国际参考电离层中国区域适用性研究

As a dispersive medium ionosphere causes the radio signal's time delay and phase change, which have a linear relationship with the total electron content (TEC) of the ray path. Thus, ionosphere is the main error source of radio astronomy and satellite related system. The accurate ionospheric model is critical to calibrate ionosphere. International Reference Ionosphere (IRI) is the most commonly used model at present. The electron density of IRI is based on the data from the sparse distributed ground and satellite-based ionosondes. The TEC estimation error of IRI is large and needs to be corrected in China region.. This project studies the applicability of IRI with the derived TEC from GPS data in China. The ionosonde data is used to modify the IRI parameters of foF2 and hmF2. The neural network algorithm is used to modify B0 and B1. Through the above study, the revised IRI-TEC will be in better agreement with GPS-TEC, and the corrected model of IRI in China can be obtained. The result of this project will provide physical basis to high precision ionospheric calibration for radio astronomical observation and satellite related system.

电离层引起的电波信号传输时延和相位改变与电离层总电子含量（TEC）成正比，是射电天文观测和卫星相关系统的主要误差源。为了进行电离层校准，发展精确的电离层模型是解决问题的关键。国际参考电离层（IRI）是目前最为常用的电离层经验模型。在电子密度描述方面IRI主要依赖于全球稀疏分布的地基测高仪和少量的星基测高仪的观测数据建模，在中国区域TEC估计误差较大，需进行修正。. 本项目利用GPS观测数据反演的电离层TEC开展IRI中国区域的适用性研究，利用电离层测高仪开展中国区域IRI模型参数F2层临界频率foF2和F2层峰值高度hmF2的修正研究工作。利用神经网络算法对IRI的底部厚度参数B0和底部形状参数B1进行修正，使得IRI-TEC更加接近GPS-TEC，从而获得国际参考电离层在中国区域的修正模型。本项目的开展可为中国区域射电天文观测等的高精度电离层校准奠定基础。

当电波信号经过电离层时会引起信号的传输时延和相位改变，是射电天文观测和卫星相关系统的主要误差源，通常利用国际参考电离层模型（IRI）进行电离层相关参数估计。IRI模型在电离层建模时使用的中国区域的观测数据少，因此在中国区域IRI模型对电离层总电子含量（TEC）的估计可能存在问题。本项目利用中国地壳网（CMONOC）的GNSS接收机和电离层测高仪的观测数据开展了IRI模型中国区域TEC估计适用性的研究工作。IRI模型对中国中纬和高纬度区域的TEC估计较好，而对较低纬度区域特别是赤道异常区北驼峰附近估计较差，估计误差最大可达50 TECU。IRI模型对夏季和秋季的TEC估计要明显好于春季和冬季。IRI模型对于TEC的纬度梯度和时间变化率的估计都存在一定的误差。本项目利用GNSS观测数据开展了电离层单层模型和双层模型的TEC反演方法的工作。对于单层模型开展了球谐函数、多项式及网格法数学建模，利用最小二乘算法和神经网络算法进行TEC计算的工作。本项目提出了一种基于神经网络的双层模型TEC反演方法，该方法比单层模型具有更高的TEC估计精度，估计的TEC对薄层高度的选择依赖更少，对电离层赤道异常区的描述更加准确。基于IRI模型开展了TEC误差特性的研究，发现STEC的拟合残差的分布是Laplace分布而不是正态分布，观测数据中的随机噪声并不是独立同正态分布的，不能用拟合残差来衡量TEC的估计精度。对于独立非同分布情况下的TEC反演方法的研究将具有重要的价值和意义。本项目基于GNSS观测数据和IRI模型也开展了电离层层析方法的研究工作，提出了一种基于虚拟参考站的电离层层析方法，该方法可以明显改善问题的不可解率，提高估计精度。电离层层析方法可以得到电子密度随高度的变化情况，这是TEC所不能提供的。电离层层析算法构建电子密度的三维结构对于改进IRI模型对中国区域的电子密度的估计提供了重要的研究手段。同时，本项目也对IRI模型的foF2、hmF2和其他电离层参数适用性及修正开展了一定的研究工作，为下一步的电离层的电子密度三维建模研究提供了一定的基础。