影
高发区，此，对我国区域开展电离层闪烁对卫因针
星导航系统性能的影响研究具有重要意义。在电离层闪烁对卫星导航系统影响的仿真中，
建立闪烁情况下的接收机环路误差模型，仿真分析
式中：Ｃ为接收机天线端接收到的最小信号强度，
通过对闪烁期间用户接收机定位性能的变化进行

[整理]中国电波研究简史.

简要回顾了我国电波传播研究从1936年到2007年，约70年的发展概况。

全文分为我国学者早期的一些出色研究贡献、电离层结构探测、对流层结构探测、电离层传播特性研究、对流层传播特性研究、长波和超长波传播研究、地面地下和水面水下传播特性研究、特殊媒质中的传播研究、计算电磁学在电波传播中的应用等部分。

1 引言我国最早的电波传播试验是1936年，梁百先教授等在上海进行的，观测日食对电离层的影响。

1937年，桂质庭教授开始在武汉大学开展电离层常规观测。

1944年，重庆站开始了日常的电离层垂直探测。

从1936年算起，至今正好70年。

电波传播研究在我国大规模地开展，是在1949年新中国成立后。

更严格地说，是在1956年，中央提出向科学进军的号召之后。

这一年，制订了《十二年科学技术发展规划》。

电波传播研究列入了国家的科研规划，在吕保维先生领导下，正式成立了电波传播研究室。

武汉大学，西北电信工程学院，成都电信工程学院等高等学府，正式地培养电磁波和电波传播专业人才，成立了相应的电波传播研究机构，从此电波传播研究才在我国大规模地开展。

在这70年的历史长河中，1962年中国电子学会电波传播分会的成立，1965年中国电波传播研究所的建立，1986年《电波科学学报》的正式发行，都有力地推动和促进了我国电波传播事业的发展。

电波传播研究的发展，和整个科学技术的发展密切不可分。

大致可以划分为，20-30年代以远距离通信为目标的，研究短波电离层传播时代；40-50年代超短波、微波技术兴起，电波传播进入了对流层传播研究期，研究各种类型的散射传播现象，以达到微波超视距传播的目的；50年代后期，人造卫星上天，卫星通信出现，电波传播研究围绕地空电路传播，开展了用卫星信标研究整个大气层的时代；70-80年代以来，计算机技术飞速发展，特别是微型机的出现，带动了计算电磁学的发展，从而给电波传播提供了一种极其有力的研究方法和工具。

传统的电波传播研究只有试验和理论分析两种方法。

天基电离层探测体系与电离层闪烁预报模型研究

天基电离层探测体系与电离层闪烁预报模型研究随着我国卫星通信、雷达、北斗卫星导航等系统的发展与应用,对全球电离层探测与中国区域电离层闪烁预报预警能力需求日益迫切,然而国内面向工程业务应用的大区域电离层闪烁发生概率预报模型研究还比较薄弱,因此,研究全球电离层探测体系,以实现天基电离层探测,积累全球电离层观测数据,进而建立电离层闪烁中长期概率预报模型,将具有非常重要的研究意义以及应用价值。

基于该考虑,本论文着重于从三个方面开展了相关研究：(1)天基电离层探测体系研究。

(2)天基电离层载荷测试与数据处理技术研究。

(3)电离层闪烁发生概率中长期预报模型及应用研究。

首先对天基电离层探测体系论证设计方法进行了一些有益的探索与尝试。

第二章中分析了天基电离层探测需求；对天基电离层探测任务论证过程进行分析与探索,可为我国天基电离层探测系统研究与建设提供一点思路。

第三章,研究分析了天基三频信标电离层载荷测试技术,以及其它几种载荷的电离层数据处理技术。

基于地空无线电链路的电离层探测载荷性能的测试检验是一个有待解决的问题。

提出的三频信标测量系统半实物半模拟测试验证方法是一种可行的技术解决方案。

此外,也验证了基于星载DORIS接收机观测数据的电离层TEC反演算法,并分析了其精度。

最后是整个研究工作重点,针对国内外电离层闪烁预报研究与应用核心技术之一,基于国内现有观测数据,开展中国低纬地区电离层闪烁发生概率中长期预报模型研究工作,并获得了几个新发现。

(1)分析了中国低纬地区电离层不均匀体的功率谱指数的统计特性。

发现年平均谱指数p随时间存在规律变化,呈双峰变化趋势,最高峰位于午夜前22点至23点左右,午夜后下降至谷底,随后谱指数再次上升,在午夜后2点左右存在第二个谱指数p峰值。

发现春分季节平均谱指数呈单高斯函数结构,而秋季谱指数则呈现双高斯函数结构,秋季午夜后电离层不均匀体结构谱指数存在更大峰值。

首次利用有理数函数对海口站UHF频段年平均谱指数p进行数学建模。

国际参考电离层模型

国际参考电离层模型国际参考电离层模型（International Reference Ionosphere，IRI）是国际电离层科学联合会（International Union of Radio Science，URSI）提出的标准化电离层参数模型。

它是一个计算机程序，可以根据地区、时间和太阳活动水平等变量，预测电离层的各种物理量，如电子密度、电离度、总电子含量等。

IRI在地球科学和无线电通讯等领域广泛应用。

IRI的发展历史可以追溯至上世纪50年代初。

当时，无线电通讯的发展迫切需要可靠的电离层参数模型。

该模型由一组在电离层物理学及电离层测量领域具有丰富经验的科学家开发。

自1978年以来，IRI的版本更新不断，现在已经发展成为全球通用的电离层参数模型。

IRI的计算基于地球表面的任意经度和纬度。

它的输入参数包括地球表面的位置、天顶角、季节、太阳活动指数和月相等。

此外，用户还可以自己输入一些其他特定的参数，如太阳风速度、太阳能量谱等。

IRI的输出包括电离层的密度、电离度和总电子含量等重要参数。

这些参数对于电离层通信、导航、遥感等应用至关重要。

例如，积累的总电子含量可以用于定位和导航系统，电离度等参数可以用于无线电通讯系统实时网络调整。

然而，IRI并不是一个完美的模型。

在某些特定情况下，它的预测可能会与实际情况不符。

例如，当太阳活动高时，电离层的垂直延迟可能会比IRI预测的值更大。

因此，用户需要谨慎使用IRI的输出结果，并在必要时结合实际情况进行调整。

总的来说，IRI是一个重要的电离层参数模型，它在无线电通讯、导航、遥感等领域中具有广泛应用。

随着数据源和模型算法的不断改善，IRI的预测精度将会不断提高。

结合自适应噪声完备集合经验模态分解的深度学习模型在电离层闪烁预报中的研究

结合自适应噪声完备集合经验模态分解的深度学习模型在电离层闪烁预报中的研究尹逊哲;岳东杰;翟长治;陈雨田;程晓云【期刊名称】《甘肃科学学报》【年(卷),期】2024(36)1【摘要】电离层闪烁可能导致通信系统误码率增加和GNSS定位精度下降。

由于电离层闪烁的偶发性,闪烁预报非常困难。

为了提高对电离层闪烁的预测精度,提出了一种综合多种方法的混合预测模型,利用电离层闪烁标签值(S4label)进行辅助,结合“分解-集成”思想的深度学习模型进行预测。

首先采用CEEMDAN算法将原始数据分解为多个子信号,并基于样本熵指标,使用K-Means算法将这些子信号重构为高频、低频和趋势3种信号。

后利用VMD法对高频信号进行二次分解,借助自注意力LSTM模型实现对高低频信号的逐步预测。

实验结果表明,与传统的LSTM 模型相比,混合模型预测精度明显提高。

在地磁平静期,该模型的预测效果得到显著改善,R^(2)、RMSE、MAE、MAPE代表的精度分别提升了32.2%、58.7%、51.2%、44.7%。

因此,该模型能更准确地预测电离层闪烁现象的发生,对电离层闪烁的预测研究具有很好的参考价值。

【总页数】8页(P117-124)【作者】尹逊哲;岳东杰;翟长治;陈雨田;程晓云【作者单位】河海大学地球科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】P352.4【相关文献】1.改进的自适应噪声总体集合经验模态分解在光谱信号去噪中的应用2.一种结合自适应噪声完备经验模态分解和盲反卷积去除脑电中眼电伪迹的新方法3.基于序关系分析法和自适应噪声完备集合经验模态分解法的直升机飞行培训安全风险评估指标权重分析4.基于自适应噪声完备集合经验模态分解与独立分量分析的故障选线法5.基于完全自适应噪声集合经验模态分解与小波变换相结合的GPS/BDS-3多路径误差削弱研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

电离层闪烁对北斗增强系统影响的建模研究

电离层闪烁对北斗增强系统影响的建模研究刘思慧;刘钝【摘要】电离层闪烁严重影响了北斗及其增强系统的性能.为了评估电离层闪烁影响下北斗系统的可用性,需建立闪烁影响下的北斗及其增强系统性能模型,并进行仿真分析.文章系统地建立了电离层闪烁影响下的卫星导航接收机模型、用户定位算法和系统性能模型,利用电离层闪烁模型给出电离层闪烁分布,利用建立的北斗系统性能影响模型,实现对电离层闪烁影响下北斗增强系统性能的可用性分析.利用上述方法,仿真分析了中国中低纬地区强电离层闪烁影响下北斗增强系统的可用性.结果表明:电离层闪烁将引起用户接收机测量误差的增大,对于中国低纬地区而言,强电离层闪烁影响下,存在系统可用性低于95％的性能严重影响区域,北斗系统性能受影响区域与电离层强闪烁的发生区域具有密切关系.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2015(030)001【总页数】6页(P135-140)【关键词】电离层闪烁;北斗系统;增强系统;完好性;可用性【作者】刘思慧;刘钝【作者单位】国防科技大学电子科学与工程学院,湖南长沙410073;北京跟踪与通信技术研究所,北京100094;中国电波传播研究所,山东青岛266107【正文语种】中文【中图分类】TN958.93电离层闪烁是影响卫星导航系统定位性能的重要因素之一.电离层闪烁对卫星导航系统的影响包括三个方面：对接收机内部环路的影响，对接收机定位性能的影响，对卫星导航系统总体性能的影响.电离层闪烁可以造成接收机接收到的卫星信号载噪比的下降，从而影响接收机的环路跟踪精度，闪烁严重时会引起接收机环路的失锁.伪距测量误差的增大，以及卫星信号失锁引起的精度因子（Dilution of Precision，DOP）的增大，将影响用户的定位精度.接收机定位误差的增大将影响系统定位性能的实现，并进一步影响系统完好性、连续性和可用性的实现［1-3］. 由于电离层闪烁对全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）影响的复杂性，及电离层闪烁的时空变化特性，建立GNSS在电离层闪烁影响下的各种模型，通过仿真方法开展电离层闪烁对GNSS的影响研究是一种重要的手段.R.S.Conker，El-Arini，M.B.等人针对南美地区开展了电离层闪烁对广域增强系统（Wide Area Augmentation System，WAAS）的影响仿真分析研究［1］.国内研究人员也针对中国区域电离层闪烁对全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的精度影响进行了仿真分析［2－3］.本文在上述工作基础上，进一步针对电离层闪烁对北斗系统及北斗区域增强系统的影响进行分析.首先建立了电离层闪烁影响下的接收机环路误差模型；在此基础上，建立了用户伪距测量误差模型和用户定位误差模型，并根据完好性和可用性定义建立相应的模型；利用电离层闪烁模型，给出电离层闪烁参量（闪烁指数S4）随时间、地理位置的变化分布，并利用建立的接收机和系统模型仿真分析电离层闪烁对北斗（BeiDou，BD）接收机及北斗区域增强系统（BD Augmentation System，BDAS）性能的影响；最后对电离层闪烁对北斗系统的影响进行总结.1.1 无电离层闪烁情况接收机跟踪环路误差模型BD接收机接收信号的载噪比C／N0可由如下模型描述：式中：C为接收机天线端接收到的最小信号强度，该值可通过北斗卫星导航系统的接口控制文件（Interface Control Document，ICD）［4］获得；B为实际测量值与ICD文件中规定的最小信号强度之间的差值，一般可取为3dB；Ga为天线增益；L为接收机接收通道处理中的信号损耗；N0为噪声功率；I为干扰功率，仿真中不考虑干扰的影响，即I＝0.BD接收机的载波跟踪环路（Phase Lock Loop，PLL）误差σ2φT和伪码跟踪环路（Delay Lock Loop，DLL）误差σ2τ分别为［1］：式中：Bn为PLL环路或DLL环路的带宽；η为接收机预检测积分时间；d为相关器间距；c／n0＝100.1C／N0.1.2 电离层闪烁情况下接收机跟踪环路误差模型1.2.1 载波环路误差模型1）电离层闪烁对接收机PLL的影响包括两个方面［1，5－6］：2）电离层幅度闪烁造成卫星信号载噪比下降，影响接收机载波环路的跟踪性能；电离层相位闪烁造成接收信号的相位抖动，这种抖动可看作一种相位噪声，引起接收机PLL的性能降低.相应的，电离层闪烁影响下的接收机载波环路误差可表示为式中：σ2φS为相位闪烁引起的环路误差；σ2φT为幅度闪烁引起的环路误差；σφ，osc为卫星／接收机频标引起的误差，一般取为0.1rad.1）电离层幅度闪烁影响电离层闪烁影响下，接收机接收的卫星信号为式中：A0，φ0为无闪烁影响时接收的信号幅度和相位；AS，φS分别为闪烁对信号幅度和相位的影响.闪烁影响下的信号载噪比则为幅度闪烁影响AS具有Nakagami-m分布p（AS），因此，幅度闪烁影响下的载波环路误差模型为对式（7）进一步推导化简，可得幅度闪烁影响下的载波环路跟踪误差［1］为S4为幅度闪烁指数.2）电离层相位闪烁影响相位闪烁引起的环路误差σ2φS可通过如下方法建模获得［5］式中：T为相位闪烁谱中1Hz处的谱强度；p为相位闪烁谱的谱指数；Sφp（f）为相位闪烁谱模型，根据Rino工作［7］，电离层相位闪烁谱｜1－H（f）｜2为接收机PLL环路传输函数为k为接收机PLL环路阶数，fn为环路自然频率.式（9）进一步推导化简［1］，得到相位闪烁影响下的载波环路跟踪误差：1.2.2 码环路误差模型电离层闪烁对接收机码跟踪环路的影响主要是由于电离层幅度闪烁造成的卫星信号载噪比下降，影响环路的跟踪性能.参照电离层幅度闪烁对载波环路影响模型的建立方法，可以建立幅度闪烁影响下的码环路误差模型，有式中：S4和η的定义如前；Bn此时为DLL环路带宽.进一步地可以由DLL的误差στ获得以米为单位的伪码测量误差：WB1I＝146.526m为B1频段I支路信号的码元长度.2.1 用户测量伪距精度伪距测量精度采用以下模型估计获得［9－10］：式中：σ2Eph为与星历有关的误差；σ2Ion为BDAS电离层网格修正模型的残差估计；σ2Rvr为接收机测量误差，利用电离层闪烁参量，结合1.2节中的接收机环路模型，可以获得接收机在电离层闪烁情况下的测量误差，σ2Mul为多径误差，σ2Trop为对流层残差；E为卫星观测仰角；F为电离层倾斜转换因子，且有RE和h分别为地球半径和电离层球壳模型的高度（一般取为350km）.2.2 用户定位结果精度用户定位测量的误差方程为用户定位解算采用最小二乘方法获得，解得的定位结果，及定位解的精度估计为［3］：式中：L为观测向量；V为残差向量；X为待求解的未知数；G为状态矩阵，与用户位置和卫星位置有关.W为加权矩阵，可利用式（15）中对每颗观测卫星的伪距测量精度估计获得.2.3 系统完好性性能GNSS增强系统中，通过保护门限（VPL／HPL）与报警门限（VAL／HAL）实现对定位服务可用性的检测.航空应用中，区域增强系统要求在任何时间和地点，定位结果的保护门限应满足［9］：式中：σvert为用户位置误差标准方差在垂直方向上的分量；KV，KH为比例因子，VPL／HPL为垂直／水平保护门限；VAL／HAL为垂直报警门限.对于不同应用（如I类精密进近，二类带垂直引导的进近APV-II，一类带垂直引导的进近APV-I），相应的VAL和HAL参见文献［11］.2.4 系统可用性性能GNSS系统可用性一般是指系统提供可用的导航服务时间的百分比［9，11］.根据上述定义，系统可用性模型采用以下形式建立：即系统可用性为所有满足VPL≤VAL和HPL≤HAL的时间与系统总服务时间的比值.3.1 对BD接收机影响的仿真分析利用1.2节建立的模型，可以获得不同闪烁强度下接收机的跟踪误差.其中，谱强度T和谱指数p通过实测电离层闪烁数据分析获得［7］.仿真中，k取为3，fn取为1.9Hz.PLL环路和DLL环路带宽分别取10Hz和0.1Hz作为典型值.对于BD接收机而言，预检测积分时间η一般为0.02s（BD导航电文的数据比特率为50bps），BDAS接收机为0.002s（BDAS播发信息的数据比特率为500 bps）［4］.图1和图2给出了典型的BD接收机和BDAS接收机在闪烁指数S4为0、0.3、0.6、0.705情况下仿真获得的接收机环路跟踪误差.从图中可以看到，随载噪比的降低和闪烁影响的增大，接收机环路跟踪误差增大.由于BDAS系统播发信息的数据比特率高于BD系统，BDAS接收机的预检测积分时间小于BD接收机的预检测积分时间，因此，BDAS接收机更容易受到电离层闪烁的影响.3.2 对BD区域增强系统性能影响的仿真分析针对APV-II／I应用，仿真分析存在强电离层闪烁情况下，BD区域增强系统用户垂直保护门限、系统可用性的分布.仿真中选定经度60°E～150°E，纬度－10°S～50°N范围的区域，按1°×1°网格进行划分，每个网格点作为已知用户.该区域包含了闪烁影响严重的我国南方低纬地区.太阳活动高年的春秋分及附近时期是强电离层闪烁的高发期，仿真中时间设定为2013年3月26日.电离层闪烁的影响从本地时日落后开始，可以一直持续到午夜以后，仿真中时间取为世界时（Universal Time，UT）10：00——21：00（对应当地时间（Local Time，LT）18：00至第二天5：00）.作为比较，同时仿真了没有电离层闪烁影响下的用户性能分布，仿真时间为2013年7月31日.电离层闪烁指数S4的分布利用全球电离层闪烁模型（Global Ionospheric Scintillation Model，GISM）给出.模型中，F10.7参数取为120，影响频率为1 561.098MHz（B1信号频率）.采用电离层球壳模型假设，用户可视卫星受闪烁影响的程度，由用户至卫星视线路径在电离层球壳穿刺点处的电离层闪烁情况确定. BDAS星历误差估计及σMul、σTrop的取值参考文献［2，9］.电离层网格模型利用欧洲定轨中心（Center for Orbit Determination in Europe，CODE）提供的电离层图来实现［12］.图3给出了没有电离层闪烁发生情况下，APVII用户的垂直保护门限分布，仿真时间设定为2013年7月31日UT15：30.可以看出，没有电离层闪烁发生时，仿真区域内的用户保护门限分布比较平均，一般在15m以内.这是由于BDAS在仿真区域具有较多的可视BD卫星，且仿真时间接近本地时间午夜，电离层延迟影响较小.图4 给出了电离层闪烁存在情况下，中国及周边区域闪烁指数S4的分布UT 2013-03-26 15：36.图5为电离层闪烁发生情况下，APV-II用户的垂直保护门限分布.与图3相比，可以看出：1）中纬地区用户的垂直保护门限没有明显变化.因为电离层闪烁主要发生在低纬地区，对中纬地区用户一般没有影响.因此，BDAS在中纬地区仍可以保持系统可用. 2）在低纬地区闪烁影响区域，存在两个系统APVII服务不可用区域.电离层闪烁影响期间，这两个区域内的用户定位保护门限超限，该区域内BDAS不能实现APV-II应用服务.产生该误差较大区域的原因在于：1）电离层闪烁引起用户接收机测量误差增大.在强电离层闪烁情况下，电离层闪烁可以造成接收机伪距跟踪测量误差增大，进而引起用户定位误差的增大（图2）. 2）电离层闪烁造成用户接收机跟踪卫星失锁.强电离层闪烁（理论上S4＞0.707）可以引起用户接收机的失锁［1］.从图4可以看出，闪烁指数大于0.7的强闪烁区存在，可导致多颗用户空间可视卫星失锁，严重影响定位用DOP值，引起用户定位误差增大.图6 给出了仿真时间段内BDAS APV-II应用服务的可用性分布.可以看出，在我国中纬地区及部分低纬地区，BDAS在电离层闪烁影响下，APVII应用的可用性可以达到95%.在低纬较大区域内，APV-II的可用性低于95%，但存在一条狭长的APV-II可用性较高的区域.这是由于电离层闪烁在电离层异常区（磁赤道南北15°附近区域）影响最为严重，而在磁赤道地区，影响相对较小［13］.低纬地区APV-II可用性较高的狭长区域和不可用区域大致对应于磁赤道地区和北电离层异常区.在东北和西北部分区域，BDAS的APV-II应用可用性较低.这是由于仿真中采用BD系统的真实星历计算空间可视卫星分布，上述两个区域内BD可用卫星的DOP值较大引起定位误差较大.分析并建立了电离层闪烁影响下卫星导航接收机的误差模型.利用电离层闪烁模型，结合接收机模型和卫星导航系统用户定位模型，可以实现电离层闪烁对卫星导航系统定位性能影响的仿真分析，研究评估电离层闪烁对用户定位性能的影响，及受影响的范围分布情况.电离层闪烁造成导航接收机跟踪环路的误差增大，影响接收机的伪距测量精度；电离层闪烁严重时，可以造成接收机的失锁，引起用户定位中DOP的增大.两种因素共同影响用户的定位精度.我国低纬地区的电离层闪烁可以引起用户较大的定位误差，尤其是在太阳活动高年，强电离层闪烁会引起一个区域内用户定位精度的严重降低.仿真分析表明，在受电离层闪烁影响严重的中国低纬地区，北斗及其增强系统性能明显降低，存在区域性的系统完好性、可用性性能降低区域.［1］ EL-ARINI M B，FERNOW J P，HSIAO T，et al.Modeling the Effect of Ionospheric Scintillation on SBAS Availability in the Western Hemisphere ［M］.McLean：The MITRE Corporation，2008.［2］刘钝，甄卫民，冯健，等.电离层闪烁对卫星导航系统性能影响的仿真分析［J］.全球定位系统，2011，36（1）：7-12.LIU Dun，ZHEN Weimin，FENG Jian，et al.Simulation of ionospheric scintillation effects on gnsspositioning performance［J］.GNSS World in China，2011，36（1）：7-12（in Chinese）［3］中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件（公开服务信号B1I，1.0版）［S］，2012.［4］ VAN DIERENDONCK A J.GPS Receivers，in Global Positioning Systems：Theory and Applications［M］.Washington D C：AIAA Inc，1996.［5］ HEGARTY C J.Analytical derivation of maximum tolerable in-band interference levels for aviation applications of GNSS［J］.Navigation，1997，44（1）：25-34.［6］ RINO C L.A power law phase screen model for ionospheric scintillation 1.weak scatter［J］.Radio Science，1979，14（6）：1135-1145.［7］ Arinc Research Corporation.ICD-GPS-200，Navaster GPS Segment／Navigation User Interfaces Specification［S］.El Segundo，1993.［8］ RTCA Special Committee 159.Minimum Operational Performance Standards for Airborne Equipment U-sing Global Positioning System／Wide Area Augmentation System，RTCA／DO-229Change 3［S］.Washington D C，1997.［9］ CONKER R S，EL-ARINI M B，HEGARTY C J，et al.Modeling the effects of ionospheric scintillation on GPS／SBAS availability［C］／／ION Annual Meeting，2000，563-576.［10］李跃，邱致和.导航与定位［M］.2版.北京：国防工业出版社，2008. ［11］SCHAER S.Mapping and Predicting the Earth’s I-onosphere Usingthe Global Positioning System［D］.Bern：University of Bern，1999. ［12］ SBAS Ionospheric Working Group.Effects of Ionospheric Scintillations on GNSS：A White Paper［M］.Stanford，2010.刘思慧（1983－），男，广西人，博士，国防科技大学博士后.主要研究方向为卫星导航系统总体设计和应用技术.刘钝（1973－），男，河北人，硕士，中国电子科技集团公司第二十二研究所高级工程师.主要研究方向为电波传播、卫星导航应用技术.。

我国电离层闪烁初步观测结果

第１９卷增刊２００４年１０月电波科学学报ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＲＡＤＩＯＳＣＩＥＮＣＥＶ０１．１９，Ｓｕｐ．Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００４我国电离层闪烁初步观测结果陈丽甄卫民马宝田（中国电波传播研究所青岛分所，ｃｈｅｎｌｉ．ｑｄ＠１６３．ｃｏｒｎｃｒｉｒｐ—ｚｗｍ＠１６３．ｃｏｍ，山东青岛２６６０７１）摘要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。

关键词电离层闪烁，观更’通信影响１引言２电离层闪烁监测仪的简介电离层闪烁的效应之一是导致信号幅度的衰落，使信道的信噪比下降，误码率上升，严重时使卫星通信链路中断。

这种现象在低纬度地区的夜间尤为频繁，影响也最严重。

我国长江（上海、武汉、重庆）以南的低纬度地区，特别是台湾、福建、广东、广西、海南及南海地区都是电离层闪烁的高发区，对通信的影响也比较严重。

通过对ＵＨＦ频段用户的调研得知，信号在夜间经常出现干扰（特别是在南方地区）甚至出现信号中断的现象。

进行电离层闪烁的观测是研究电离层闪烁现象及其效应的实验基础。

我们利用自行研制的电离层闪烁监测仪，建立了覆盖我国中低纬重点地区的电离层闪烁监测网，开展了电离层闪烁的观测。

电离层闪烁监测仪分为Ｌ频段和ＵＨＦ频段电离层闪烁监测仪，都是由工控计算机、卫星信号采集测量单元、接收天线及运行于主机的监控软件组成，如图１。

Ｌ频段电离层闪烁监测仪监测ＧＰＳ卫星信号，ＵＨＦ频段电离层闪烁监测仪监测某ＵＨＦ频段卫星信号。

卫星信号监测仪以工控机为中心，卫星信号采集板以２０Ｈｚ的频率监测卫星信号强度的变化，并通过串行数据端口将实时测得的信号送至计算机，由实时监测软件求出信号的平均值、增强最大值、衰落最小值及闪烁指数，并完成相关的显示、存贮、回放、闪烁判别等功能。

仪器在使用中无需人工干预，全天候工作，具有全自动功能。

电离层闪烁对全球导航卫星系统_GNSS_的定位影响分析_刘钝

电离层闪烁对全球导航卫星系统(GNSS)的定位影响分析刘　钝,冯　健,邓忠新,甄卫民(中国电波传播研究所,山东青岛266107) 摘　要:电离层闪烁是影响卫星导航系统定位性能的重要因素之一,中国南方区域是全球电离层闪烁多发区之一,开展电离层闪烁对卫星导航系统性能的影响研究具有重要意义。

利用中国区域的电离层闪烁数据和GPS测量数据,对电离层闪烁情况下的用户定位性能进行了比较分析,发现电离层闪烁将引起用户定位误差的普遍增大,严重时可能出现定位异常,电离层闪烁对不同的定位应用方式具有不同程度的影响,电离层闪烁对卫星导航系统的多种影响是卫星导航系统的重要威胁之一。

关键词:电离层闪烁;全球导航卫星系统;定位中图分类号:T P79 文献标志码:A 文章编号:1008-9268(2009)06-0001-080引　言电离层闪烁是影响卫星导航系统定位性能的重要因素之一。

电离层闪烁将引起穿越其中的卫星信号的快速起伏,使导航接收机接收信号的信号载噪比快速抖动、信噪比下降,甚至引起卫星信号的中断[1]。

电离层闪烁对卫星导航系统的影响包括接收机码测量精度的降低、载波周跳的有效检测、电离层延迟的精确修正、DOP因子增大等。

上述各种效应之间又是相互影响的。

因此,在对闪烁对卫星导航系统产生上述影响分析的基础上,应进一步针对用户最终的定位结果进行分析。

对卫星定位方法及精度分析进行了简单的介绍;对不同用户定位方法在电离层闪烁情况下的结果进行了比较,并针对电离层闪烁影响的各个方面进行了分析;最后得出一些电离层闪烁影响的结论。

1　电离层闪烁对卫星导航系统影响的分析方法1.1　卫星导航系统定位方法及精度评估卫星导航系统伪距观测方程一般可表示为[2]: PR i=ρj i+b i-B j+I j i+T i+T j gd+M PR+E PR(1)其中,i=1,2,表示不同观测频率;j为卫星编号,表示不同的卫星;P R i为码伪距测量;ρj i为接收机至卫星的几何距离;b i,B j分别表示接收机钟差和卫星钟差;I j i,T i分别表示电离层延迟和对流层延迟;T j gd为卫星的硬件频间偏差;M PR,E PR为多路径误差和观测噪声误差。

中国低纬电离层不规则体漂移和闪烁特性研究的开题报告

中国低纬电离层不规则体漂移和闪烁特性研究的开题报告题目：中国低纬电离层不规则体漂移和闪烁特性研究一、研究背景电离层是指地球大气层中电离气体层，是大气层中具有电离现象的部分。

电离层的特点是空间电荷分布不均匀，边界不清晰，而且存在不规则体结构。

不规则体是指电离层中由于等离子体密度不均而形成的非均匀结构，它的存在对无线通信、导航系统、卫星通信等技术应用产生很大影响。

因此，对不规则体的性质进行研究具有十分重要的意义。

二、研究内容本次研究旨在探究中国低纬电离层不规则体漂移和闪烁特性，通过收集、分析、处理和对比低纬电离层温度、气压、电子密度和离子流动速度等数据，建立低纬电离层不规则体漂移模型和闪烁模型，进一步研究不规则体对卫星通信和导航系统的影响。

具体目标包括：1. 收集低纬地区的电离层数据，如电子密度、温度、流动速度等，并通过相关分析工具进行处理，得出低纬电离层不规则体的漂移、速度和密度等数据。

2. 根据低纬电离层不规则体的漂移和密度数据，建立不规则体漂移模型，预测不规则体漂移路径和速度变化情况。

3. 分析不规则体对卫星通信和导航系统的影响，建立闪烁模型，预测卫星通信和导航系统在不规则体影响下的误差范围。

4. 对模型进行验证和修正，提高模型的准确性和可靠性。

三、研究方法本研究采用理论分析与实验观测相结合的方法。

理论分析部分主要包括不规则体漂移模型和闪烁模型的建立，以及预测和验证模型的过程；实验观测部分则主要基于电离层探测仪、GNSS接收机等装置，收集低纬电离层的相关数据。

在实验研究过程中，根据不同的研究目的和需求，采用不同的观测方法和设备，例如探空仪、声波雷达、EISCAT天气雷达等。

四、研究意义本研究将从理论和实验两个方面深入研究中国低纬电离层不规则体漂移和闪烁特性，对完善不规则体漂移和闪烁预报体系，提高卫星通信和导航系统的精度和可靠性，有重要的理论和现实意义。

同时，本研究可为电离层物理、大气物理等领域的相关研究提供参考和支持。

卫星信号仿真电离层闪烁模型研究

ＭＨｚ到１０ＧＨｚ．
南海地区，均处在磁赤道异常区的峰值区域，其闪烁
出现率和严重程度较磁赤道和极区都显著，在全球范围内是电离层闪烁衰落出现最频繁、影响最严重
的地区之一。甄卫民［、冯健［、周彩霞［。等人利用
（Ｉ．中国电波传播研究所，山东青岛２６６１０７；
２．西安电子科技大学，陕西西安７１００７１）
摘要：电离层闪烁会导致地空无线电信号产生随机起伏，影响各种地空信息系统的工作性能。为了满足电离层闪烁影响效应评估的应用需求，建立了一个卫星信号电离层闪烁模型。该模型是在对闪烁信号衰落特性进行统计分析的基础上建立的，它将信道函数分为直接分量和随机多径成分两部分。模型可根据输入的电离层闪烁指数和去相关时间仿真出信号振幅和相位的变化，并可直接嵌入到各类卫星信号模拟器中，用于卫星导航、卫星通信等系统的
的定位性能＿６。
电离层闪烁的强度通常利用信号幅度闪烁指数ｓ来表示，它定义为信号强度的归一化方差为
上述工作主要利用实测电离层，还需要实现对电离层闪烁影响的可重复实现能力，以满足对接收机开发测试、电
２．２振幅概率分布模型

一种考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化模型

一种考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化模型张红波;王飞飞;徐良;盛冬生;刘玉梅【摘要】通过分析2010年至2017年期间的中国低纬地区海口站(20°N,110°E)特高频(ultra high frequency,UHF)电离层闪烁,发现绝大部分年份中春分前后电离层闪烁事件发生概率高于秋分前后,综合电离层垂测观测数据,认为主要原因是春秋分背景电离层电子密度和h'F日落增强现象的不对称性.最后基于电离层闪烁月发生概率统计数据,及其与季节和太阳活动的相关性,建立了一种考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化统计模型.此模型能够较好地表征电离层闪烁发生概率的季节变化特性,具有重要应用价值.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2019(034)002【总页数】6页(P180-185)【关键词】春秋分不对称性;电离层闪烁;发生概率;季节变化;经验模型【作者】张红波;王飞飞;徐良;盛冬生;刘玉梅【作者单位】中国电波传播研究所,青岛266107;中国电波传播研究所,青岛266107;武汉大学电子信息学院,武汉430079;中国电波传播研究所,青岛266107;中国电波传播研究所,青岛266107【正文语种】中文【中图分类】P352引言鉴于电离层闪烁对星地链路的卫星通信、雷达、导航等系统具有显著影响,开展电离层闪烁事件不良影响减缓技术研发是低频段合成孔径雷达 (synthetic aperture radar, SAR)等前沿技术的重要研究内容之一. 电离层闪烁发生概率预测模型是星地链路电离层闪烁影响分析和应对措施研究的重要基础工具. 目前电离层闪烁发生概率气候学模型主要是美国全球电离层闪烁发生概率预报模型 (wide band model,WBMOD),其在欧洲的全球生物量普查卫星中极化P频段合成孔径雷达(polarimetric P-band synthetic aperture radar,P-SAR)的电离层闪烁减缓技术研究中发挥重要作用[1]. 国内诸多学者也在持续开展电离层闪烁发生概率模型研究[2-5],但均未提出考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化模型. 文献[6]和文献[7]分别利用2013和2014年电离层垂测临频数据foF2仅给出了一种表征春秋分不对称性的指数. 本文利用2010—2017年特高频 (ultra high frequency,UHF)电离层闪烁观测数据给出了一种考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化模型.1 观测数据UHF频段电离层闪烁指数S4观测数据由部署于中国低纬地区海口站(20°N, 110°E)的一台自主研制UHF频段电离层闪烁监测仪获取. 该仪器以20 Hz采样率实时记录我国一颗静轨通信卫星的380 MHz信号的原始幅度数据,经数据处理后获得采样间隔为1 min的电离层闪烁指数S4, 数据年限为2010—2017. foF2观测数据则由同站址部署的一台自主研制电离层垂测仪获取,采样间隔为1 h, 数据年限为2010—2017.电离层闪烁事件定义为连续15 min内有10个以上S4大于0.2. UHF频段电离层闪烁月发生概率定义为发生电离层闪烁天数/本月观测天数×100%. foF2月平均值定义为每月同一时刻foF2全部观测数据的平均值.2 发生概率季节变化特性分析2.1 季节变化特性2010—2017年海口站UHF频段电离层闪烁月发生概率统计结果如图1所示. 从图1可以看出,海口站电离层闪烁月发生概率存在明显的季节变化和年变化. 为了分析季节变化和年变化趋势,以季节为统计周期,给出了四季的最大电离层闪烁月发生概率. 图2给出了2010—2017年春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12—2月)的最大电离层闪烁月发生概率统计结果. 从图1和图2均可以看出春季和秋季电离层闪烁最多,夏季和冬季电离层闪烁较少. 对比春季和秋季数据后,发现除了2011年外,春季电离层闪烁发生概率均高于秋季,即春秋季不对称. 对于夏季和冬季而言,太阳活动上升年间,夏季电离层闪烁发生概率高于冬季,其余时间则相反.图2显示春季电离层闪烁月发生概率与年平均太阳黑子数呈正相关,即随着太阳活动的增加,春季电离层闪烁月发生概率会增大.秋季、夏季和冬季也与年平均太阳黑子数呈正相关,但可能受其他因素影响,使得其存在异常变化,比如2011年的秋季电离层闪烁月发生概率就出现异常.图1 2010—2017年海口站UHF频段电离层闪烁月发生概率Fig.1 Occurrence of UHF band ionospheric scintillations recorded at Haikou station from 2010 to 2017图2 2010—2017年四季电离层闪烁月发生概率最大值Fig.2 Maximum monthly occurrence of ionspheric scintillation in four seasons from 2010 to 2017基于本地F2层日落后时间(定义为地空无线电链路穿刺点(高度350 km)对应星下点的太阳天顶角为107°时的本地时间),将每个季节同一小时内电离层闪烁指数组成统计分析数据集,对该数据集进行发生概率统计. 图3给出了2010年、2011年和2013年的不同季节内电离层闪烁发生概率的日变化分布图. 春季电离层闪烁发生概率在日落后2～4 h最大,同时日落后5～6 h内(午夜后)又存在第二个发生概率较大的时段.(a) 2010(b) 2011(c) 2013图3 不同年份不同季节的电离层闪烁发生率的日变化分布Fig.3 Diurnal variation of ionospheric scintillation occurrence in different seasons in different years2.2 春秋分不对称性分析在电离层闪烁春秋分发生概率不对称性分析方面,Nishioka认为春秋分不对称可能是由积分电导率的春秋分不对称引起的[8]. Maruyama指出跨赤道经向风是春秋分不对称性的重要成因[9]. Sripathi基于全球紫外成像 (global ultra violet imager,GUVI)卫星的2004—2005年观测数据分析了F2层峰值电子密度沿纬度变化特性,发现春分前后南北半球驼峰区峰值电子密度对称,而秋分前后则对称性较差,从而推出背景电子密度可能在电离层闪烁发生概率春秋分不对称性方面起重要作用[10].为了深入理解中国低纬地区电离层闪烁发生概率春秋分不对称性的物理机理及其控制要素,本文分析了2010—2017年海口站月平均临频(foF2)和月平均最小虚高(h′F) 观测数据,foF2数据可以描述F2层峰值电子密度的变化,h′F在夜间表示F层底高(F层O模最小虚高),在白天表示F1层底高(F1层O模最小虚高). 图4给出了2010、2011和2013年海口站月平均foF2数据,图中垂直黑虚线对应本地时20:00LT的月平均foF2数据. 2012和2014—2017年月平均foF2数据的春秋季节变化特性与2013年一致.从图4可以看出,2010和2013年F2层日落时刻(20:00LT)的foF2是春分月份高于秋分月份,而2011年的foF2则相反. 由于foF2与背景电离层电子密度成正比,这意味着日落时刻的F2峰值电子密度呈现相同关系. 从图5可以看出,2011年h′F 在秋分季节(10月)日落增强现象明显强于同年的春分季节,而2013年h′F在春分季节(4月)日落增强现象明显强于同年的秋分季节.(a) 2010(b) 2011(c) 2013图4 不同年份海口站月平均foF2观测数据Fig.4 Monthly mean foF2 of Haikou station in different years(a) 2011(b) 2013图5 不同年份海口站月平均h′F观测数据Fig.5 Monthly mean h′F of Haikou station in 2011 and 2013等离子体泡或羽状烟云类F层不规则体的主要发生机制是广义瑞利-泰勒不稳定性,其增长率γ正比于垂直电离梯度∂N/∂h,向上为正. 增强的电离层电子密度,往往导致更大的垂直电离梯度值,进而更容易出现电离层闪烁,这与观测结果相吻合. h′F日落增强现象主要由磁赤道东向电场翻转前增强现象(pre-reversal enhancement,PRE)引起的,当F层底高增加时,也将有利于不稳定性增长[11]. 因此,综合上述分析可推断春秋分背景电离层电子密度和h′F日落增强现象的不对称性可能是造成中国地区电离层闪烁发生概率春秋分不对称的重要原因. 对于2011年电离层闪烁秋季比春季多的现象,分析发现广州站(23°N,113°E)电离层闪烁秋季也比春季多,综合分析海口站背景电离层电子密度和h′F日落增强现象,以及广州站电离层闪烁观测数据后,认为2011年属于春秋分不对称现象的年度异常,其内在电离层物理现象有待于进一步研究.3 发生概率季节变化模型季节变化模型可看做最大电离层闪烁发生概率值的季节变化调制系数,因此,电离层闪烁发生概率模型常将最大电离层闪烁发生概率值和季节变化调制系数均作为乘法因子之一进行建模. 最大电离层闪烁发生概率值建模可采取四维数字地图形式,即由经度、纬度、太阳黑子数和最大发生概率值四个维度构成的栅格数据. 本文主要是建立一种季节变化模型,季节变化模型包含两个子模型:春秋分不对称系数子模型,以及地磁子午面与晨昏线之间夹角变化子模型.3.1 春秋分不对称系数子模型由于春秋分前后的最大电离层闪烁月发生概率不对称,因此,季节变化模型还需要分析与建立春秋分前后最大电离层闪烁月发生概率的相关关系.由于仅有2011年一个年度异常现象,建模暂时不考虑该数据. 通过分析发现,春秋分不对称系数(秋季与春季之间的最大电离层闪烁月发生概率之比)与太阳黑子数存在较好的相关性,如图6所示. 可用高斯函数对春秋分不对称系数与太阳黑子数之间的函数关系fAS(RSN)进行拟合,图6同时给出了春秋分不对称系数与太阳黑子数之间的函数拟合结果,拟合均方根误差为0.09. 具体拟合结果如下:fAS(RSN)=(1)式中,RSN为年平均太阳黑子数.图6 秋季与春季不对称性系数对太阳黑子数的拟合结果Fig.6 Fitting result of equinoctial asymmetry coefficients vs sunspot number3.2 地磁子午面与晨昏线之间夹角变化子模型文献[12]指出,日落后与电离层等离子体泡发生相关的瑞利-泰勒不稳定性增长率在场向积分佩德森(Pedersen)电导率经向梯度最大的日子里最大,该时间和地磁子午面与晨昏线之间夹角相关. 当地磁子午面与晨昏线重合时,由此形成的磁赤道电离层条件最适宜等离子体泡发生与发展演化. 定义经过本地350 km高磁力线的磁赤道点的地磁子午面与晨昏线之间的夹角为季节变化控制参数φT. 采用参考文献[2]中电离层不均匀体强度函数形式,并利用中国海口站观测数据参与最优参数估计,建立了归一化季节变化调制系数随地磁子午面与晨昏线之间夹角变化的函数关系fSEASON(φT):(2)fS1(φT)=(3)fS2(φT)=(4)fS3(φT)=(5)fS4(φT)=(6)式中:d为φT所对应的年积日;dVE为春分日对应的年积日;dJS为夏至日对应的年积日;dAE为秋分日对应的年积日;WH=16-0.01×min(150,RSN);WL=13.0.图7给出了归一化季节变化调制系数函数fSEASON(φT)拟合结果与观测数据对比结果,图中曲线为函数计算结果,拟合均方根误差为0.10. 整体而言,建立的季节变化模型能够较好地表征电离层闪烁发生概率的季节变化特性.图7 归一化季节变化调制系数与观测数据对比结果Fig.7 Comparison of the normalizing seasonal variation coefficients with observations4 结论1) 基于中国低纬地区海口站8年的UHF频段电离层闪烁观测数据分析发现,电离层闪烁事件发生概率绝大部分年份中春分季节高于秋分季节．2) 对比电离层垂测观测数据后发现,电离层闪烁发生概率春秋分不对称性与背景电离层电子密度和h′F日落增强现象的春秋分不对称性具有强相关性,说明背景电离层电子密度和PRE对电离层闪烁能否发生具有重要影响．3) 建立了一种考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化统计模型,数据拟合误差较小. 目前该模型适用于中国低纬地区(经度范围60°E～160°E),未来可拓展至其他低纬地区[7]. 该模型对于建立全球中低纬地区电离层闪烁发生概率预测模型具有重要应用价值.参考文献【相关文献】[1] KIM J S, PAPATHANASSIOU K. Study of ionospheric mitigation schemes and their consequences for biomass product quality [R]. ESA/ESTEC Technical Report, 2012.[2] SECAN J A, BUSSEY R M, and FREMOUW E J. An improved model of equatorial scintillation[J]. Radio science,1995, 30: 607-617. DOI:10.1029/94RS03172.[3] 侍颢, 张东和, 郝永强, 等. 中国低纬度地区电离层闪烁效应模式化研究[J]. 地球物理学报, 2014, 57(3): 691-702.SHI H, ZHANG D H, HAO Y Q, et al. Modeling study of the effect of ionospheric scintillation at low latitudes in China[J]. Chinese journal of geophysics, 2014, 57(3): 691-702. (in Chinese).[4] 刘钝, 闫永宝, 郭珊, 等. 电离层闪烁模型中的不均匀体强度建模[J].电波科学学报, 2016, 31(3): 432-437.LIU D, YAN Y B, GUO S, et al. Irregularity strength modeling in ionospheric scintillation model[J]. Chinese journel of radio science, 2016, 31(3): 432-437.(in Chinese)[5] 竹永梦, 邹玉华, 王书艳. 低纬地区L波段电离层闪烁预报方法[J]. 桂林电子科技大学学报, 2017, 37(4):298-301.ZHU Y M, ZOU Y H, WANG S Y. A prediction method of L-band ionospheric scintillations in low latitude region[J]. Journal of Guilin University of Electronic Technology, 2017, 37(4): 298-301. (in Chinese)[6] ZHANG H B, LIU Y M, WU J, et al. Observations and modeling of UHF-band scintillation occurrence probability over the low-batitude region of China during the maximum activity of solar cycle 24[J]. Annales geophysicae, 2015,33: 93-100.[7] 张红波. 天基电离层探测体系与电离层闪烁预报模型研究[D]. 武汉: 武汉大学, 2015. ZHANG H B. Studies on space-based ionospheric monitoring architecture and forecasting model of ionospheric scintillation [D]. Wuhan: Wuhan University, 2015. (in Chinese) [8] NISHIOKA M, SAITO A, TSUGAWA T. Occurrence characteristics of plasma bubble derived from global ground based GPS receiver networks[J]. Journal of geophysical research, 2008,113: A05301.[9] MARUYAMA T, SAITO S, KAWAMURA M, et al. Equinoctial asymmetry of a low-latitude ionosphere-thermosphere system and equatorial irregularities: evidence for meridional wind control[J]. Annales geophysicae, 2009,27:2027-2034.[10] SRIPATHI S, KAKAD B, BHATTACHARYYA A. Study of equinoctial asymmetry in the Equatorial Spread F (ESF) irregularities over Indian region using multi-instrument observations in the descending phase of solar cycle 23[J]. Journal of geophysical research, 2011,116: A11302. DOI: 10.1029/2011JA016625.[11] HUANG C S, HAIRSTON M R. The postsunset vertical plasma drift and its effects on the generation of equatorial plasma bubbles observed by the C/NFOS satellite[J]. Journal of geophysical research: space physics, 2015, 120(3): 2263-2275.[12] TSUNODA T. Control of the seasonal and longtitudinal occurrence of equatorial scintillations by the longitudinal gradient in integrated E region Pdedersen conductivity[J]. Journal of geophysical research,1985, 90: 447-456.。

电离层模型参数

电离层模型参数
电离层模型参数是指描述电离层特性的数值参数，包括电子密度、电离层高度、电离层电子温度、电离层漂移速度等。

这些参数对于无线电传播、卫星导航等应用具有重要意义。

电子密度是电离层模型参数中最基本的参数，它描述了电离层中单位体积的自由电子数目。

电离层高度则是指电离层密度等于某一固定值的高度，通常是电子密度的一半。

电离层电子温度则是指电离层中电子的平均动能，它对于无线电波传播的影响比较显著。

电离层漂移速度则是指电离层中带电粒子在磁场作用下的运动速度，它对于卫星导航的精度补偿具有重要作用。

电离层模型参数的测量方法主要包括地基观测、卫星探测、雷达探测等。

其中，地基观测是最常用的测量方法，通常采用电离层垂直探测仪、电离层扰动探测仪等设备。

卫星探测则是通过卫星搭载电离层探测仪实现，可以获得全球范围内的电离层参数信息。

雷达探测则是利用雷达信号穿过电离层，测量其反射特性，进而推算电离层参数。

电离层模型参数的精度对于相关应用非常重要，因此相关领域的研究者一直致力于提高电离层模型参数的精度和可靠性。

同时，电离层模型参数的研究也为我们更好地理解电离层的物理特性提供了重
要的资料基础。

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中国低纬度地区电离层闪烁效应模式化研究

中国低纬度地区电离层闪烁效应模式化研究侍颢;张东和;郝永强;肖佐【摘要】GPS(Global Positioning System)周跳是一种GPS信号异常现象.研究发现一定仰角以上的GPS周跳与电离层闪烁有关,是强电离层闪烁造成的GPS载波信号短时失锁现象,因此其可作为表征电离层闪烁效应的参量.本文通过分析由中国低纬度地区GPS台站原始观测数据提取的GPS周跳发生率与地方时、季节、太阳活动以及磁活动之间的关系,开展电离层闪烁效应与这几种参量之间关系的模式化研究.研究结果表明:(1)周跳发生率存在着地方时分布,发生时段主要在日落19:00LT后到午夜02:00LT之前,发生次数在22:00LT左右达到极大,然后缓慢减少,这一变化特点可以用自变量为地方时的Chapman函数形式来描述;(2)周跳发生率存在年变化特点,主要发生在年积日45～135天(春分季节)和225～315天(秋分季节),可以通过高斯函数来描述每个分季闪烁效应的变化特点;(3)可以利用太阳辐射指数F10.7作为描述周跳随太阳活动周变化的参量,根据周跳随太阳活动周的变化特点,我们使用一个以F10.7为自变量的三次函数来描述这种变化;(4)电离层闪烁与磁活动的关系比较复杂,由于大多数情况下表现为磁活动对电离层闪烁的抑制作用,在本研究中使用一个以地磁活动指数Ap为自变量的的平方根函数来拟合这种变化.【期刊名称】《地球物理学报》【年(卷),期】2014(057)003【总页数】12页(P691-702)【关键词】电离层闪烁;GPS;周跳;电离层不均匀结构【作者】侍颢;张东和;郝永强;肖佐【作者单位】北京大学地球物理系,北京 100871;北京大学地球物理系,北京100871;北京大学地球物理系,北京 100871;北京大学地球物理系,北京 100871【正文语种】中文【中图分类】P3521 引言电离层中的不均匀结构使传播其中的无线电波的相位和强度出现闪烁现象，从而降低星地通讯链路的传播质量，在强闪烁情况下甚至造成无线电通讯系统无法正常工作，是重要的电离层天气现象（Afraimovich et al.，2003；Skone and de Jong，2000）.由于这一现象的危害性，从星地通讯得到应用以来，研究者们针对电离层闪烁现象开展了大量的观测研究工作，内容涉及电离层闪烁的观测、电离层闪烁的时空形态特征、电离层闪烁的效应、电离层不均匀结构的产生机理、以及电离层闪烁的预报等（Conker et al.，2003；Mendillo et al.，1992，2001；Nicollsand Kelley，2005；Sahai et al.，1998；张天华和肖佐，2000）.在这些研究内容中，电离层闪烁的观测是基础，传统的电离层闪烁研究依赖的观测手段包括电离层测高仪、基于卫星信标信号的闪烁接收机以及雷达方法（Abdu et al.，1998，2003；Abdu，2012；Afraimovich et al.，2002；Chen et al.，2006）.除了这些方法外，卫星实地电离层探测是电离层闪烁研究的重要补充（Ko and Yeh，2010）.电离层闪烁主要发生在地球低纬度地区和高纬度地区（Kelley，2009）.在低纬度地区，电离层闪烁发生率具有时间变化特点.在地方时变化上，其主要发生在日落以后到日出之前.电离层闪烁也存在明显的季节依赖性，但这种季节依赖性特点与经度有关，美洲—大西洋扇区电离层闪烁的季节依赖性特点与亚洲—太平洋扇区的季节依赖特点明显不同（Basu et al.，2006）.电离层闪烁的发生率和强度还存在着明显的太阳活动周变化特点，太阳活动高年的电离层闪烁发生率要远大于太阳活动低年（Zhang et al.，2010a）.另外电离层闪烁具有很强的日－日变化特征，这一特征增加了电离层闪烁预报的难度.除了这些时间变化特征外，电离层闪烁与磁活动的关系也是电离层闪烁研究的一个值得关注的问题.在高纬地区，电离层闪烁发生率和强度与磁活动正相关（Skone et al.，2008），而在低纬度地区，闪烁与磁活动的关系比较复杂，表现为在有些磁暴期间电离层闪烁发生率和强度会得到增强，但有些磁暴期间电离层闪烁的发生率和强度会降低（Li et al.，2009，2010；Zhang et al.，2012）.电离层闪烁的观测是研究电离层闪烁形态和认识电离层闪烁机理的基础，但由于电离层闪烁观测台站分布不均，对电离层闪烁的认识在全球范围内是不均衡的.美洲地区的电离层闪烁研究不论从研究的深度还是时间跨度来看都领先于世界其他地区.在亚洲扇区，印度和日本扇区的电离层闪烁研究开展的相对较多（Rama et al.，2006）.中国扇区的电离层闪烁研究始于20世纪70年代，但由于观测手段有限，研究相对偏少（Xu and Yeh，1993）.GPS是当今电离层研究的常规手段之一，20世纪90年代中期，基于商业GPS接收机改造的专业电离层闪烁监测仪研制成功，通过这一手段，研究者们开展了大量电离层闪烁研究（Beach and Kintner，2001；Van Dierendonck et al.，1993）.此外，除了传统的通过测量GPS载波信号的强度和相位来获得电离层闪烁指数外，通过双频GPS接收机输出的观测量也可获得一些能够反映电离层闪烁信息的参量.例如，利用GPS数据提取的星地链路电离层总电子含量的时间微分量ROT（the Rate Of change of TEC），通过GPS数据周跳检测方法提取的GPS数据周跳信息等（Aarons et al.，1996；Zhang et al.，2010b）.中国从2003年开始进行基于GPS载波信号的电离层闪烁观测，部分研究部门在低纬地区架设了一些电离层闪烁监测仪，利用这些数据开展了针对中国扇区的电离层闪烁形态分析工作，促进了中国扇区电离层闪烁时空变化规律的认识（尚社平等，2005；王斯宇等，2010；徐继生等，2007），但由于台站所属机构、接收机类型和观测模式等方面的原因，目前整合这些数据建立电离层闪烁模式的条件还不够成熟.比较而言，常规GPS观测数据的空间分辨率高，这类数据相对更容易获取.我们在前期工作中开展了利用低纬度地区GPS观测数据提取电离层闪烁效应信息（周跳）的方法和基于GPS常规数据的电离层闪烁效应研究，利用这些闪烁造成的周跳信息可以开展电离层闪烁效应模式研究，获得一种与实际应用紧密相关的电离层闪烁效应模式（Zhang et al.，2010a，2010b）.本研究将通过分析由电离层闪烁造成的GPS周跳发生率的时空变化特点来研究电离层闪烁效应的规律，开展中国赤道异常峰附近电离层闪烁效应模式化研究.2 数据与方法本文使用的GPS数据所属台站分布在中国低纬度地区，时间从1999年到2005年.台站隶属于中国地震局地壳形变监测网，所有台站的接收机型号和配置一致，均为Ashtech Z－XII3型高精度双频GPS接收机，天线为可抑制多径效应的扼流圈天线，接收机采用半无码方式工作，采样时间间隔为30s.表1给出了这些台站的位置信息.表1 本文用到的GPS台站的站名及其地理、地磁经纬度Table 1 Names，geographical and geomagnetic coordinates of the GPS stations used inthis paper台站名地理纬度／（°）地理经度／（°）地磁纬度／（°）地磁经度／（°）LUZH 28.9 105.4 17.5 175.6 XIAM 24.5 118.113.2187.3 GUAN23.2113.3 11.8 183.2 QION 19.0 109.8 7.6 179.7周跳现象表现为在一个观测历元内GPS接收机对载波相位的短时失锁.由于周跳会破坏GPS数据的连续性，影响GPS的定位精度，从GPS投入运行以来，GPS领域各研究团体研制了多种周跳检测和修复方法.最常见的方法包括电离层三差法、宽巷组合法、卡尔曼滤波法、以及高可靠性的DIA（Detection，Identification，and Adaptation）方法等（Blewitt，1990；Chen et al.，2006；Collin and Warrant，1995；Gao and Li，1999；Teunissen，1990）.本研究使用的周跳提取方法为DIA方法，将这一方法应用于各台站的GPS原始观测数据，可以获得电离层闪烁效应周跳数据库.为了便于对周跳产生的原因以及周跳发生的时空特点进行分析，每条周跳事件记录中还增加了周跳发生时刻的卫星仰角和方位角，周跳发生时刻星地连线与电离层球层交叉点IPP（Ionosphere Pierce Point）的经纬度等信息.在使用周跳现象进行电离层闪烁效应研究时，有三个问题需要说明.GPS有两个载波频率（L1，L2），由于载波L2信号的带宽更窄，更容易受到环境因素的影响（Hofmann et al.，1993；Misra and Enge，2001），因此在研究电离层闪烁对GPS信号的影响时，载波信号L2更便于反映电离层闪烁的效应.在本研究中，我们选用L2的周跳数据作为电离层闪烁效应研究数据库.另外，研究发现，并不是所有周跳都与电离层闪烁有关.当卫星仰角比较低时，电波的多径效应会明显增加，这也会造成周跳的发生.而在相对较高的仰角情况下，GPS周跳现象基本上是电离层闪烁引起的.为了更加明确地给出电离层闪烁效应规律，在进行周跳时间依赖性分析前，需要将周跳数据库中低仰角周跳事件剔除，在本研究中，我们将卫星最小仰角限定为25°.最后一个需要说明的问题是周跳和闪烁强度的关系，GPS系统在设计时已经考虑到了电离层闪烁的影响，因此，只有闪烁强度达到一定程度时，GPS接收机才可能发生周跳现象.因此本文所给出的周跳发生率反映的应该是一定强度以上的电离层闪烁的出现规律.图1给出了2003年在中国海南富克镇（19.3°N，109.1°E）观测的电离层闪烁发生率与同年厦门和广州GPS周跳发生率的关系，从图中可以看到，周跳发生率与强闪烁发生率的相关性更好.3 周跳发生率的统计形态特征利用GPS数据，我们对中国地区的电离层闪烁造成的周跳事件进行了统计分析，结果表明，电离层周跳的时空分布规律与中国低纬度地区的电离层闪烁具有很强的关联性，周跳数据可以作为描述电离层闪烁的一个补充参量（Zhang et al.，2007，2010b）.下面将对周跳发生率与地方时、季节、太阳活动性以及磁活动的关系进行归纳，作为下一步电离层闪烁效应模式化的基础.3.1 周跳的地方时变化地方时变化是低纬度地区电离层闪烁的重要特征之一，由于日落后电离层E区电子与分子性离子的复合速度要远大于电离层F区电子与原子性离子的复合速度，造成日落后电子密度剖面不稳定，具备造成引起电波闪烁的电离层不均匀结构发生的背景条件.图2是中国低纬度地区4个台站的GPS周跳发生率的地方时变化.从图中可以看到，虽然不同台站的周跳发生次数差别很大，但在地方时分布上规律基本一致.在19∶00LT后，周跳发生次数开始增加，在夜间22∶00L T附近周跳发生次数达到最大，然后周跳次数逐渐减少，在午夜后周跳发生的很少，在02∶00LT 以后几乎没有周跳发生.图1 2003年海南富克镇电离层不同强度闪烁月发生率与厦门和广州GPS周跳月发生率的比较Fig.1 The comparison between the monthly occurrence of amplitude scintillation observed at FUKE，HAINAN and Cycle Slip occurrence derived from XIAM and GUAN stations图2 2001年中国低纬度地区4个台站的GPS周跳发生率随地方时的变化Fig.2 The stacked occurrence of the GPS Cycle Slips in each 15minutes of a dayat 4low latitude stations in China in 2001低纬度地区的电离层闪烁主要发生在赤道异常峰附近区域，比赤道异常峰纬度更高的区域上电离层闪烁发生率会快速下降.到了中纬度地区，电离层闪烁很少发生，一般认为该区域观测到的电离层闪烁主要是电离层赤道异常峰区域或者是极区的电离层不均匀结构沿着磁力线扩散到中纬的结果，而这种不均匀结构向中纬度漂移的情况一般都发生在磁活动期间.从图2可以看到，GPS观测数据中，在赤道异常峰附近分布的GPS台站出现周跳的次数要明显多于位于赤道异常峰外侧的LUZH台站.图3是LUZH台站和QION台站在2001年发生的周跳事件的空间分布情况，从图中可以明显看到，周跳发生区域主要在LUZH台站以南、QION台站以北，也就是赤道异常峰出现的区域.3.2 季节变化低纬度电离层闪烁季节变化的一个重要特征是它的经度差异，美洲扇区与东亚—太平洋扇区的电离层闪烁季节变化规律明显不同，前者闪烁主要发生在10月到来年的3月之间，12月到1月闪烁发生次数和强度最大，而后者闪烁主要发生在两分季附近，也就是2月到4月间和8月到10月间，其中3月和10月闪烁发生次数和强度最大（Zhang et al.，2010b）.图4给出了2001年4个台站GPS周跳发生次数随年积日的变化.从图中可以看到，这4个台站的周跳主要发生在两分季附近，这种分布规律与太平洋扇区电离层闪烁发生率随季节的变化规律一致.说明在中国扇区闪烁的季节依赖特点与太平洋扇区一致.另外，从图中还可以看到，周跳的日－日变化是非常明显的，即使在周跳多发月份，也不是所有日期周跳发生次数都多，不同日期的周跳发生次数差别比较明显，这是电离层闪烁预报的难点之一. 图3 两台站在2001年发生的GPS周跳次数随方位角分布Fig.3 The distribution of the occurrence of the GPS Cycle Slips versus azimuth angle at two stations in 2001图4 2001年中国低纬度地区4个台站的GPS周跳发生率随年积日DOY（Day of Year）的变化Fig.4 Daily occurrence of the GPS Cycle Slips at 4low latitude stations in China in 20013.3 太阳活动周变化电离层闪烁与太阳活动周的相关性表现在太阳活动高年电离层闪烁发生率和闪烁强度大，而太阳活动低年电离层闪烁发生率和强度小.图5为XIAM和GUAN两个GPS台站数据获得的1999年到2005年间周跳发生次数的分布规律，除了前面提到的季节依赖特点之外，其太阳活动周依赖性也非常明显，总的来看依赖关系与电离层闪烁规律类似.从图5可以看到，周跳发生次数与太阳活动指数的关系并不是线性的，在2002年到2003年之间，也就是太阳活动性处于下降阶段的时候，由于电离层闪烁造成的周跳现象急剧减少，2003年以后周跳就很少发生，这一特征在图5a中表现得更为明显.我们认为出现这一现象的原因与GPS接收机对信号强度的设计域值有关.强闪烁更容易造成GPS周跳的发生，而当闪烁强度降到一定程度时，其闪烁已不足以造成GPS系统周跳现象的发生.3.4 磁活动变化图5 1999年到2005年间（a）XIAM台站GPS周跳半年总数，（b下）XIAM 和（c）GUAN两个台站的GPS周跳日发生次数及其与（b上，细线）太阳F10.7（10－22 W·m－2·Hz－1）指数及（b上，粗线）年滑动平均的比较Fig.5 （a）Semi－annual sum of the GPS Cycle Slip occurrence at XIAM station from 1999to 2005.Daily occurrence of the GPS Cycle Slips at（b down）XIAM and（c）GUAN stations from 1999to 2005，and comparing with（b up，thin line）the solar F10.7（10－22 W·m－2·Hz－1）index and（b up，thick line）its annual slip average磁活动期间的电离层闪烁形态是电离层闪烁研究中的一个重要内容，由于磁活动期间空间环境变化过程的复杂性，对这期间的电离层闪烁规律以及机理的认识还不够完善.从形态上来看，磁活动期间的电离层闪烁存在着增加、减少和没变化这三种情况.但从统计上来看，强磁活动期间电离层闪烁的减少，也就是抑制事件要大于其他两种情况.从电离层不均匀结构的激发机制来看，有多种物理因素影响到不均匀结构的产生与发展，这些因素包括电离层电子密度剖面、电离层电场、电离层电导率、风场、磁场等参数，这些参数在磁活动期间都会发生一定的变化，而这些因素中，有些对电离层不均匀结构的产生与发展起促进作用，有些对电离层不均匀结构的产生起抑制作用.造成磁活动期间电离层闪烁形态变化不确定的原因与磁活动期间这些物理因素的变化有关，电离层不均匀结构是这些物理因素综合作用的结果.图6是2001年周跳发生次数与地磁活动指数Ap之间的关系，从图中虚线框中的部分可以看到，强磁活动期间的周跳发生次数一般很少，但也不排除磁活动期间周跳发生次数增加的情况.要揭示磁活动期间电离层闪烁的发生规律，对一些磁活动期间空间环境参数与电离层闪烁的个例分析是必要的.4 闪烁效应模式化根据上面的分析，可以发现，周跳随着以下几个因素有规律的变化：地方时、季节、太阳活动以及磁活动.因此我们在模式化时可以根据这几个因素分别计算其影响，然后综合这几个方面的因子，计算出模式的系数项，即可完成初步的电离层效应模式.公式（1）给出了闪烁每15min间隔的发生率的计算公式，对15min间隔的闪烁发生率进行积分，即可得到日发生率，即公式（2）.下面我们对各个因素分别进行模式化计算.4.1 地方时因子的模式化从图2的周跳的地方时变化规律可以看到，周跳主要发生在19∶00LT以后到午夜02∶00LT之间，在周跳发生率增加过程中，发现周跳在开始出现到周跳发生率最大之间的增加速度很快，而在最大值处到午夜两点之间的下降速度要缓慢得多.我们发现这种变化规律与电离层电子产生率随高度的变化类似，因此针对周跳的地方时变化，我们采用电离层电子产生率的函数曲线形式来拟合，只是这时的自变量是地方时.具体公式形式如下：电离层闪烁效应的地方时因子模式化工作就是确定相应的时间参考值tM和系数Ht，并进行归一化.通过分析实测数据，tM被定在21∶00LT处，即tM＝21，24小时制下 Ht＝1，公式（5）是相应的获得的拟合公式，其中h为24小时制地方时，sgn为符号函数.图7是归一化后用Chapman函数拟合出来的地方时变化趋势.4.2 季节因子的模式化根据周跳的年变化特点，周跳的年积日覆盖范围大致为45～135天（春分季节）和225～315天（秋分季节），每个分季闪烁效应的变化趋势可以用一个高斯函数来描述，高斯函数的幅度由太阳活动指数和地磁活动指数来调制.需要指出的是，高斯函数并不能反映闪烁效应的日－日变化特征，这一点由太阳活动和地磁活动指数的日－日变化来反映.通过计算，高斯函数的半高宽为55.根据以上原则对闪烁的季节效应进行模式化，公式（7）为归一化的季节因子模式化公式其中d为年积日.图8为公式（4）的图形表示.4.3 太阳活动因子的模式化图6 2002年地磁（a）Ap指数与（b）XIAM和（c）GUAN台站的GPS周跳日发生次数分布规律的比较Fig.6 The（a）Apindex comparing with daily occurrence of the GPS Cycle Slips at（b）XIAM and（c）GUAN stations in2002图7 使用Chapman函数拟合的GPS周跳发生率地方时变化趋势Fig.7 The daily trend of the GPS Cycle Slip occurrence in each 15minutes，modeled by using the Chapman function图8 使用Gauss函数拟合的GPS周跳发生率季节变化趋势Fig.8 The seasonal trend of the GPS Cycle Slip occurrence，modeled by using the Gauss function周跳表现出的电离层闪烁效应的太阳活动周变化特征主要包括两个方面.首先，从长期趋势看，周跳发生次数具有太阳活动周依赖性，但与太阳活动强度并不是线性相关的.再就是2002年下半年周跳发生次数锐减，2003年以后周跳发生次数很少.从图5中可以看出，直接用F10.7指数不能反映这种突然减少现象，我们试图用一个与F10.7指数有关的函数来反映这种特征.图9给出了关于F10.7指数年平均值的四种函数随太阳活动周的变化，分别对应1到4次幂形式.通过与周跳发生次数随太阳活动周变化的相关性分析，我们选择图9中第3种函数来描述电离层闪烁效应的太阳活动周影响.函数表示为如下形式：其中4.4 地磁因子的模式化电离层闪烁与地磁扰动的关系一直是电离层研究者关注的问题.磁活动与电离层闪烁之间有很多不确定性因素，这说明控制电离层闪烁发展或者抑制因素的复杂性.从强磁活动期间周跳的统计结果来看，可以归纳以下三点：第一，强磁活动期间的周跳发生次数要少于地磁平静期；第二，对单个事件的分析表明部分情况下地磁具有抑制周跳发生的趋势，但也有磁活动期间周跳发生率明显增多的情况；第三，大的周跳发生次数基本上都发生在Ap指数小于20的情况.要搞清楚这些关系，更全面的空间环境以及电离层形态数据是必要的.图10给出了地磁指数与周跳发生次数的关系，从图中可以看到，磁活动对周跳发生次数，也就是电离层闪烁的抑制作用特征更加明显，在对磁活动对电离层闪烁效应的模式化中，这种抑制作用应该首先体现.通过分析，作为初步的探索，我们给出如下地磁因子的模式化公式最后，使用XIAM站1999年到2005年的周跳发生率的数据，对模式中的常数项进行拟合得到由（11）式的数值与地方时因子相乘之后，对一天24 h积分得到4.5 模式化计算结果与分析对于上述系数以及各因素对应的子式，我们使用F10.7原始数值、21天滑动平均以及183天滑动平均分别作为太阳影响因素的输入量，Ap指数作为磁活动影响因素的输入量，计算得到的结果如图11所示.由图可见，使用F10.7原始数值进行计算，在F10.7数值较大的情况下，模型会过高估计周跳的发生率，使用21天滑动平均计算得到的结果能够部分地反映周跳发生率的日－日变化情况，但仍存在过高估计周跳发生率的情况，而使用183天滑动平均计算得到的周跳发生率日－日变化虽不明显，但总体趋势仍与实际情况符合较好.图9 关于F10.7指数年平均值的四组函数，分别对应1到4次幂形式Fig.9 Four functions on the annual mean F10.7index，corresponding the forms from first to fourth power图10 2002年XIAM站GPS周跳发生次数与地磁指数Ap的比较Fig.10 Theoccurrence of the GPS Cycle Slips at XIAM station versus geomagnetic Apindex in 2002图11 使用（a）F10.7原始数据，（b）F10.7的21天滑动平均，（c）F10.7的183天滑动平均输入模型计算1999年至2005年XIAM站的周跳日发生率Fig.11 Modeled daily occurrence of the GPS Cycle Slips at XIAM station from 1999to 2005，inputting with（a）the original F10.7index，（b）21－day slip average of the F10.7index，（c）183－day slip average of theF10.7index表2是对模型计算精度的整体评估，表中给出了模型使用不同F10.7参量的计算结果与XIAM和GUAN台站之间的相关系数.使用原始F10.7计算的结果与实测数据的相关系数最小，约为0.5，使用F10.7的21天滑动平均计算的结果有所改善，相关系数约为0.55，使用183天滑动平均计算的结果则有明显的改善，相关系数约0.6.表2 模型计算的1999—2005年周跳发生率与实测数据的相关系数Table 2 The correlation coefficients between modeling and observation of GPS Cycle Slip daily occurrence，using three different types of F10.7as input相关系数F10.7原始数据 21天滑动平均 183天滑动平均XIAM 0.5 0.55 0.58 GUAN 0.51 0.56 0.61表3中列出了模型使用183天滑动平均F10.7计算的结果与实测数据之间的详细比较结果.这里我们将日周跳计数大于等于25记为闪烁日，表中所分析的对象为模型对于闪烁日的预报精度（准确率：Acc%；误报率：Mis%）.其中式中的Accuracy＿Count为模型预报的闪烁日与实际闪烁日相符的天数，Cycle＿Slip＿Day＿Count为实际的闪烁日天数，Miss＿Count为模型预报的闪烁日与实际闪烁日不相符的天数，Quiet＿Day＿Count为非闪烁日的天数.结果表明，模型对于闪烁日的预报准确率约为80%，而误报率约为20%.另外，由于我们选择的进行模式化的参数为GPS周跳，该参数是一种效应参数，可以理解为是电离层闪烁效应的一种示踪量.它与电离层闪烁有直接的关系，但不能全面描述电离层闪烁强度分布的连续变化.可以将周跳的统计分布规律理解为电离层闪烁大于一定强度的电离层闪烁的分布规律.可以从在地方时变化上周跳主要发生在午夜前，以及在2003年以后周跳很少发生这两个方面看出这一点.因此本文开展的电离层闪烁效应模式化研究结果描述的是电离层强闪烁统计规律，进一步的工作就是通过与具体电离层强闪烁数据的相关分析，修正模式的系数.表3 XIAM站与GUAN站使用183天滑动平均的F10.7作为输入，在2000—2002年间对闪烁日的预报准确率比较Table 3 Prediction accuracy for days of 2000to 2002that GPS Cycle Slip counts≥25by using slip 183day average of F10.7for modeling at XIAM and GUAN station注：CS为实测天数，Mod为预报天数，Acc为命中天数，Acc%为准确率，Mis%为误报率.XIAM 183天滑动平均天滑动平均CS Mod Acc Acc% Mis% CS Mod Acc Acc% Mis%GUAN 183 2000 60 126 48 80.0 25.5 76 126 62 81.5 22.1200173 109 53 72.6 19.173 109 57 78.0 17.8 2002 73 115 60 82.118.8 90 115 70 77.7 16.35 结论针对周跳发生率的统计分析表明，周跳发生率具有明显的时间变化特点，这些特点与中国低纬度地区的闪烁发生率的时间变化特点是一致的，可以作为闪烁效应数据开展电离层闪烁效应模式化工作.从建模过程中开展的工作来看，闪烁效应的计算模式基本考虑了影响电离层闪烁效应的各种参数，以地方时、年积日、F10.7、Ap 指数为输入参数，能够在一定程度上反映电离层闪烁效应的规律.研究结果表明：（1）周跳发生率存在着地方时分布，周跳主要发生在日落19∶00LT后到午夜。

电离层闪烁指数数据格式

电离层闪烁指数数据格式电离层闪烁指数数据格式：探索宇宙中的闪烁奇观引言：电离层闪烁指数是一种用于描述电离层中不均匀性的物理量，它能够帮助我们了解地球大气层中闪烁现象的特点。

本文将深入探讨电离层闪烁指数的数据格式，包括数据的获取、处理和应用等方面，以期让读者对这个神秘的指数有更深入的了解。

一、电离层闪烁指数概述电离层闪烁指数是通过观测地球大气层中的闪烁现象来反映电离层中不均匀性的一种指数。

它通常用于描述电离层的空间和时间变化，可以帮助我们了解气象、电磁波传播和导航系统等方面的特点。

二、电离层闪烁指数数据获取电离层闪烁指数的数据获取主要依赖于地面和卫星观测设备。

地面观测设备通常包括电离层探测仪、雷达和闪烁仪等，它们通过监测电离层中的电子密度变化和光学效应来获取闪烁指数数据。

而卫星观测设备则利用卫星对地观测技术，通过探测地球大气层中的闪烁现象来获取数据。

三、电离层闪烁指数数据处理电离层闪烁指数的数据处理是将原始观测数据进行处理和分析，以得到更可靠的结果。

这一过程通常包括数据质量控制、数据滤波和数据预处理等方面。

数据质量控制主要是通过剔除有异常的数据点，以保证数据的可靠性。

数据滤波则可以应用一系列的数学算法，如平滑滤波和高通滤波等，来降低噪声的影响。

而数据预处理则是对数据进行处理和标定，以便后续的分析和应用。

四、电离层闪烁指数数据应用电离层闪烁指数的数据应用非常广泛。

在空间天气预报中，闪烁指数可以帮助研究者了解电离层中的闪烁现象，从而更好地预测太阳风暴和宇宙射线等天气现象。

在卫星通信和导航系统中，闪烁指数可以帮助优化信号传输的可靠性，提高系统的抗干扰能力。

此外，在大气科学研究中，闪烁指数也被广泛应用于理解大气层中的空间相干性和湍流等问题。

结论：电离层闪烁指数的数据格式是探索宇宙中的闪烁奇观的重要工具。

通过严谨的数据获取、处理和应用，我们可以更好地了解地球大气层中的电离层闪烁现象，从而推动天气预报、通信和导航等领域的发展。

电离层闪烁对卫星导航系统的影响与监测方法分析

Ｓ４＝０．８
莒１０ｏ
｛ＩｌｌＩ９１ｉ；骺晤
３Ｏ
３２
３４
３６
３８
４Ｏ
４２
４４
４６
４８
５Ｏ
载噪比（ｄＢ）
图１不同闪烁强度下的跟踪误差仿真
４５ — — — — 。— —— — — — — —
＋＋
由伪码观测的误差模型：
南
（３）
两个参数：码延迟和频率。由于发生电离层闪烁时信号的能
量较正常情况会发生相应的变化，因此通过测量信号的强
度，并对其数值进行监测，即可实现电离层闪烁的监测。
其中Ｅｐｈ，ａＭｕ．，听唧依次为星历、多路径、对流层误差。
幅度闪烁是常用的电离层闪烁研究方法。常以幅度闪烁
指数来体现闪烁强度的大小＿２】：
Ｓ４＝
］一（Ｅ
ｒＦｆ１、
伪距精度随俯仰角变化的趋势如图２所示。其中指信号强度，・］指１分钟的期望值。值一般介于离层闪烁时，Ｏ和Ｉ之间，其值越大闪烁强度越高。
２．２定位解算精度由最小二乘定位解算结果：
作者简介：贺刘（１９８５一），男，四川眉山。
一
３一
第１５期２０１７年８月
Ｎ０．１５
无线互联科技・通信观察
ＡｕｇＵＳｔ，２０１７
…
…
一
一
Ｓ４＝０Ｓ４＝０６

什么是电离层闪烁？

什么是电离层闪烁？电离层是地球大气层中的一部分，大约位于地表以上80公里到1000公里的高度之间。

电离层闪烁是指在电离层中存在的各种不同频率和强度的无线电信号经过多次反射和散射后，产生的光学现象。

这种现象是由于电离层中的电子和离子与电磁波相互作用所导致的。

电离层闪烁现象的原因主要包括以下几点：1. 太阳活动：太阳活动的变化会对电离层闪烁现象产生影响。

当太阳活动剧烈时，会产生大量的带电粒子，这些粒子在进入地球大气层时会与电离层中的电子和离子发生相互作用，从而导致电离层闪烁现象的增强。

2. 地球磁场：地球磁场的变化也会对电离层闪烁现象产生影响。

地球磁场的强弱和方向会影响电离层中的电子和离子的运动轨迹，从而改变了它们与无线电波的相互作用方式，进而影响了电离层闪烁的强度和频率。

3. 地理位置：不同地理位置上的电离层闪烁现象也存在差异。

在赤道附近的地区，由于地磁场强度较弱，电离层中的带电粒子较多，因此电离层闪烁现象相对较为明显。

而在高纬度地区，电离层闪烁现象相对较弱，这是由于地球磁场的影响较大，限制了电子和离子的运动。

电离层闪烁现象对无线电通信和导航系统都会造成一定的影响。

在高频通信中，电离层闪烁会导致信号的强度和相位发生突变，从而影响通信质量。

在卫星导航系统中，电离层闪烁会造成导航信号的延迟和失真，对导航的准确性和可靠性产生影响。

为了减轻电离层闪烁对通信和导航系统的影响，科学家们正在进行一系列的研究和探索工作。

他们通过收集大量的电离层参数数据，建立了电离层闪烁的数学描述模型，并且开发了多种技术手段来校正和抵消电离层闪烁造成的影响。

总之，电离层闪烁是地球大气层中一种常见的光学现象，由太阳活动、地球磁场和地理位置等因素的综合作用所导致。

电离层闪烁对无线电通信和导航系统产生一定的影响，但通过科学研究和技术手段的不断进步，已经能够有效地减轻这种影响。

基于TEC数据的含电离层闪烁卫星导航信号模拟

收稿日期：２０２２－０７－２０基金项目：国家重点研发计划（２０２０ＹＦＢ０５０５６０３）引用格式：卢丹，李宇鹏，钟伦珑，等．基于ＴＥＣ数据的含电离层闪烁卫星导航信号模拟［Ｊ］．测控技术，２０２３，４２（８）：７１－７５．ＬＵＤ，ＬＩＹＰ，ＺＨＯＮＧＬＬ，ｅｔａｌ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＳａｔｅｌｌｉｔｅＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｉｇｎａｌｗｉｔｈＩｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃＳｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＴＥＣＤａｔａ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２３，４２（８）：７１－７５．基于ＴＥＣ数据的含电离层闪烁卫星导航信号模拟卢　丹，李宇鹏，钟伦珑，胡铁乔（中国民航大学智能信号与图像处理天津市重点实验室，天津　３００３００）摘要：电离层闪烁导致卫星导航信号在传播过程中幅度与相位发生随机波动，严重影响接收机的性能。

为模拟真实的受电离层闪烁影响的卫星导航信号，以供接收机进行性能测试，提出了基于电离层总电子含量（ＴｏｔａｌＥｌｅｃｔｒｏｎＣｏｎｔｅｎｔ，ＴＥＣ）数据的电离层闪烁仿真方法。

该方法通过输入卫星观测文件与导航电文获得电离层的ＴＥＣ和仰角，利用ＴＥＣ数据和各卫星仰角，估计出受电离层闪烁影响的各卫星导航信号幅度闪烁指数和相位闪烁指数，结合Ｃｏｒｎｅｌｌ模型实现卫星导航信号模拟。

该方法充分考虑了卫星导航信号闪烁指数获取困难，以及电离层闪烁对不同卫星导航信号的影响，能够高保真反演卫星导航信号。

试验结果表明，该方法反演的电离层闪烁与实际发生的闪烁具有良好的一致性。

关键词：卫星导航系统；电离层闪烁；总电子含量；Ｃｏｒｎｅｌｌ模型；闪烁指数中图分类号：Ｖ２４１６文献标志码：Ａ文章编号：１０００－８８２９（２０２３）０８－００７１－０５ｄｏｉ：１０．１９７０８／ｊ．ｃｋｊｓ．２０２３．０８．０１１ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＳａｔｅｌｌｉｔｅＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｉｇｎａｌｗｉｔｈＩｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃＳｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＴＥＣＤａｔａＬＵＤａｎ牞ＬＩＹｕｐｅｎｇ牞ＺＨＯＮＧＬｕｎｌｏｎｇ牞ＨＵＴｉｅｑｉａｏ牗ＴｉａｎｊｉｎＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＡｄｖａｎｃｅｄＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ牞ＣｉｖｉｌＡｖｉａｔｉｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ牞Ｔｉａｎｊｉｎ３００３００牞Ｃｈｉｎａ牘Ａｂｓｔｒａｃｔ牶Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎｃａｕｓｅｓｒａｎｄｏｍａｍｐｌｉｔｕｄｅａｎｄｐｈａｓｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓｏｆｓａｔｅｌｌｉｔｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ牞ｗｈｉｃｈｓｅｒｉｏｕｓｌｙａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｒｅｃｅｉｖｅｒ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｒｅａｌｓａｔｅｌｌｉｔｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎｆｏｒｒｅｃｅｉｖｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔ牞ａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｔｏｔａｌｅｌｅｃｔｒｏｎｃｏｎｔｅｎｔ牗ＴＥＣ牘ｄａｔａｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂｙｉｎｐｕｔｔｉｎｇｓａｔｅｌｌｉｔｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｆｉｌｅｓａｎｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｍｅｓｓａｇｅｓ牞ｔｈｅＴＥＣａｎｄｅｌｅｖａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＴｈｒｏｕｇｈＴＥＣｄａｔａａｎｄｔｈｅｅｌｅｖａｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｓａｔｅｌｌｉｔｅ牞ｔｈｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎｉｎｄｅｘａｎｄｐｈａｓｅｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｏｆｅａｃｈｓａｔｅｌｌｉｔｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎａｒｅｅｓｔｉｍａｔｅｄ．ＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈＣｏｒｎｅｌｌｍｏｄｅｌ牞ｔｈｅｓａｔｅｌｌｉｔｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｆｕｌｌｙｃｏｎｓｉｄｅｒｓｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｆｏｂｔａｉｎｉｎｇｔｈｅｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｏｆｓａｔｅｌｌｉｔｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓ牞ａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｔｅｌｌｉｔｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓ牞ｗｈｉｃｈｃａｎｒｅｔｒｉｅｖｅｓａｔｅｌｌｉｔｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓｗｉｔｈｈｉｇｈｆｉｄｅｌｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎｒｅｔｒｉｅｖｅｄｂｙｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｉｎｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ牶ｓａｔｅｌｌｉｔｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ牷ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ牷ｔｏｔａｌｅｌｅｃｔｒｏｎｃｏｎｔｅｎｔ牷Ｃｏｒｎｅｌｌｍｏｄｅｌ牷ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎｉｎｄｅｘ电离层闪烁会导致卫星导航信号的幅度与相位发生随机波动，严重影响接收机的性能，当多颗卫星同时发生闪烁时，甚至会导致接收机无法工作［１－２］。

国际电离层参考模型

国际电离层参考模型介绍国际电离层参考模型（International Reference Ionosphere，IRI）是一个国际共识的标准模型，用于描述地球电离层中的各种参数。

它提供了电离层的电子密度、电离层高度和其他重要参数的全球分布数据，是研究电离层活动和预测电离层行为的重要工具。

IRI的发展历程早期模型早期的电离层模型是基于观测数据的统计分析结果，主要是通过天空波的测量来获取电离层的参数。

这些模型仅适用于局部区域，并且在某些情况下缺乏准确性。

IRI的诞生为了解决早期模型的局限性，国际电离层研究界于1968年成立了IRI委员会，目的是开发和维护一个全球范围内的标准电离层模型。

经过多年的努力，IRI在1988年首次发布，并迅速被广大科研工作者接受和应用。

IRI的更新和改进自IRI首次发布以来，不断有新的观测数据和研究成果被纳入模型中，使得IRI的精度和适用性得到了显著提高。

IRI在1990、2001、2007和2016年分别进行了四次重要更新，每次都对电离层模型的参数和计算方法进行了改进。

IRI的主要参数和计算方法IRI模型包括许多参数，如电子密度、电离层高度、电离层电流等。

这些参数用于描述电离层的基本特征和行为。

电子密度参数电子密度是电离层模型中最重要的参数之一，它表示在每立方米空间中存在的自由电子数量。

IRI使用函数曲线来描述电子密度的全球分布，并考虑了日变化和年变化等因素。

电离层高度参数电离层高度是指电离层中固定电子密度值的对应高度，通常用到的是F层高度（F2层和F1层）。

IRI使用F2层峰值高度来描述电离层的高度特征，峰值高度受到太阳活动和地磁活动的影响。

电离层电流参数电离层电流是指由于电离层中的自由电子产生的电流。

IRI考虑了地球磁场和电离层特征的相互作用，提供了电离层电流的全球分布数据。

IRI的应用领域IRI模型在科学研究和应用技术中都有着广泛的应用。

电离层通信IRI模型提供了不同频率和不同季节下的电离层参数，这对于电离层通信系统设计和频率规划非常重要。

电离层模型

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）摘要随着现代通信科学、计算机科学、空间科学、海洋科学、地球科学等学科在众多相关领域的交叉研究和集成应用的迅速发展，人们能更多地利用电波在电离层中的传播特性，来完成远距离通信、超视距探测、大范围导航等活动，因此电离层对人类生产与生活的影响也日益突出。

同时，由于电离层自身结构的复杂性，导致对其模型的刻画和预测带来了诸多不便和较大的误差。

为了能更好的利用电离层，进一步研究电离层模型显得尤为重要。

本文所做的工作主要包括以下几个方面：1.关于电离层的概述。

包括电离层的形成、结构、探测方法以及影响因素等几个方面的介绍。

从而比较全面地了解电离层物理状态和相关的特性，为进一步的研究奠定基础。

2.电离层模型的研究方法。

由于课题研究的目的是研究误差小的电离层模型，所以深入探讨一下模型的研究方法还是很有必要的。

首先简要说明了电离层模型概况，然后重点阐述了两种有代表性的研究方法，并对每种方法列举了几个有代表性国家所采用的研究方法和一些有代表性的模型。

3.研究适合我国电离层的特点的电离层模型，重点针对模型的相关参数进行了仿真和讨论。

首先分析了我国电离层的特点和选择了一种较适合的研究方法；然后选取了一组测量数据，并根据数据特点建立了一个统计模型；最后利用Matlab对模型的相关参数进行仿真实验，还与IRI模型比较，探讨了误差情况。

关键词电离层；电离层模型；研究；统计模型I哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）AbstractWith explosive growth and integration of many interfacing discipline, such as communication, computer science, space science, marine sciences, geosciences and so on, people have made the most use of the ionosphere to establish long distance communications, over-the-horizon detection , large-scale activities such as navigation, ionosphere and the human impact on the lives of production also have become increasingly prominent. At the same time, due to the ionosphere to the complexity of their structure, leading to the characterization and prediction model has brought a lot of inconvenience and greater error. To be able to make better use of the ionosphere, and further study the ionosphere model it is particularly important.The thesis consists of the bellowing parts:1. Ionosphere on the outline. Ionosphere, including the formation, structure, methods of detection and the impact of several factors, such as the introduction. Thus more comprehensive understanding of the physical state of the ionosphere and the related properties, to further lay the foundation for the study.2. Ionosphere model of research methods. Since the purpose of the research is to study the ionosphere error on the model, the model in-depth study or research methods is necessary. First a brief description of the ionosphere model profile, and then focused on two representative research methods, and each method representative cited a number of countries used by the research method and number of representative models.3. Suited to China's ionosphere on the characteristics of the ionosphere model, focused on the model of the relevant parameters of the simulation and discussion. China's first analysis of the characteristics of the ionosphere and choose a more appropriate method and then select a set of measurements and data features based on the establishment of a statistical model and finally the use of Matlab model of the relevant parameters simulation, And the IRI model, the circumstances of the error.Keywords ionosphere;ionosphere model;disquisition;statistical modelII哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 课题背景及意义 (1)1.2 国内外研究现状据分析 (1)1.3 研究电离层模型的必要性 (2)1.3.1 电离层与电波传播（雷达） (3)1.3.2 电离层与卫星通信 (3)1.3.3 电离层与天气预报 (4)1.4 课题研究的内容 (4)第2章电离层概述 (5)2.1 电离层的形成理论 (5)2.1.1 Chapman理论 (5)2.1.2 等离子体理论 (5)2.2 电离层的结构 (6)2.3 电离层的测量 (7)2.3.1 垂测法 (7)2.3.2 返回斜向探测法 (8)2.3.3 GPS探测法 (9)2.4 影响电离层的因素 (9)2.4.1 太阳活动因素 (9)2.4.2 电离层的等离子因素 (10)2.4.3 地域因素 (10)2.4.4 不规则结构因素 (10)2.4.5 中性成分和地磁因素 (10)2.5 本章小结 (11)第3章电离层模型 (12)3.1 电离层模型概述 (12)3.2 电离层模型研究的方法 (12)3.2.1 理论模型 (12)3.2.2 经验与半经验模型 (14)III哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3.3 本章小结 (15)第4章适合我国的经验模式模型 (16)4.1 我国的电离层 (16)4.1.1 赤道异常（又称为赤道双峰） (16)4.1.2 经度效应 (16)4.1.3 声重波 (16)4.2 实验数据 (17)4.3 仿真模型的建立 (17)4.3.1 数据分析 (17)4.3.2 建立模型 (18)4.3.3 模型参数计算及仿真 (20)4.4 模型与观测数据及IRI模型计算结果的比较 (22)4.5 本章小结 (26)结论 (27)致谢............................................................................错误!未定义书签。

电离层闪烁模型

ITU-R P.531-9建议书卫星业务和系统设计中需要的电离层传播数据和预测方法（ITU-R 218/3号研究课题）（1978-1990-1992-1994-1997-1999-2001-2003-2005-2007年）范围ITU-R P.531建议书介绍了一种在0.1至12GHz频率范围内在地对空路径上评价电离层传播效应的方法。

当信号通过电离层时，可能在地对空路径上发生以下效应：- 由于在路径上的地球磁场内电磁波与离子化媒质发生交互作用而导致的极化的旋转（法拉第旋转）；- 由于在路径上积累的总电子含量（TEC）而导致的信号成组延迟；- 由于电离层的小规模不规则结构而导致的幅度和相位的迅速变化（闪烁）；- 由于衍射而导致的到达方向的明显变化；- 由于非线性极化旋转和时延而导致的多普勒效应。

本建议书所述的数据和方法适用于在附件1所述的各有效范围内所进行的卫星系统规划工作。

国际电联无线电通信全会，考虑到a）电离层对至少12 GHz以下频率的传播有显著的影响；b）对3 GHz以下频率的非对地静止卫星轨道业务影响尤为显著；c）已经给出了经验数据和/或提出了建模方法，可用于预测卫星系统规划所需的电离层传播参数；d）电离层作用有可能影响综合业务数字网（ISDN）以及包括空间飞行器在内的其他无线电系统的设计和性能指标；e）已经发现这些数据和方法在传播现象自然变异性范围内可适用于卫星系统规划，建议1附件1中给出的数据和提出的方法在各自适用的范围内适用于规划卫星系统。

附件 11 引言本附件涉及电离层传播对地—空路径的影响。

从系统设计的角度来说，电离层效应可以归为以下几类：a）卫星移动业务（MSS）传输路径上积聚的电子总容量（TEC）渗透电离层可引起MSS载波的极化旋转（法拉第旋转）和信号时延，并且因为折射效应引起到达方向的变化；b）电离层的局部随机性，也就是通常所说的电离层不规则性，将进一步引起超量和随机的旋转以及信号时延，这些只能用随机术语进行描述；c）因为与旋转和时延相关的电子密度与频率的关系是非线性的，并且由于链路在局部不规则的电离层中的显著移入和移出产生的多普勒效应，a）和b）会进一步导致MSS载波的散射和群速度失真；d）此外，电离层的局部不规则性如聚焦或散焦的棱镜也会引起电波的会聚或发散。