电离层结构

电离层结构

dianliceng jiegou

电离层结构

ionospheric structure

电离层结构可以利用电离层中电子密度、离子密度、电子温度、离子温度等参量的空间分布来表示，但其中最重要的是电子密度的空间分布。研究电离层结构主要是研究电子密度随高度的分布。电子密度，也称电子浓度，是指单位体积的自由电子数。电子密度随高度的变化与各个高度上大气的成分、密度、太阳辐射通量等因素有关。

电离层分层结构观测表明，电离层电子密度在垂直方向上呈分层结构。在离地球表面约60～1000公里高度范围内，主要有3层：D 层、E层和F（F1与F2）层。大约在300公里处电子密度达到最大值，再往上电子密度缓慢下降，在约1000公里处同磁层衔接。在中纬度地区，太阳活动高年和低年、白天和夜间的典型电子密度与高度的关系如图1[ 太阳活动高年和低年的典型电子密度分米至二公里左右,水平方向延伸一般为0.1～10公里，但也有扩展到数百公里的；高度大致在110公里，最大电子密度可达10(厘米(；底部的电子密度梯度大约为10(～10(厘米(·公里(。

扩展F是一种发生在F区域的不均匀结构，它在频高图（亦

称电离图）上的表现如图2[扩展F频高图]。图中正常的F层描迹逐渐扩展，它是F层电子密度不均匀体对电波散射的结果，扩展F由此得名。在赤道区,这种不均匀体常沿地磁场方向拉长，并且分布在较宽的高度范围，从250公里直至1000公里以上。

电离层的热结构电子温度、离子温度随高度的分布称为电离层的热结构。由于光电子将动量传给电子比传给离子来得快；而离子将动量传给中性粒子又比电子要快，于是3种粒子温度常满足关系Te>Ti>Tn，其中Te为电子温度，Ti为离子温度,Tn为中性粒子温度（又称中性气体温度）。在120公里以下碰撞频率很大，3种温度接近相等。而在这一高度之上到200公里,地球向阳面的Te急剧上升,达到中性粒子温度的3倍。在200公里以上,电子温度同电子密度的高度分布关系极为密切，通常二者变化相反。离子温度在350公里以下接近中性粒子温度；但在这一高度之上Ti开始增加，直到最后Ti=Te。在1000公里以上，这两种温度可能比中性粒子温度高几千开。在夜间由于光电离停止，3种气体温度趋向相等。

布]。

D 层电离层的底部，电离度较低（包括多种原子离子团）的大气所构成的一层，约位于60～90公里的区域。在这一范围内，层状结构不如E层和F层明显，所以有时称之为E层的“缘”。在D层中，由于中性大气成分密度很大，电子和中性粒子之间的碰撞频繁，并与分子结合形成负离子，因此D层离子密度大于电子密度,这是D层的一个特点。

在D层区域，电离过程主要是太阳的氢赖曼（L）谱线对NO的光电离，发生的高度在80公里左右。其次是1027～1118埃的太阳辐射对O2的电离。最低处60公里左右是银河宇宙线和太阳X射线产生的N和O。D层电子密度在10(厘米(以下。在夜间电子大量消失，以致可以认为D层不复存在。

E层约在90～140公里的区域,其位置比较稳定。E层电子密度介于10(～10(厘米(之间。在中纬度地区,E层电子密度峰值的高度通常位于110～120公里，而在低纬地区约低10公里。火箭探测表明,从这一高度到F层之间的区域，电子密度不像早期认为的那样存在着一个深的“谷”区。日落后，E层电子密度峰值下降到夜间值,典型数据为5×10(厘米(。

太阳紫外线（1000～1020埃）和软X射线（10～170埃）是E层光致电离的主要源，主要离子成分是O和NO(。由于E层的形成同多种波长的辐射有关,故其垂直结构比较复杂。

F层在E层之上一直到数百甚至上千公里统称为F层，是电离层的主要区域。白天F层分为F1层和F2层，F2层处于F1层之上，夜间F1层消失。F1层和F2层在化学结构（离子成分）、热结构和受地磁场控制等方面各具特点。

①F1层高度一般在140～200公里之间。电子密度为10(～10(厘米(。它与F2层经常无明显分界而表现为F2层底部的一个“缘”。同E层一样,F1层电子密度分布也比较接近查普曼层。

F1层是被大气强烈吸收的那部分远紫外辐射所产生的。500～600

埃的辐射在大约160公里高度达到单位光学深度（见电离层的形成），因而200～910埃范围内的辐射可能都对F1层的电离有贡献。这些辐射产生离子O、N、O(、H和N(。由于随后的一系列反应，最终产物以NO(和O为主。随着高度上升,主要离子成分由分子逐渐过渡为原子离子。

②F2层F层主要是指F2层。它有明显的电子密度峰值,峰值高度约在300公里，峰值密度可达10(厘米(。在这一峰值高度以上，电子密度随着高度的增加而缓慢减少。在1000公里处，电子密度约为10(～10(厘米(; 而在2000～3000公里，电子密度约为10(～10(厘米(。F2层电离源与F1层相同。主要离子成分为原子离子，有O(和N(，其中O(是主要的。负离子和双电荷正离子很少，正离子密度与电子密度相等。

电离层不均匀结构除了上述正规层次外，电离层区域还存在不均匀结构。它们是由电离层的不均匀体构成的，或由电离密度汇聚引起的，如Es层和扩展F。

Es层即偶发E层。一种在时间上较常见、出现于E层区域的不均匀结构。它有时是一片密集的不均匀体，有时是强电离的薄层电离区。中纬地区的薄层Es，厚度约为几百

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 1 1 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。这些效应通常被称为闪烁，将引起MSS信号的幅度、相位和到达角的变化。 因为电离层物理特性复杂，上面提到的受电离层效应影响的系统参数不总是能用简单的分析公式简洁地表述。相关数据将以表格和/或图片的方式表达，并辅以进一步描述或限定性说明，在实际使用中这是最好的表述。 在考虑传播效应对3 GHz以下频率的MSS系统设计的影响时，必须认识到： e）与§f）和h）带来的影响相比，通常认为水汽现象对空—地传播路径的影响较小； f）自然表面或人为障碍物影响和/或在较低仰角情况下带来的近地表面多径效应通常比较严重； g）近地表面多径效应在各个地点的影响是不同的，因此在MSS系统设计中考虑全球范围内传播因素时，该效应不占主导地位； h）在全球范围内进行MSS系统设计时，电离层效应是需要考虑的最重要的传播因素。 2 背景 因太阳辐射而产生的地球电离层由几个离子化区域组成。从实际通信目的出发，电离层区域D、E、F 和电离区域顶端被认为有助于形成卫星和地面终端之间的TEC。 每个区域中的电离介质在空间上不均匀，在时间上也不稳定。一般而言，电离背景与有序的昼夜、季节和为期11年的太阳活动周期的更替相关，并且强烈依赖于地理位置和地磁活动。除电离背景之外，总是存在着被称为不规则性的高动态、小规模、非稳定的结构。电离背景和不规则性都将使无线电波恶化，进一步地还会使得折射率由频率决定，也即介质色散。

电离层简析

电离层简析 07084017 强龙 摘要： 此论文主要针对电离层模型作用及其概念论述的一些观点，希望借此让自己对电离层有更好地了解。 引言： 包围地球的是厚达两万多千米的大气层，起运动的、变化对无线电波传播有很大的影响，对人类的生存也起着至关重要的影响，由其是电离层起着保护人类的作用。研究电离层对我们的重要性不言而喻。 1899年特斯拉试图使用电离层进行远距无线能量传送。他在地面和电离层所谓的科诺尔里亥维赛层之间发送极低频率波。基于他的试验的基础上他进行了数学计算，他对这个区域的共振频率的计算与今天的试验结果相差不到15%。1950年代学者确认这个共振频率为6.8Hz。 1901.12.12古列尔莫·马可尼首次收获跨大西洋的信号传送。马可尼使用了一个通过风筝竖起的400英尺长的天线。在英国的发送站使用的频率约为500kHz，其功率为到那时为止所有发送机的100倍。收到的信号为摩尔斯电码中的S（三点）。要跨越大西洋，这个信号必须两次被电离层反射。继续理论计算和今天的试验有人怀疑马可尼的结果，但是1902年马可尼无疑地达到了跨大西洋传播。 1902年奥利弗·黑维塞提出了电离层中的科诺尔里亥维赛层的理论。这个理论说明电波可以绕过地球的球面。这个理论加上普朗克的黑体辐射理论能阻碍了射电天文学的发展。事实上一直到1932年人类才探测到来自天体的无线电波。1902年亚瑟·肯乃利(Arthur Kennelly)还发现了电离层的一些电波-电子特性。 1912年美国国会通过1912年广播法案，下令业余电台只能在1.5MHz以上工作。当时政府认为这以上的频率无用。致使1923年使用电离层传播高频无线电波的发现。 1947年爱德华·阿普尔顿因于1927年证实电离层的存在获得诺贝尔物理学奖。莫里斯·维尔克斯和约翰·拉克利夫研究了i长波长电波在电离层的传播。维塔利·金兹堡提出了电磁波在电离层这样的等离子体内的传播的理论。 正文： 离地面约10~12km以内的空间里是大气的对流层。是由于地面吸收太阳辐射能量而向上传输热能形成强烈的对流而形成的。顶部气温大概在-50oC左右，大气3/4的质量和90%的水汽都集中在这层，几乎所有的气象现象都是在这一层发生的。离地面10~60km的空间气温会随高度略有增加，对流减弱，称为平流层，对电波传播影响很小。 平流层向上到1000km的区域称为电离层，主要是由自由电子、正离子、负离子、中性分子和原子等组成的等离子体。 电离层的由来： 太阳辐射的紫外线、X射线、高能带电微粒流、微流星及其他来自宇宙的射线电磁波，其中太阳中紫外线辐射是主要的原因，由于起带有大量带电粒子，所

电离层无线电波传播

电离层无线电波传播 dianliceng wuxian dianbo chuanbo 电离层无线电波传播 radio wave propagation in the ionosphere 无线电波在电离层中传播的规律及其应用的研究，早先着重于电波在电离层F2层电子密度峰值以下区域的传播问题，人造卫星上天以后，扩展到穿越整个电离层区域的传播规律问题。 基本理论电离层由自由电子正离子负离子、分子和原子组成，是部分电离的等离子体介质。带电粒子的存在影响无线电波的传播，其机制是带电粒子在外加电磁场的作用下随之振动，从而产生二次辐射，同原来的场矢量相加，总的效果表现为电离层对电波的折射指数小于1。由于自由电子的质量远小于离子的质量,一般电子的作用是主要的，只要考虑电子就够了。但如电波频率较低而接近于离子的等离子体频率时，离子的影响也不能忽略。由于地磁场的存在，带电粒子也受它的影响，所以电离层又是各向异性的（见磁离子理论）。电离层的形成和结构特性是受太阳控制的，因此它既随时间又随空间变化。在这样复杂的介质中，分析无线电波传播问题必须建立相对简化的物理模型并根据电波的频率采用相应的理论和方法。对于电离层电波传播，介质的折射指数是一个最根本的参数，实验证明相当有效。为人们普遍接受的磁离子理论表达的折射指数的公式称为阿普尔顿-

哈特里公式,它是电离层电子密度和电波频率的函数，所以又被称为色散公式，而电离层则是一种色散介质。对于短波和波长更短的电波传播问题，可以采用近似的射线理论，对长波和超长波则一般需要采用波动理论，有时可将地面和电离层底部之间看作一个同心球形波导。 折射和反射电离层的折射指数主要取决于电子密度和电波频率，电子密度愈大或电波频率愈低，折射指数愈小。因为电离层的折射指数小于1,电波在电离层中受到向下折射，在垂直投射的情况下，折射指数等于零时，电波不能传播，产生“反射”。在一定值的电子密度情况下，使折射指数为零的频率称为电波的临界频率，在地磁场的影响可以忽略时，这一频率就等于电子的等离子体频率。电离层的电子密度随高度的变化具有分层结构（见电离层结构），因此从地面向上传播的电波受到折射后传播路径逐步弯曲，最后转向地面；从而使地面上的远距离传播成为可能。较高频率的电波，穿透电离层的程度也较深，受折射影响偏离直线传播的程度则较小。电波频率超过某一数值时将穿透整个电离层而不被反射。在垂直投射时，对应这一频率的值就是电离层最大电子密度处的临界频率。在斜投射的情况下，也有一个大于上述垂直投射时临界频率的临界值，称为最高可用频率,用MUF表示，只有当使用的电波频率低于它时，电波才能返回地面。显然MUF与电波的投射角度有关,仰角愈小，MUF愈大，传播的距离也愈远。 电波的吸收电离层对电波有衰减作用，称为电离层的吸收，主要

电离层垂直探测知识讲解

电离层垂直探测

电离层垂直探测目录 一、概论 二、系统设备 三、基本原理 四、电离层垂测图数据处理及分析 五、电离层垂测的目的与用途

电离层垂直探测 一、概论 电离层垂直探测是电离层研究中历史最悠久、至今仍然广泛使用的电离层地面常规探测方法。这种方法通过垂直向上发射频无线电脉冲，频率f在1～30MHz范围内变化（频率扫描），接收在不同频率上由电离层反射的回波（Echo），测量回波的传播时间τ（Time of Flight），或者虚高（h’= cτ/2）随频率变化的频高图(Ionogram)。根据对频高图的度量分析和反演，可以获得电离层特征参数，如F 层临界频率foF2，最大电子密度NmF2，以及探测点上空峰值高度以下电子密度随高度的一维分布，即电子密度剖面。这是传统垂直探测方法能够提供的最重要的关于电离层结构的信息。现代数字测高仪除了测量回波的传播时间，还可测量回波的偏振、振幅和相位谱，以及回波到达角，提供更丰富的关于电离层结构与动力学信息。 简单地说电离层垂直探测是用电离层测高仪（垂测仪）从地面对电离层进行日常观测的技术。这种技术垂直向上发射频率随时间变化的无线电脉冲，在同一地点接受

这些脉冲的电离层反射信号，测量出电波往返的传递时延，从而获得反射高度与频率关系的反射曲线。 二、 系统设备 垂直探测设备主要包括：发射系统、接收机系统、频率合成系统、同步控制与时钟系统、数字处理、数据终端、自动判读和天线系统等 。 垂测设备组成框图 发射天线 接收天线 GPS 天线 输出滤波 发射机 频率合成 接收机 信号处理 控制器 网络 计算机数据线端 电源 时钟 接口

实时区域电离层TEC建模、预报及差分码偏差估计

实时区域电离层TEC建模、预报及差分码偏差估计 畅鑫，张伟 武汉大学测绘学院，武汉430079 摘要: 电离层总电子含量（TEC）模型对于导航，精密定位以及其他相关应用有重要意义，能否有效地消除或减弱电离层延迟误差关系到众多单频GNSS接收机用户导航与定位的精度与可靠性。目前中国连续地面参考运行（CORS）系统的高速发展给实时精确建立区域电离层模型提供了条件。本文将使用电离层残差组合观测值和低阶球谐函数模型对区域电离层TEC建模，同时估计差分码偏差（DCBs）和VTEC。广域定位中，由于区域跨度大，观测站分布较稀疏，平均站间距较大，故选择欧洲均匀分布的14个IGS观测站将组成一个大型的CORS网，VTEC模型系数15分钟结算一次，差分码偏差一天结算一组结果。在与IGS分析中心CODE发布模型的对比中得出，差分码偏差的差值的平均值小于0.35 ns，RMS 小于0.2 ns，VTEC差值基本小于2TECU，作为预报的VTEC模型精度95%在1TECU内，在单频单点伪距静态定位中，较之CODE模型也有较大改善。 关键词: CORS；电离层；区域模型；预报；总电子含量；差分码硬件偏差 1 引言 电离层总电子含量（TEC）及其变化不但是电离层形态学研究的重要资料，也是精密定位、导航和电波科学中电离层改正的重要参数，在美国取消SA政策后，电离层延迟成为了影响定位和导航的最大误差源。在精密定位中，电离层的准确估计将更好的改正GNSS观测值，同时高精度的电离层估计对空间大气、地球观测等方面都有重要意义[1,2]。IGS于1998年采用Schaer[3]等提出的电离层总电子含量数据交换格式文件IONEX，同年成立IGS电离层工作组发布了全球电离层图（GIM），提供卫星和接收机频率间码延迟偏差DCB信息。Gao Y.[1]等对二维单层模型和三维层析模型进行了对比分析。萧佐[4]对电离层模型进行了系统的分类，将电离层模型分为统计、经验及物理等几种。Schaer[5]结合CODE分析中心的全球电离层模型对利用GPS技术探测电离层理论进行了详细介绍。GPS电离层探测技术可以反演电离层变化，对电离层物理特性及其观测进行研究。张小红、李征航等[6]人对利用双频GPS观测数据建立电离层延迟模型进行了深入研究。袁运斌，欧吉坤[7]利用GPS研究了电离层延迟及电子浓度变化的规律。章红平[8]着重对利用地基GPS 进行电离层模型建立、数据分析处理，电离层时空变化的监测进行了研究。 GPS差分码偏差（Difference Code Bias，DCB）包括卫星端和接收机端差分码偏差，是指同时刻同频率或不同频率不同伪距码观测量之间的时间偏差。DCB是一个相对量，根据接收机的不同，可分为P1码/P2码、P1码/C1码及C1码/P2码等。差分码偏差直接影响C1码、P1码及P2码相对测量精度，该参数的精密确定对提高GPS精密单点定位精度、GPS时间同步精度以及GPS电离层监测精度等具有重要作用[9]。 近年来，随着我国CORS的迅猛发展，如何利用区域CORS数据高精度实时电离层模型，尤其是针对广域定位，观测站分布稀疏，站间距较大的情况下，准确消去电离层影响对提高单频接收机定位精度具有重要应用价值。本文将研究基于P4（电离层残差）组合，将卫星端和接收机端DCB作为参数参于球谐函数区域电离层建模的方法，准确估计区域电离层模型及DCBs，并探讨使用较短时间间隔确定的VTEC模型作为后一时段的预报模型的精度与可靠性，采用单频单点伪距静态定位检验其效果。 2 GPS电离层探测方法 电离层是由电离化的等离子体等组成的距地球表面50-2000km的大气层区域。根据电子密度可以分为高度不同的层，一般在350km电子密度达到峰值。对于二维电离层模型，一般采用薄壳模型，如图1将整个电离层压缩成一个高度为H没有厚度的薄壳[10]，以总电子含量TEC描述其性质，TEC是底面积为1m2的贯穿整个电离层的柱体中的自由电子数，通常用TECU（1 TECU=1016 Ne/m2）表示。

3.电离层数据浏览与显示

项目文档9 数字频高图自动度量分析软件 中国科学院地质与地球物理研究所 “电离层历史资料编研”项目组 2010年12月30日

目录 1SAO Explorer软件简介 (1) 2频高图的标定 (3) 3电离层数据浏览与显示 (5) 4SAO Explorer使用技巧 (8) 5总结 (16)

电离层频高图的标定是采用专用的软件对电离层频高图中所代表的电离层特征参数进行自动或者人工判读和度量，进而得到电离层参数和电子浓度剖面。在这方面，世界各国相关单位已经开展过一些研究与软件开发，目前使用得最广泛，最受研究人员欢迎的是SAO Explorer电离层频高图浏览与标定软件。该软件由美国麻州大学Lowell分校大气研究中心研发，并公开提供给各国研究人员使用。该软件的下载地址和相关文档可见如下网址： https://www.wendangku.net/doc/648681198.html,/SAO-X/SAO-X.html 1.SAO Explorer软件简介 图1.1是SAO Explorer软件的界面。SAO Explorer能够打开频高图图片和ARTIST软件自动标定的SAO文件，人工检查标定结果，并能编辑自动标定时出错的结果。最终以SAO文件存储标定得到的电离层特征参数和电子浓度剖面。 SAO Explorer软件原本是用于美国Lowell大学所开发的Digisonde系列数字测高仪的数字频高图的标定，经过项目组的实验和使用，发现该软件用于胶片频高图所转换的数字频高图上也有较好效果。图1.2是采用SAO Explorer软件打开一幅经过由胶片频高图转换而来的数字频高图后，该频高图观测日期为1991年3月1日0700UT，图1.3是该频高图对应的分割定标之后的胶片频高图图片。可以看出，胶片频高图经转换成数字频高图后，较好地保留了原始观测信息，频高图的主描迹非常清晰，横轴（频率）、纵轴（高度）信息完整，描迹和坐标轴信息与胶片频高图上一致。另外，由于SAOExplorer默认显示世界时，而胶片频高图上显示的时间为地方时，1991年3月1日1500LT，所以实际上二者的时间信息一致。 图1.4则是对图1.3的频高图进行度量标定之后得到的电离层特征参数和电子浓度剖面信息。

电离层垂直探测

电离层垂直探测目录 一、概论 二、系统设备 三、基本原理 四、电离层垂测图数据处理及分析 五、电离层垂测的目的与用途

电离层垂直探测 一、概论 电离层垂直探测是电离层研究中历史最悠久、至今仍然广泛使用的电离层地面常规探测方法。这种方法通过垂直向上发射频无线电脉冲，频率f在1～30MHz范围内变化（频率扫描），接收在不同频率上由电离层反射的回波（Echo），测量回波的传播时间τ（Time of Flight），或者虚高（h’= cτ/2）随频率变化的频高图(Ionogram)。根据对频高图的度量分析和反演，可以获得电离层特征参数，如F层临界频率foF2，最大电子密度NmF2，以及探测点上空峰值高度以下电子密度随高度的一维分布，即电子密度剖面。这是传统垂直探测方法能够提供的最重要的关于电离层结构的信息。现代数字测高仪除了测量回波的传播时间，还可测量回波的偏振、振幅和相位谱，以及回波到达角，提供更丰富的关于电离层结构与动力学信息。 简单地说电离层垂直探测是用电离层测高仪（垂测仪）从地面对电离层进行日常观测的技术。这种技术垂直向上发射频率随时间变化的无线电脉冲，在同一地点接受这些脉冲的电离层反射信号，测量出电波往返的传递时延，从而获得反射高度与频率关系的反射曲线。

二、系统设备 垂直探测设备主要包括：发射系统、接收机系统、频率合成系统、同步控制与时钟系统、数字处理、数据终端、自动判读和天线系统等 垂测设备组成框图 电离层测高仪（垂测仪）：电离层测高仪是从地面对电离层进行常规探测。测高仪从地面垂直向上发射脉冲调制的高

频无线电波，并在同一地点接收它的反射信号，测量出频率连续改变的电波来回传播的时间（称为时延），从而获得反射高度与频率的关系曲线，这种曲线称为频高图或垂测电离图，从而获得电离层电子密度的高度分布。 电离层探测仪（垂测仪）按功能可以分为：发射机、滤波器、接收机、信号处理、系统电源、数据终端。 （1）发射机： 发射机由预放、激励器、功分器、功放、合成器组成，利用传输线变压器作为功率混合和分配网络来实现宽带功率合成和分配。发射机的作用是为发射天线提供满足系统要求的射频功率信号。在同步信号的控制下，1～32M H z的扫频脉冲编码信号首先进入发射机进行激励放大后，在经历进一步的功率合成到5000W的功率能量输出。原理如下图： 发射信号 去输出 自合成器 滤波器驻波检测 自控制器保护（2）输出滤波器

强弱起伏下电离层电波闪烁特性

第２８卷第１期 纺织高校基础科学学报Vol ．２８，No ．１　２０１５年３月BASIC SCIENCES JOURNAL OF TEXTILE UNIVERSITIES March ，２０１５ 文章编号：１００６‐８３４１（２０１５）０１‐００９０‐０７DOI ：１０．１３３３８／j ．issn ．１００６‐８３４１．２０１５．０１．０１９ 收稿日期：２０１４‐１０‐０５ 基金项目：国家大学生创新创业项目（２０１３１０７０９００７）；陕西省自然科学基金资助项目（２０１３JM ８０１１）；陕西省教育厅专 项科研基金资助项目（２０１４JK １２９５）；西安工程大学博士科研启动基金项目（BS １４１８） 通讯作者：马保科（１９７２—），男，宁夏固原市人，西安工程大学教授，博士，研究方向为复杂媒质中的电磁波传播特性． E ‐mail ：baokema ２００６＠１２６．com 强弱起伏下电离层电波闪烁特性 马保科，常红芳，孙　琳，郭欣兴 （西安工程大学理学院，陕西西安７１００４８） 摘要：基于随机媒质电波传播理论，采用Rytov 近似和M arkov 过程近似，得到了强、弱起伏下，电离层电波传播的强度闪烁指数．结合电离层电子密度不均匀体起伏的Shkarofsky 功率谱函数，对电离层强、弱起伏下的电波闪烁进行数值模拟和讨论．结果表明，不同的电波频率，电离层电子密度不均匀体不同的厚度，电子密度不均匀体的内、外尺度，谱指数以及电子密度不同的起伏方差，均对电离层电波闪烁产生一定的影响． 关键词：电离层；电波闪烁；Rytov 近似；Markov 近似 中图分类号：T N ０１２ 文献标识码：A Ionospheric scintillation characteristics of radio wave under the strong and weak fluctuation M A Baoke ，C H A NG H on g f ang ，SU N L in ，GUO X inx in g （School of Science ，Xi ′an Polytechnic University ，Xi ′an ７１００４８，China ） Abstract ：T he parabolic equation that radio wave propagation through ionosphere and iono ‐spheric irregularities was established ．T he Rytov and Markov approximation method were used to solve the equation ，the scintillation index for radio wave propagates through the ionosphere is given ．Meanw hile the results was analyzed by using the Shkarofsky power ‐law spectrum ．T he result show s that the frequency of radio wave ，the thickness of electron density irregulari ‐ties of ionosphere ，the inner or outer scale of ionospheric irregularities ，the spectral index and the variance of the fluctuation of electron density are all have strong effect on the scintillation index of radio wave ．Key words ：ionosphere ；radio wave scintillation ；Rytov approximation ；M arkov approximation ０　引　言 １９４６年，Phillips 等人观测到射电星天鹅座射频的（６４M Hz ）辐射强度有明显的短周期不均匀性起

电离层模型精度比较

电离层模型精度比较 巩岩，韩保民 （山东理工大学建筑工程学院，山东淄博255049） 摘要：为了更好的进行电离层延迟改正，使用了常用电离层模型NeQuick模型和IRI 模型，随机选取某几天的某几个时刻进行数据处理，将得到的结果与IGS分析中心结果进行比较。结果表明，用不同的模型得到的TEC值不一样，精度不同，其中的精度更高。 关键字：NeQuick模型；IRI模型；TEC 众所周知，电离层是围绕地球的一层离子化的大气，它的电子密度、稳定程度和厚度等都在不断变化着，这些变化主要是受太阳活动的影响。太阳发生质量喷发时，可产生数以百万吨计的物质磁云飞入空间，当这些磁云到达地球电离层时，就会使电离层的电子密度发生很大变化，产生所谓的电离层暴，造成严峻的空间天气状况，严重时可以中断无线电通信系统和损害地球轨道卫星（如通信卫星）。当GPS信号传播到地球或低轨飞行器时，必须穿透电离层，此时就会产生路径延迟（等价于相应的延迟），而电离层延迟误差是GPS定位中的一项重要误差源，特别是2000年5月美国政府宣布取消了SA政策以后，电离层延迟被认为是影响GPS定位精度的最大误差源。因此对电离层活动的监测和预报，或许可以给出早期的预警信息，以便及时保护贵重的通信卫星，揭示太阳和电离层中某些现象发生的规律性，以及了解地球磁场及其他圈层变化和相互作用的规律。 1电离层模型方法与原理 电离层活动的监测很难建立完善的理论预报模型，目前大都采用统计规律及经验模型做预报，但准确率不高。电离层TEC的长期预报模式大致分两类，一种是利用NeQuick模型预测的电子密度计算TEC，二是利用IRI模型预测的电离层剖面计算电离层TEC。 1.1NeQuick模型 NeQuick模型是由意大利萨拉姆国际理论物理中心的高空物理和电波传播实验(ARPL OICTP, Trieste)与奥地利格拉茨大学的地球物理、气象和天体物理研究所(IGAM,U2niversity of Graz) 联合研究得到的新电离层模型, 该模型已经在欧空局EGNOS项目中使用, 并建议Galileo系统的单频用户采纳来修正电离层延迟。 NeQuick模型不仅可以计算任意点的垂直方向电子总含量和斜距方向上电子总含量，也可以用参数NmF2(F2层的电子密度)和hmF2(F2层峰值的高度)来表示给定时间和位置的电子浓度，从而得到电离层的垂直电子剖面图。该模型提供一种描述三维电离层图像新方法。在计算高度100km到hmF2电子浓度时，模型使用欧盟科技合作项目COST238和COST251中表示Ep stein层的DGR公式(Radicella and Leitinger, 2001)。这些参数值是时间和位置的函数，可以在国际电信联盟无线电部(ITUOR)的数据库中得到，该数据库提供各种参数的月平均值。 标准NeQuick模型在输入月份、地理纬度和经度、高程和协调世界时以后，可以给出卫星信号到接收机传播路径总电子含量或者是卫星与卫星之间总电子含量以及给出高度能到20000km的电离层垂直剖面图。模型同时还需要太阳活动参数： R12 (太阳黑子数每月平均

电离层环境及其影响

电离层环境及其影响 摘要：电离层是指位于地面约60km至1000km处的被电离了的大气层。电子密度的不均匀分布是电离层的重要特性之一，这种不均匀的密度分布的尺度为数米一数十公里量级，亦称为电离层不规则结构。电离层不规则结构会引起卫星电波闪烁，从而导致数据通信线路、广播、测距信号等的一时中断或质量劣化。太阳事件、地磁活动等会引起电离层电子密度的增大，电子密度增大将导致信号延迟增大，从而影响导航定位精度。 关键字：电离层卫星导航飞行器 1引言 电离层（Ionosphere）是地球大气的一个电离区域（如图1所示）。60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把磁层看作电离层的一部分。电离层从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域，其中存在相当多的自由电子和离子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收[1]。 图1 电离层位置示意图 2电离层环境

大气的电离主要是太阳辐射中紫外线和X射线所致。此外，太阳高能带电粒子和银河宇宙射线也起相当电离层知识的拓宽重要的作用。地球高层大气的分子和原子，在太阳紫外线、Χ射线和高能粒子的作用下电离，产生自由电子和正、负离子，形成等离子体区域即电离层。电离层从宏观上呈现中性。电离层的变化，主要表现为电子密度随时间的变化。而电子密度达到平衡的条件，主要取决于电子生成率和电子消失率。表1列出了电离层的一些基本参数。 表1电离层基本参量数据[2] 太阳辐射对不同高度不同成分的空气分子电离，根据电子浓度的变化，电离层也可分成几个区域（如图2所示），即D层（60~90km）、E 层（90~140km）、F1层(140~200km)F2层(200~1000km或2000km)和外电离层（F2层以上）[3]。

基于GPS的电离层研究

中国地质大学本科生课程论文封面 课程名称：全球定位系统原理及应用班级： 姓名：xxxx 学号： 专业：地理信息科学 日期: 2015 年1 月19日

评语 注：1、无评阅人签名成绩无效； 2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效； 3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。

基于GPS的电离层研究 摘要 本文主要介绍了电离层的基本特性，阐述了利用GPS观测量计算电离层TEC的三种方法的基本原理：包括码观测解算电离层TEC的基本原理，载波相位观测电离层TEC的基本原理以及码观测和载波相位观测联合解算电离层TEC的基本原理。最后简单的介绍了基于基于GPS的三维电离层层析技术。电离层层析成像技术是计算机层析成像技术在电离层监测中的一种新的应用。该技术通过对电离层进行分层研究，不仅克服了薄层假设电离层层析模型的局限性，也克服了经验模型与传统地面探测手段的局限性，特别适合于监测大尺度电离层电子密度垂直分布及其扰动状态。 关键词：GPS 电离层 TEC

目录 第一章引言 (1) 第二章电离层的基本特性 (2) §2.1 电离层结构 (2) §2.2 电离层骚扰 (2) 第三章计算TEC的基本理论 (3) §3.1 TEC简介 (3) §3.2 GPS观测量及观测方程 (3) 3.2.1 伪距及码观测方程 (3) 3.2.2 载波相位及其观测方程 (4) §3.3 码观测解算电离层TEC的基本原理 (4) §3.4 载波相位观测解算电离层TEC的基本原理 (5) §3.5GPS码与相位观测联合解算电离层TEC (6) 3.5.1 前因 (6) 3.5.2 基本原理 (6) 第四章基于GPS的三维电离层层析技术 (9) 总结 (11) 参考文献 (12)

机器学习_Ionosphere Data Set(电离层数据集)

Ionosphere Data Set(电离层数据集) 数据摘要： Classification of radar returns from the ionosphere.This radar data was collected by a system in Goose Bay, Labrador. This system consists of a phased array of 16 high-frequency antennas with a total transmitted power on the order of 6.4 kilowatts 中文关键词： 机器学习,电离层,分类,多变量,UCI, 英文关键词： Machine Learning,Ionosphere,Classification,MultiVarite,UCI, 数据格式： TEXT 数据用途： This data is used for classification. 数据详细介绍： Ionosphere Data Set

Abstract: Classification of radar returns from the ionosphere Source: Donor: Vince Sigillito (vgs '@' https://www.wendangku.net/doc/648681198.html,) Source: Space Physics Group Applied Physics Laboratory Johns Hopkins University Johns Hopkins Road Laurel, MD 20723 Data Set Information: This radar data was collected by a system in Goose Bay, Labrador. This system consists of a phased array of 16 high-frequency antennas with a total transmitted power on the order of 6.4 kilowatts. See the paper for more details. The targets were free electrons in the ionosphere. "Good" radar returns are those showing evidence of some type of structure in the ionosphere. "Bad" returns are those that do not; their signals pass through the ionosphere. Received signals were processed using an autocorrelation function whose arguments are the time of a pulse and the pulse number. There were 17 pulse numbers for the Goose Bay system. Instances in this databse are described by 2 attributes per pulse number, corresponding to the complex values returned by the function resulting from the complex electromagnetic signal. Attribute Information: -- All 34 are continuous -- The 35th attribute is either "good" or "bad" according to the definition summarized above. This is a binary classification task.

太阳,地球,电离层和几个参数

太阳、地球、电离层和几个参数 作者：K9LA,翻译：BH4SRC 太阳在核聚变的过程中，产生电磁辐射并喷射出太阳物质。其中，100-1000埃波长（紫外线）的电磁辐射电离地球电离层的F层；10-100埃波长（软X光）的电磁辐射电离E层；1-10埃波长（硬X光）的电磁辐射电离D层。太阳定期喷射太阳物质，太阳物质中含有由电子和质子组成的带电粒子。太阳物质还构成了太阳风，处于稳定期的太阳，其刮向地球的太阳风平均速度可以达到400公里每秒。 太阳风会对地球磁场产生显著影响。在太阳风的影响下，地球磁场并不是简单的磁棒磁场。实际情况是面向太阳一面的地球磁场受到太阳风的压缩；而背对太阳风一面的地球磁场则受到拉伸，生成磁尾；磁尾长度可以达到10多倍地球半径。电磁辐射对处于白天中的整个电离层构成影响；由太阳喷射的构成太阳物质的带电粒子，则沿着地球磁力线进入电离层。带电粒子只对磁力线进入地球时所处的高纬度地区的电离层构成影响。 图一，太阳对地球磁场的影响 此外，太阳的电磁辐射会电离大气中的原子，使原子中的电子逃逸并沿着地球磁力线以电子的旋转频率做螺旋运动。因此地球磁场在无线电传播中起着非常重要的作用。 地球磁场强度的大小，可以通过使用磁力计测定。通过磁力计的读数，有两种方法表示地球磁场的强度，即每日A指数和3小时K指数。A指数是8个3小

时K指数的平均值。通过线性表述，A指数值的大小从0—400不等，对应地球磁场活动从平静到严重地球磁暴。K指数用准对数表表述，从0—9，对应地球磁场活动从平静到严重地球磁暴。从本质上说，K指数就是A指数的压缩版。通常来说，A指数在15以下或者K指数在3以下，有利于电波传播。 太阳黑子指的是有紫外线辐射的太阳表面区域，它和地球电离层的F层电离程度有关系。每天的太阳黑子数目，如果按月统计的话，变化非常大。即使统计每月的太阳黑子平均值，其数值仍然变化很大。因此我们需要一个更大时间跨度，或者更平滑的太阳黑子平均值，用以测量太阳周期。这就是SSN，smoothed sunspot number。SSN的计算，通过把测量的时间点的前6个月和后6个月，共13个月太阳黑子数做平均。由于SSN是一段时间跨度的平滑平均值，因此官方的本月SSN值都会在6个月后发布。使用SSN数值统计的缺陷是可能会掩盖那些短期内会加强传播的异常太阳活动。 图二，太阳黑子 太阳黑子活动的周期大约为11年。每个周期内，黑子活动的加强期通常比衰减期要短，即加强期为4-5年，衰减期为6-7年。处于或接近太阳活动高峰期时，不断增加的太阳黑子数，带来更多的影响地球大气层的紫外线辐射。更多的紫外线辐射使得F层电离程度加剧，进而导致F层可以折射更高频率返回地球进行DX通联，这些频率包括15米，12米，10米以及6米。处于或接近太阳活动低谷期时，太阳黑子数量很少以至于高波段频率直接穿越电离层。和太阳低谷期对应的是更稳定的电离层和更少的电离层吸收，此时最适合低波段传播，包括160米和80米。因此，概括来说，SSN值高的话，适合高波段传播；而SSN值较低的话，则适合低波段传播。

电离层

电离层 dianliceng 电离层 ionosphere 从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域，其中存在相当多的自由电子和离子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收。 大气的电离主要是太阳辐射中紫外线和X射线所致。此外，太阳高能带电粒子和银河宇宙射线也起相当重要的作用。太阳辐射使部分中性分子和原子电离为自由电子和正离子，它在大气中穿透越深，强度（产生电离的能力）越趋减弱，而大气密度逐渐增加,于是,在某一高度上出现电离的极大值。大气不同成分，如分子氧、原子氧和分子氮等，在空间的分布是不均匀的。它们为不同波段的辐射所电离,形成各自的极值区,从而导致电离层的层状结构。在电离作用产生自由电子的同时，电子和正离子之间碰撞复合，以及电子附着在中性分子和原子上，会引起自由电子的消失。大气各风系的运动、极化电场的存在、外来带电粒子不时入侵，以及气体本身的扩散等因素，引起自由电子的迁移。电离层内任一点上的电子密度，决定于上述自由电子的产生、消失和迁移三种效应。在不同区域，三者的相对作用和各自的具体作用方式也大有差异。

在55公里高度以下的区域中，大气相对稠密，碰撞频繁，自由电子消失很快，气体保持不导电性质。在电离层顶部，大气异常稀薄，电离的迁移运动主要受地球磁场的控制，称为磁层。 电离层的主要特性，由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等基本参数来表示。 研究概况 1902年，O.亥维赛和A.E.肯内利为了解释无线电信号跨越大西洋传播这一实验事实，提出了高空存在能反射无线电波的“导电层”的假设，当时称为肯内利-亥维赛层。1925年，和M.A.F.巴尼特用地波和天波干涉法最先证明了电离层的存在。次年，和M.A.图夫用一部雏型雷达测量了无线电脉冲从电离层垂直反射的时间，验证了上述结论。随着对电离层及其对电波传播影响的深入了解，30年代初，S.查普曼提出电离层形成的简单理论（查普曼层理论）。阿普顿和 D.R.哈特里提出在电离层中传播的色散公式（阿普顿－哈特里公式）为解决预报天波传播最佳频率等应用问题奠定了理论基础。电离层形态电离层中电子密度等基本参量的空间结构（高度和经纬度分布）及其随时间（昼夜、季节和太阳活动周期）变化的情况。电离层可从低到高依次分为D层、E层和F层等,其中F层还可分为F层和F层。E层和F层中，电子迁移作用较小，具有查普曼层的主要特性。层的临界频率（其平方正比于峰值电子密度）与太阳天 顶角近似地满足由简单层理论所导出的关系式=cos(兆赫)，式中和为常数。这个关系式反映了电离层电子密度随时间和地区变化的基本趋势。在较高的F层，电离输运起着重要作用；在地球磁极，

电离层的构成

电离层的构成 作者：K9LA,翻译：BH4SRC 本文关注电离层自身-主要讨论的是电离层的形成。请注意，电离层是个复杂的系统，关于这个话题已经出版了好几本书，因此本文里我们有必要通过几个主要的特性来大致讨论下这个话题。不过文章中会有一些涉及到很基础、却又很重要的理论概念，希望这些理论能改澄清一些在业余无线电文献中不时出现的误解。 电离层的电子浓度值依赖于两个互逆过程：电子生成和电子吸收。电子生成率与大气成分的数量密度、电离辐射强度、大气成分的横断面吸收和电离效率有关。电子吸收率则与三个因素有关（随后讨论）。 大气由占比为78.1%的氮气、20.9%的氧气和其它1%的气体构成。更深入的话，我们会发现构成电离层的大气成分是由氧原子、氧分子、氮分子和一氧化氮构成。前三者是电离层的主要构成成分，而最后的一氧化氮的含量则非常少。氮原子不在讨论中是因为氮分子不会直接分离为原子形式。图一表示的是随着高度的变化三种主要构成成分的数量密度。 图一-大气主要构成成分的数量密度 氧原子的主要分布高度约为200Km，氮分子的主要分布高度略低于200Km，而氧分子的主要分布高度则略低于氮分子。现在我们知道了3种主要成分的数量密度，下面再说说电离辐射强度。 图二表示的是波长介于200到1600埃的太阳辐射的电离辐射强度（选取太阳平静时的典型值）

图二-电离辐射强度 从图中可以看出，电离辐射强度不是一个平滑函数，而是在不连续的波长内具有多个峰值。上图是太阳色球层和日冕的光谱线（图中仅仅列出了几个强度大于0.01 ergs cm-2 sec-1 主要值）。200-1600埃之间强度最大的光谱线是1215埃波长的氢原子莱曼- 光谱，这一强度比200-1600埃波长的其它辐射强度高出最少一个量级。 那么图二中所有波长的辐射都可以电离氧原子，氧分子，氮分子和一氧化氮么？答案是否定的。我们来看下大气四种主要成分的电离能量，并计算出辐射量大于电离能量的最大辐射波长（需要用到普朗克常数）。表一列出了能够电离四种主要成分的最大波长。 只有波长小于1340埃的辐射可以电离一氧化氮（图二中1215埃的光谱线是电离一氧化氮的重要因素，后面会多说点），只有波长小于1027埃的辐射能够电离氧分子以及另外两个成分。波长大于最大波长的辐射则无法电离任何成分，而这与它们的强度没有任何关系（比如，波长在4000-7000埃的可以见光无法电离任何成分，虽然可见光的强度很高）。现在我们知道了大气四种成分的电离辐射强度和最大辐射波长，下面我们会说一说四种成分中一种的横断面吸收。