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复杂电磁环境下的电离层总电子含量反演方法 被引量:1
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作者 石善斌 董翔 +2 位作者 黄胜 朱鹏飞 朱庆林 《电波科学学报》 北大核心 2025年第1期113-123,共11页
利用全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)双频差分信号进行电离层电子含量反演是一种常用的电离层探测手段,但GNSS信号在强电磁干扰环境下,被淹没于电磁噪声中而无法被提取,影响电离层总电子含量(total electron... 利用全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)双频差分信号进行电离层电子含量反演是一种常用的电离层探测手段,但GNSS信号在强电磁干扰环境下,被淹没于电磁噪声中而无法被提取,影响电离层总电子含量(total electron content,TEC)反演系统的可靠性。采用传统调零抗干扰阵列天线方案能解决干扰源剥离的问题,但调零信号的天线相位中心不稳定导致高精度的相位平滑伪距和精密单点定位(precise point positioning,PPP)算法无法收敛。针对强干扰环境下的电离层监测需求,本文提出一种抗干扰TEC数据反演手段,通过对阵列天线通道幅相一致性进行校正,保证相位中心的稳定性,从而推算出准确的电离层TEC信息,提高了系统的可靠性和抗干扰能力。 展开更多
关键词 总电子含量(TEC) 倾斜总电子含量(STEC) 垂直总电子含量(VTEC) 全球导航卫星系统(GNSS) 双频差分 抗干扰
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一种片上电离层TEC准实时卡尔曼滤波算法
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作者 李婧华 马冠一 +1 位作者 万庆涛 范江涛 《空间科学学报》 北大核心 2025年第5期1265-1271,共7页
提出一种适用于片上的电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)准实时算法,可降低电离层TEC监测设备的成本、体积、功耗和待传数据量,并在ARM芯片上进行了验证.为降低数据存储量和计算复杂度,该算法收集和缓存20 min的GNSS双频伪... 提出一种适用于片上的电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)准实时算法,可降低电离层TEC监测设备的成本、体积、功耗和待传数据量,并在ARM芯片上进行了验证.为降低数据存储量和计算复杂度,该算法收集和缓存20 min的GNSS双频伪距和相位观测值,用载波相位平滑伪距的方法得到20 min内卫星至接收机视线路径上的斜向TEC(Slant TEC,STEC),采用5 min的滑动步长进行下一组STEC的数据处理.利用映射函数和多项式模型构建卡尔曼滤波的量测方程,通过卡尔曼滤波迭代,准实时给出测站上空的电离层垂直TEC(Vertical TEC,VTEC),并与积累一天数据得到的STEC作为观测量进行卡尔曼滤波得到的VTEC进行了对比,结果表明,采用20 min的数据长度和5 min的步长对STEC进行准实时处理的方法是可行的. 展开更多
关键词 电离层TEC 卡尔曼滤波 准实时算法 电离层监测仪
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VITM:一个新的金星电离层-热层理论模式
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作者 任志鹏 刘耘博 +1 位作者 乐新安 魏勇 《地球物理学报》 北大核心 2025年第1期36-44,共9页
为支撑国内的行星电离层热层模拟研究,本文介绍了在已有的地球电离层-高层大气耦合模式GCITEM-IGGCAS基础上新开发的金星高层大气-电离层耦合模式VITM (Venus Ionosphere-Thermosphere Model).该模式在水平方向采用了地理坐标系,纬度-... 为支撑国内的行星电离层热层模拟研究,本文介绍了在已有的地球电离层-高层大气耦合模式GCITEM-IGGCAS基础上新开发的金星高层大气-电离层耦合模式VITM (Venus Ionosphere-Thermosphere Model).该模式在水平方向采用了地理坐标系,纬度-经度分辨率为5°×7.5°,垂直方向采用高度坐标,把94~200 km的金星高层大气分为38个等高面.该模式能够模拟金星热层4种主要中性化学成分(CO_(2)、CO、O和N_(2))、6种次要中性化学成分(Ar、He、O_(2)、NO、N(4S)和N(2D))、电离层离子(CO_(2)^(+)、CO^(+)、O_(2)^(+)、O^(+)、N_(2)^(+)和NO^(+))和电子的数密度,以及中性温度和中性风的三维时空分布.本文给出了一个模拟实例,模拟结果较好地再现了金星热层和电离层的主要特征. 展开更多
关键词 金星 电离层 热层 模式
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GNSS电离层TEC反演方法综述
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作者 马冠一 《电波科学学报》 北大核心 2025年第4期680-695,783,共17页
电离层总电子含量(total electron content,TEC)是影响无线电系统性能的核心参量。全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)具有全球覆盖、实时性强的优势,基于GNSS观测反演的TEC(GNSS-TEC)已成为监测和研究电离层... 电离层总电子含量(total electron content,TEC)是影响无线电系统性能的核心参量。全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)具有全球覆盖、实时性强的优势,基于GNSS观测反演的TEC(GNSS-TEC)已成为监测和研究电离层的重要手段,但其精准度受限于硬件偏差与电离层时空复杂性的两大挑战。本文根据电离层电波传播理论,详细描述了GNSS-TEC反演的基本原理,系统梳理了常用的GNSS-TEC反演方法,揭示了其核心在于电离层模型假设、电离层TEC与GNSS基本观测量之间的数学建模以及求解算法的协同优化。通过分析不同时期GNSS-TEC反演方法的特点,指出了其发展由电离层科学研究需求、工程应用需求、GNSS系统与应用演进以及算力提升,而共同驱动。最后对GNSS-TEC反演方法的发展趋势进行了展望。 展开更多
关键词 GNSS 电离层总电子含量(TEC) 单/双层模型 硬件偏差 数学建模 球谐函数 卡尔曼滤波
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极区电离层闪烁研究进展综述
5
作者 王勇 张清和 +3 位作者 邢赞扬 马羽璋 陆盛 张端 《电波科学学报》 北大核心 2025年第4期696-708,共13页
地球南北极区是极轨卫星、北极航线等的必经之路,使极区电离层闪烁研究成为空间物理和无线电应用等领域的热点课题。随着人类的南北极活动越来越频繁,人们对极区电离层闪烁的监测要求越来越强烈。本文综述了近年来极区电离层闪烁的研究... 地球南北极区是极轨卫星、北极航线等的必经之路,使极区电离层闪烁研究成为空间物理和无线电应用等领域的热点课题。随着人类的南北极活动越来越频繁,人们对极区电离层闪烁的监测要求越来越强烈。本文综述了近年来极区电离层闪烁的研究进展,主要包括:介绍了电离层闪烁的基本定义;总结了电离层闪烁指数的计算方法及其在极区的适用性问题;概述了极区电离层不均匀体引起的闪烁统计特征及其依赖性;讨论了极区电离层闪烁建模的基本原理及主要模型。 展开更多
关键词 极区电离层闪烁 闪烁指数 计算方法 统计特征 闪烁建模
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激光雷达观测研究低纬度地区钠层季节变化特征
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作者 何诗敏 张铁民 +4 位作者 柴薇薇 张一民 羊大立 彭鸿雁 王继红 《空间科学学报》 北大核心 2025年第1期102-112,共11页
使用钠荧光激光雷达观测2018-2019年低纬度地区海口(20.0°N,110.3°E)上空钠层变化规律,统计分析了钠层密度分布与其季节变化特征以及特殊事件的季节变化特征,发现海口钠层变化与季节之间有较大关联.钠层平均密度呈现基本对称... 使用钠荧光激光雷达观测2018-2019年低纬度地区海口(20.0°N,110.3°E)上空钠层变化规律,统计分析了钠层密度分布与其季节变化特征以及特殊事件的季节变化特征,发现海口钠层变化与季节之间有较大关联.钠层平均密度呈现基本对称的高斯分布特点,柱密度和峰值秋冬季大,峰值位置夏高秋低,质心高度变化稳定,半高全宽与均方根宽度秋季小冬季大.突发钠层事件(Sporadic Sodium Layer,SSL)随季节变化明显,持续时间夏长春短,峰值秋季大、春季小,秋冬季峰值位置较高,夏季突发强度最大,除秋季外其他季节突发峰值多在后半夜.结合海南儋州(19.5°N,109.1°E)测高仪数据,结果显示海口地区发生在97 km以上的SSL与突发E层(Es)有较大相关性.低纬度地区冬季发生SSL的概率较高,双钠层(Double Sodium Layer,DSL)多出现在春、夏季. 展开更多
关键词 激光雷达 钠层季节变化特点 突发钠层 电离层偶发 双钠层
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基于激光雷达的中低纬地区上空钠层月变化特征
7
作者 柴薇薇 张铁民 +4 位作者 何诗敏 张一民 羊大立 彭鸿雁 王继红 《空间科学学报》 北大核心 2025年第3期703-716,共14页
2020年在不同纬度地区使用相同设备的钠荧光激光雷达对钠层同时进行观测.使用观测所获得的钠层回波光子数据进行反演计算,在不剔除钠层特殊事件的情况下探讨其地理性差异.研究显示,除8月外,中纬度地区北京(40.5°N,116.0°E)柱... 2020年在不同纬度地区使用相同设备的钠荧光激光雷达对钠层同时进行观测.使用观测所获得的钠层回波光子数据进行反演计算,在不剔除钠层特殊事件的情况下探讨其地理性差异.研究显示,除8月外,中纬度地区北京(40.5°N,116.0°E)柱密度月平均值均高于低纬度地区海口(20.0°N,110.3°E).2020年北京和海口发生突发钠层事件概率分别为5.3%和44.9%,双钠层事件概率分别为5.3%和4.3%;其中,北京突发钠层密度峰值高度均处于较高海拔位置,强度因子可达到全年最大值10.6.海口突发钠层月平均绝对密度峰值均高于北京,峰值高度则反之.两地对比发现,北京上空钠层月变化相对于海口地区较为规律,北京双钠层事件较为集中,其中在5月较为频繁.两地双钠层中第二钠层平均峰值高度均位于110 km附近. 展开更多
关键词 钠层 激光雷达 密度峰值 突发钠层 双钠层
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基于风云三号E星探测的黄昏时热层大气成分比值季节转换研究
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作者 石正 付利平 +1 位作者 江芳 毛田 《空间科学学报》 北大核心 2025年第1期113-124,共12页
中国的多颗风云三号卫星配备了电离层光度计,能探测到OI 135.6 nm和N_(2) LBH带的气辉辐射积分通量,并计算出135.6/LBH比值.风云三号E星作为第二代近极地太阳同步轨道卫星,特别适合晨昏轨道的气辉观测.该比值与热层大气成分中[O]/[N_(2)... 中国的多颗风云三号卫星配备了电离层光度计,能探测到OI 135.6 nm和N_(2) LBH带的气辉辐射积分通量,并计算出135.6/LBH比值.风云三号E星作为第二代近极地太阳同步轨道卫星,特别适合晨昏轨道的气辉观测.该比值与热层大气成分中[O]/[N_(2)]比值成正比,反映了影响电离层电子密度变化的重要参数.利用风云三号E星近两年的数据,分析了中低纬地区135.6/LBH比值及相应参量的季节转换规律.结果显示,OI 135.6 nm和N_(2) LBH带辐射强度的季节变化以冬季和夏季为主,在春秋两季快速转变,且这种变化随纬度而异.135.6/LBH比值在春秋季也出现快速转换,但其峰值和谷值时期与前述两种辐射强度不同.中纬度地区表现为冬季高、夏季低的季节特征,而赤道附近则相反,呈现半年变化周期.研究还发现,135.6/LBH比值的季节转换存在不对称性,受纬度和半球的影响显著.这些结果证明,风云卫星电离层光度计对热层大气成分比的季节、纬度和半球变化可以进行有效探测,为电离层热层的研究、建模以及空间天气预报提供了重要依据. 展开更多
关键词 风云三号卫星 气辉 热层 季节变化
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基于TDBO-XGB模型的电离层闪烁预测方法
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作者 黎霏 孙希延 +2 位作者 纪元法 梁文斌 嵇建波 《电讯技术》 北大核心 2025年第6期930-938,共9页
针对电离层闪烁预测困难和预测模型精度低的问题,提出基于XGBoost机器学习模型(XGB)并结合混沌映射改进蜣螂优化算法(Tent Dung Beetle Optimizer,TDBO)的TDBO-XGB电离层闪烁预测模型,利用2020年1月1日至2024年3月21日香港HKOH站日落前... 针对电离层闪烁预测困难和预测模型精度低的问题,提出基于XGBoost机器学习模型(XGB)并结合混沌映射改进蜣螂优化算法(Tent Dung Beetle Optimizer,TDBO)的TDBO-XGB电离层闪烁预测模型,利用2020年1月1日至2024年3月21日香港HKOH站日落前5 h与电离层闪烁相关的背景电离层参数,对日落后3 h电离层是否发生闪烁事件进行预测建模,并利用模型对6组不同组合的背景电离层参数进行预测分析。结果表明,TDBO-XGB模型预测电离层闪烁发生的准确率达93.72%,比单一默认参数的XGB模型提高1.94%;在利用不同组合参数作为输入数据的闪烁预测中,表征太阳活动的参数对电离层闪烁预测模型的预测结果起提升作用,且使用站点东侧南北两半球沿经度线的TEC变化数据对电离层闪烁进行预测的效果提升显著。 展开更多
关键词 电离层闪烁预测 机器学习 优化算法 混沌映射
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基于Swarm数据的全球中低纬等离子不规则体统计分析
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作者 杨璐冰 蔡红涛 +4 位作者 熊超 万欣 高顺祖 张宏 闫旭 《地球物理学报》 北大核心 2025年第10期3675-3691,共17页
中低纬电离层F层的等离子不规则体按照形态特征及通常出现的纬度范围可分成三类:等离子体斑(Plasma Blob,Blob)、赤道等离子体泡(Equatorial Plasma Bubble,EPB)和中尺度行进式电离层扰动(Medium-Scale Traveling Ionospheric Disturban... 中低纬电离层F层的等离子不规则体按照形态特征及通常出现的纬度范围可分成三类:等离子体斑(Plasma Blob,Blob)、赤道等离子体泡(Equatorial Plasma Bubble,EPB)和中尺度行进式电离层扰动(Medium-Scale Traveling Ionospheric Disturbance,MSTID).基于2013—2023年Swarm卫星的就位等离子体密度测量数据,本文开发了一种自动提取、判断、分类不规则体的方法,并详细分析了中低纬三种不规则体的发生率及其与季节、经度、高度、地方时、太阳活动水平的关系.统计结果表明,MSTID发生次数最多,EPB次之,Blob发生次数最少.Blob和EPB在Swarm A轨道高度的发生率高于Swarm B轨道高度的发生率,而MSTID反之.此外,三种不规则体的分布均呈现出明显的经度依赖性:Blob在北半球磁偏角向西、南半球磁偏角向东的地区的发生率较高;EPB多发生于日落分界线与磁经线重合的地方,MSTID则倾向于发生在背景磁场较高的区域.在地方时分布方面,Blob多见于子夜附近,EPB主要出现在日落之后至子夜之前,MSTID则主要集中在子夜之后至日出之前.从与太阳活动水平的关系来看,EPB的发生率与太阳活动水平呈正相关,而Blob和MSTID则呈负相关. 展开更多
关键词 电离层 等离子体斑 赤道等离子体泡 中尺度行进式电离层扰动 地理变化 地磁变化 太阳活动
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西北走廊地区电离层吸收特性研究
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作者 辛浩 赵海生 +1 位作者 王俊江 葛淑灿 《空间科学学报》 北大核心 2025年第4期987-994,共8页
电离层f_(min)是频高图上观测到的回波最低频率,是电离层垂直探测仪性能的一个重要指标,也是电离层D区吸收效应研究的重要指标.本文利用中国电离层垂测站网位于西北走廊地区的西安、乌鲁木齐、兰州三个台站电离层f_(min)数据,研究了西... 电离层f_(min)是频高图上观测到的回波最低频率,是电离层垂直探测仪性能的一个重要指标,也是电离层D区吸收效应研究的重要指标.本文利用中国电离层垂测站网位于西北走廊地区的西安、乌鲁木齐、兰州三个台站电离层f_(min)数据,研究了西北走廊地区电离层吸收的强度特性、空间分布特性、日变化、季节变化及长期变化特性.开展电离层吸收变化特性研究,对研究短波通信最低频率选择、天波超视距雷达探测性能评估、甚低频(VLF)远程通信效能预测具有重要应用价值.同时电离层吸收与D层电子密度关系紧密,是D层电子密度强弱的重要指标,开展电离层吸收特性研究,对于研究D区电离层变化特性,建立D区电子密度分布模型具有重要科学意义. 展开更多
关键词 西北走廊 电离层f_(min) 日变化 季节变化 长期变化 空间分布
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基于Swarm双星观测的极区场向电流背景特征与极端空间天气影响
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作者 刘岩 张学民 +1 位作者 欧阳新艳 Taha REBEH 《地球物理学报》 北大核心 2025年第10期3692-3712,共21页
本文基于Swarm卫星提供的场向电流(Field-aligned Currents,FACs)数据,研究了第25个太阳活动周自低年向高年增强过程中极区FACs在不同季节、晨昏侧与日夜侧的时空演变特征,同时分析了FACs对不同等级磁暴以及亚暴各阶段的响应.结果表明:(... 本文基于Swarm卫星提供的场向电流(Field-aligned Currents,FACs)数据,研究了第25个太阳活动周自低年向高年增强过程中极区FACs在不同季节、晨昏侧与日夜侧的时空演变特征,同时分析了FACs对不同等级磁暴以及亚暴各阶段的响应.结果表明:(1)FACs受太阳活动的显著影响且在北半球尤为明显,在上升年(如2021年),1区(Region 1,R1)FACs对F10.7指数的响应早于2区(Region 2,R2)FACs,正午至黄昏增强的R1 FACs可能与太阳风速度增强有关;太阳活动低(高)年FACs平均密度最大值出现在夏(春)季向阳侧且高年大约是低年的3倍;极盖区FACs的极性与范围在晨昏和日夜侧受行星际磁场(Interplanetary Magnetic Field,IMF)方向控制,FACs日变化主要受到太阳光照的影响,密度峰值常出现在日侧.(2)随磁暴等级增加,FACs的密度和范围有增加趋势;北半球昏侧下行FACs对磁暴的响应弱于晨侧,日夜侧FACs密度均在磁暴主相达到最强;在亚暴膨胀相,晨昏侧R1和R2 FACs密度增加且在恢复相达到最强,夜侧R1 FACs占主导,密度高于日侧;亚暴期间FACs密度最大值在太阳活动高年(上升年)与IMF B_(y)相关性较高,与北向IMF B_(z)显著相关,与AE(Auroral Electrojet)和AL(Auroral Lower)指数的相关性日侧高于夜侧,可能与日侧磁重联有关,低年和高年反之,这可能表明夜侧亚暴电流楔对FACs的影响. 展开更多
关键词 场向电流 太阳活动周期 太阳风 行星际磁场 磁暴 亚暴
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星地P波段信号电离层效应下DOA-极化校正
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作者 孙家霖 蔡力 +3 位作者 熊冉 吕胜杰 赵梦奎 高火涛 《电讯技术》 北大核心 2025年第11期1894-1902,共9页
星地通信背景下,P波段信号在穿越大气到达地面阵列的过程中,受到电离层效应的影响,其波达方向(Direction of Arrival,DOA)与极化角均发生改变,因此现有DOA-极化联合估计算法得到的估计值与真实值之间存在误差。为解决此问题,从DOA和极... 星地通信背景下,P波段信号在穿越大气到达地面阵列的过程中,受到电离层效应的影响,其波达方向(Direction of Arrival,DOA)与极化角均发生改变,因此现有DOA-极化联合估计算法得到的估计值与真实值之间存在误差。为解决此问题,从DOA和极化角两个方面分别进行校正。首先考虑电离层折射效应,建立电离层信号传播模型,以此为基础提出俯仰角误差修正方法。其次针对电离层法拉第旋转(Faraday Rotation,FR)效应,分析法拉第旋转角(Faraday Rotation Angle,FRA)对信号极化的影响,根据地面目标散射过程,提出两种基于散射矩阵的FRA估计方法。通过仿真实验可知,所提方法可以准确计算P波段信号俯仰角修正值与FRA,在一定条件下,将俯仰角估计精度提高约0.1°,FRA估计精度提高近1°,从而实现DOA与极化角的校正。 展开更多
关键词 星地通信 P波段信号 电离层效应 DOA校正 俯仰角修正 FRA估计
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强鲁棒高速闪电哨声波自动检测模型
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作者 银韩柯 袁静 +5 位作者 赵庶凡 申旭辉 靳晓媛 王桥 廖力 杨德贺 《空间科学学报》 北大核心 2025年第5期1197-1210,共14页
张衡一号卫星在轨6年积累了海量观测数据,检测其中的闪电哨声波事件(Lightning Whistler,LW)对于分析空间物理环境规律具有重要意义.但现有基于时频图像的方法推理速度过慢,完成任务需约40年.为此,研究首次从音频事件检测的角度提出高... 张衡一号卫星在轨6年积累了海量观测数据,检测其中的闪电哨声波事件(Lightning Whistler,LW)对于分析空间物理环境规律具有重要意义.但现有基于时频图像的方法推理速度过慢,完成任务需约40年.为此,研究首次从音频事件检测的角度提出高速的闪电哨声波检测模型WhisNet,将检测的时间成本从40年压缩至54天.方法为以4 s滑动窗截取波形,提取梅尔频谱特征,利用轻量级卷积循环神经网络(CRNN)提取音频事件特征,输出层预测LW事件起始时间和持续时长.基于2020年4月1-10日的感应磁力仪(SCM)数据实验显示,WhisNet检测性能与传统方法相当,但计算量和参数量减少99%,速度提升98%.进一步在2020年5月SCM数据上的应用结果与WGLC(全球闪电气候学和时间序列,WWLLN Global Lightning Climatology and time series)全球闪电密度趋势高度一致,验证了WhisNet在大规模卫星数据处理中的准确性与适用性.研究结果为挖掘其他海量地球空间事件提供了重要参考. 展开更多
关键词 闪电哨声波 高速检测 张衡一号卫星 卷积循环神经网络
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Residual Attention-BiConvLSTM:一种新的全球电离层TEC map预测模型
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作者 王浩然 刘海军 +5 位作者 袁静 乐会军 李良超 陈羿 单维锋 袁国铭 《地球物理学报》 北大核心 2025年第2期413-430,共18页
电离层总电子含量(TEC)预测对提高全球卫星导航系统(GNSS)的精度具有重要意义.现有的TEC map预测模型主要通过顺序堆叠时空特征提取单元来实现.这种模型搭建方法会因多个卷积层顺序堆叠而损失细粒度的TEC map的空间特征,导致模型精度不... 电离层总电子含量(TEC)预测对提高全球卫星导航系统(GNSS)的精度具有重要意义.现有的TEC map预测模型主要通过顺序堆叠时空特征提取单元来实现.这种模型搭建方法会因多个卷积层顺序堆叠而损失细粒度的TEC map的空间特征,导致模型精度不够;还会由于多层堆叠导致梯度消失或梯度爆炸问题.本文借鉴残差注意力(Residual Attention)的思想,在TEC map预测模型中增加了残差注意力模块,提出了Residual Attention-BiConvLSTM模型.该模型中的残差注意力模块能同时提取粗、细粒度空间特征,并对其进行加权.本文在全球TEC map数据上与ConvLSTM、ConvGRU、ED-ConvLSTM和C1PG进行了对比实验.实验结果表明,本文所提出的Residual Attention-BiConvLSTM模型的RMSE、MAE、MAPE和R^(2)在太阳活动高年和年均优于对比模型.本文还在一次磁暴事件中对比了5种模型的预测效果.实验结果表明,大磁暴发生时,本文模型与C1PG相近,优于其他3种对比模型.本文的研究工作为电离层map预测模型搭建提供一个新思路. 展开更多
关键词 电离层TEC map预测 残差注意力模块 Residual Attention-BiConvLSTM 时空预测模型
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基于SuperDARN雷达网的电离层参数反演
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作者 袁立欣 刘二小 +2 位作者 刘建军 刘俊良 王子磊 《地球物理学报》 北大核心 2025年第7期2445-2456,共12页
电离层F_(2)层对电磁波的反射起重要作用,而F_(2)层的临界频率(f_(o)F_(2))是电离层关键参数之一,对电波传播有着极其重要的影响,一直都是研究的重点.SuperDARN雷达回波中含有多种目标回波,如电离层不规则体回波、地面海面散射回波以及... 电离层F_(2)层对电磁波的反射起重要作用,而F_(2)层的临界频率(f_(o)F_(2))是电离层关键参数之一,对电波传播有着极其重要的影响,一直都是研究的重点.SuperDARN雷达回波中含有多种目标回波,如电离层不规则体回波、地面海面散射回波以及极区中层目标回波等,基于这些目标回波来反演电离层关键参数是一种新的思路.相对于传统电离层探测手段,SuperDARN雷达具有极区覆盖范围广、持续探测时间长等优点.本文基于SuperDARN网络中的Hankasalmi雷达,利用扫频工作模式下2001年到2011年50天的地面海面散射回波数据,设计了从雷达回波信噪比—距离模型中提取不同频率下最小跳距的算法,利用最小二乘拟合方法构建了距离和频率的解析表达式.根据电波传播基本原理,分别利用仰角数据和虚高模型提出了临界频率和最大可用频率(Maximum Usable Frequency,MUF)反演算法.结果表明,利用仰角数据和虚高模型反演得到的临界频率与地基测高仪数据对比,均方根误差(RMSE)分别为0.79 MHz和0.84 MHz,相对误差(RE)分别为7.19%和7.86%,相关系数分别为0.88和0.87,研究进一步证明了利用SuperDARN雷达来反演电离层参数的可行性,极大地扩充了SuperDARN雷达网的应用范围,也为极区电离层的全域探测提供了新的技术手段. 展开更多
关键词 超级双子极光雷达网 电离层参数 极区电离层
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四种神经网络方法在电离层磁暴期TEC建模的对比分析
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作者 朱佳豪 闫文林 +2 位作者 金宇峰 严泰明 王坚 《空间科学学报》 北大核心 2025年第5期1230-1242,共13页
电离层总电子含量(TEC)是描述电离层的重要参数,然而电离层经验模型对于磁暴期TEC的预测精度不够理想.针对这个问题,使用LSTM、BiLSTM、结合注意力机制的卷积神经网络-长短期记忆(CNN-LSTMAttention)以及结合注意力机制的卷积神经网络-... 电离层总电子含量(TEC)是描述电离层的重要参数,然而电离层经验模型对于磁暴期TEC的预测精度不够理想.针对这个问题,使用LSTM、BiLSTM、结合注意力机制的卷积神经网络-长短期记忆(CNN-LSTMAttention)以及结合注意力机制的卷积神经网络-双向长短期记忆(CNN-BiLSTM-Attention)神经网络模型进行电离层TEC预报的研究.根据Dst≤-30 nT的标准,确定了2004-2022年发生磁暴的时间段.在此基础上,结合多种时空参数(UTS与UTC,SA与AA,CHS与SHS),得到了4种适用于磁暴期TEC的预测模型.利用2023年磁暴期的TEC对四种模型的精度和可靠性进行验证.结果表明,CNN-BiLSTM-Attention模型的预测效果明显优于其他三种模型,其绝对平均误差(MAE)为0.882~5.270 TECU,均方根误差(RMSE)为1.175~6.983TECU,且预测结果与参考值之间存在较强的相关性,决定系数(R^(2))均在0.7以上.此外,该模型拟合函数的斜率整体上最接近于1,同样优于其他三种模型的拟合效果. 展开更多
关键词 电离层磁暴期 电离层总电子含量 长短期记忆网络 卷积神经网络 注意力机制
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基于LSTM的改进模型在电离层TEC预报中的应用
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作者 黄灿 黎峻宇 +2 位作者 刘立龙 黄良珂 韦律权 《空间科学学报》 北大核心 2025年第5期1256-1264,共9页
电离层延迟是全球卫星导航定位中重要的误差源之一,提高电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)预报精度对改善卫星导航定位精度极其重要.本文联合滑动窗口(Sliding Window)和长短时记忆(Long-Short-Term Memory,LSTM)神经网络,... 电离层延迟是全球卫星导航定位中重要的误差源之一,提高电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)预报精度对改善卫星导航定位精度极其重要.本文联合滑动窗口(Sliding Window)和长短时记忆(Long-Short-Term Memory,LSTM)神经网络,以滑动窗口算法对输入序列数据集不断更新并测试不同输入序列长度对应模型的精度,最后以预测值来更新输入数据序列的最后10%,进而构建TEC预报模型SLSTM(Sliding Window on Long-Short-Term Memory).验证结果表明,该模型在平静期和磁暴期预测残差绝对值小于5TECU的比例均达85%以上,较传统LSTM模型对应值占比增加了49%,71%,均方根误差(RMSE)低31%,35%;其预报结果的平均绝对误差(MAE)减少25%,32%;SLSTM模型预测结果的RMSE均值、MAE均值均比传统LSTM模型、BP模型小. 展开更多
关键词 电离层 总电子含量 长短时记忆网络 神经网络 改进模型
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Probing Solar Polar Regions
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作者 DENG Yuanyong TIAN Hui +45 位作者 JIANG Jie YANG Shuhong LI Hao CAMERON Robert GIZON Laurent HARRA Louise WIMMER-SCHWEINGRUBER Robert F AUCHÈRE Frédéric BAI Xianyong BELLOT RUBIO Luis CHEN Linjie CHEN Pengfei CHITTA Lakshmi Pradeep DAVIES Jackie FAVATA Fabio FENG Li FENG Xueshang GAN Weiqun HASSLER Don HE Jiansen HOU Junfeng HOU Zhenyong JIN Chunlan LI Wenya LIN Jiaben NANDY Dibyendu PANT Vaibhav ROMOLI Marco SAKAO Taro KRISHNA PRASAD Sayamanthula SHEN Fang SU Yang TORIUMI Shin TRIPATHI Durgesh WANG Linghua WANG Jingjing XIA Lidong XIONG Ming YAN Yihua YANG Liping YANG Shangbin ZHANG Mei ZHOU Guiping ZHU Xiaoshuai WANG Jingxiu WANG Chi 《空间科学学报》 北大核心 2025年第4期913-942,共30页
The magnetic fields and dynamical processes in the solar polar regions play a crucial role in the solar magnetic cycle and in supplying mass and energy to the fast solar wind,ultimately being vital in controlling sola... The magnetic fields and dynamical processes in the solar polar regions play a crucial role in the solar magnetic cycle and in supplying mass and energy to the fast solar wind,ultimately being vital in controlling solar activities and driving space weather.Despite numerous efforts to explore these regions,to date no imaging observations of the Sun's poles have been achieved from vantage points out of the ecliptic plane,leaving their behavior and evolution poorly understood.This observation gap has left three top-level scientific questions unanswered:How does the solar dynamo work and drive the solar magnetic cycle?What drives the fast solar wind?How do space weather processes globally originate from the Sun and propagate throughout the solar system?The Solar Polarorbit Observatory(SPO)mission,a solar polar exploration spacecraft,is proposed to address these three unanswered scientific questions by imaging the Sun's poles from high heliolatitudes.In order to achieve its scientific goals,SPO will carry six remote-sensing and four in-situ instruments to measure the vector magnetic fields and Doppler velocity fields in the photosphere,to observe the Sun in the extreme ultraviolet,X-ray,and radio wavelengths,to image the corona and the heliosphere up to 45 R_(s),and to perform in-situ detection of magnetic fields,and low-and high-energy particles in the solar wind.The SPO mission is capable of providing critical vector magnetic fields and Doppler velocities of the polar regions to advance our understanding of the origin of the solar magnetic cycle,providing unprecedented imaging observations of the solar poles alongside in-situ measurements of charged particles and magnetic fields from high heliolatitudes to unveil the mass and energy supply that drive the fast solar wind,and providing observational constraints for improving our ability to model and predict the three-dimensional(3D)structures and propagation of space weather events. 展开更多
关键词 SUN Space exploration Solar magnetic cycle Solar wind Space weather
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快速稳健的张衡卫星闪电哨声波散射系数自动提取方法
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作者 韩金昇 袁静 +6 位作者 王桥 刘芹芹 银韩柯 刘海军 赵庶凡 申旭辉 王亚丽 《空间科学学报》 北大核心 2025年第4期960-974,共15页
张衡卫星日产数据高达20 GByte,人工方法已经无法满足海量数据提取的需求.提出了一种快速稳健的闪电哨声波散射系数自动提取方法.将原始数据转换为时频图和音频文件;针对时频图,创建YOLOV5神经网络自动定位闪电哨声波,输出其时频位置信... 张衡卫星日产数据高达20 GByte,人工方法已经无法满足海量数据提取的需求.提出了一种快速稳健的闪电哨声波散射系数自动提取方法.将原始数据转换为时频图和音频文件;针对时频图,创建YOLOV5神经网络自动定位闪电哨声波,输出其时频位置信息;根据其时频位置信息截取对应音频文件得到含有闪电哨声波的音频数据,并用零将其填充为0.8 s的音频片段;提取音频片段的梅尔频率倒谱系数,将其输入多头注意力机制改进的门控循环网络,自动提取闪电哨声波散射系数.将该方法应用于2020年2月的数据集,得到如下结果:其平均绝对误差和平均绝对百分比误差为0.453和0.176,相比文献[1]方法降低了70%和46%.每段数据平均处理时间为0.074 s,相比文献[1]方法降低了92%.本文提出的自动音频分析方法,可较为准确和快速地提取闪电哨声波的散射系数. 展开更多
关键词 张衡卫星 GRU神经网络 YOLOV5神经网络 闪电哨声波 散射系数
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