摘要：电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)的监测与预报是空间环境研究的重要内容,对卫星通讯和导航定位等有重要意义.TEC值影响因素较多,很难确定精确物理模型来对其进行预测.本文设计了基于注意力机制的LSTM模型(Att-LSTM),采用过去24小时TEC观测数据对未来TEC进行预测.选择北半球东经100°上,每2.5°纬度选择一个位置,共计36个位置来验证本文提出模型的性能,并与主流的深度学习模型如DNN、RNN、LSTM进行对比实验.取得了如下成果:(1)在选定的36个地区未来2小时单点预测上,基于本文的Att-LSTM模型的TEC预测性能明显优于其他对比模型;(2)讨论了纬度对Att-LSTM预测未来2小时TEC值时性能的影响,发现在北纬0°到60°之间,Att-LSTM预测性能随着纬度的升高而略有降低,在北纬62.5°~87.5°之间,模型预测性能出现扰动,预测效果略差;(3)讨论了磁暴期和磁静期模型的预测性能,发现无论是磁暴期还是磁静期,本文模型预测性能均较好;(4)还讨论了对未来多时点预测效果,实验结果表明,本文所提出的模型对未来2、4个小时的预测拟合度R-Square均超过0.95,预测结果比较可靠,对未来6、8、10个小时预测拟合度最高为0.7934,预测拟合度R-Square下降迅速,预测结果不可靠.

摘要：针对电离层闪烁对我国南部低纬度地区卫星通信的影响,自主研发卫星地球站电离层闪烁智能监测系统。通过对频谱信号和接收信号质量的监测、发射前和接收信号视频比对等技术手段,并结合千寻位置网提供的电离层活跃等级预报数据进行关联分析,利用python编程语言实现对电离层闪烁等卫星信号外部干扰进行实时监测,提高抗干扰研判能力。

摘要：通过气辉成像仪对电离层气辉进行探测,能够反映电离层中电子总含量、等离子体泡分布等特性,是有效的电离层探测方式之一。电离层的原子分子在白天吸收太阳辐射激发到较高能态,在夜间以气辉的形式将能量辐射出去,辐射强度与所参与反应的电离层成分密度等密切相关,因此气辉是用来观测电离层很好的示踪物。天基气辉成像方法具有全球范围观测的巨大优势,为了推动天基成像仪的设计研制和参数优化,丰富和扩展电离层探测手段,需要对全球气辉强度进行成像仿真分析。该研究主要工作:(1)分析了电离层夜间630 nm光化反应过程,设计了一种气辉成像仿真分析方法,该方法对630 nm辐射强度进行计算,分别获得了太阳活动高年和低年内四个不同季节的气辉单光谱信号源强度分布,为设定探测指标提供理论依据;(2)开展了630 nm气辉天底成像仿真研究,包括成像链路分析、信噪比分析,并使用一个时间延时积分成像的典型成像仪参数,开展结合卫星运行轨道的扫描成像仿真。本文主要结论:(1)夜间630 nm单光谱气辉强度与日间太阳辐射强度关系密切,太阳活动高年夜半球平均辐射强度为115 Rayleigh,太阳活动低年夜半球平均辐射强度为50 Rayleigh,辐射大小和分布符合卫星载荷GLO-1和国际空间站IMAP任务的实际观测结果;(2)典型参数成像仪天底观测幅宽达到245 km,气辉水平分辨率达到1 km,对强度大于50 Rayleigh气辉成像的信噪比优于10,在太阳活动高年能够清晰观测电离层气辉全球尺度结构,在太阳活动低年能够观测低纬地区电离层气辉结构。该研究结果可为天基电离层气辉成像探测提供理论依据,也可为其他辐射波段的气辉观测和成像仪参数设计优化提供参考。

摘要：工作于低频波段的星载合成孔径雷达(SAR)信号会受到电离层的显著影响,因此在系统设计时必须考虑相应的补偿方法。基于此,首先开展了适用于低频大宽带SAR模式的电离层影响评估研究,建立了基于勒让德展开的五阶误差分析模型,可有效解决传统模型各阶次耦合问题。其次,针对背景电离层色散问题,开展了基于双频自聚焦算法的补偿研究,利用ALOS PALSAR数据进行了半物理仿真验证,电离层反演精度优于0.4TECU,可有效提升图像聚焦质量;针对法拉第旋转角误差,利用ALOS PALSAR回波散射矩阵信息开展了补偿研究,结果显示,相比官网提供的补偿参数,误差可进一步降低27%。上述基于回波数据本身的补偿研究,可避免第三方数据精度差、分辨率低、需地面接收机、传播路径不一致等问题,同时降低了载荷成本。最后,结合SAR高分辨率特性,基于回波的电离层反演可有效提高现有电离层探测能力,开展了PALSAR-垂测仪联合反演电子密度研究,其结果比仅垂测仪数据精度普遍提高了30%以上。研究成果可为未来低频星载SAR的系统设计提供技术支撑。

摘要：原子氧135.6 nm夜气辉主要由氧离子O^(+)与电子的辐射复合反应生成,一些星载远紫外遥感观测任务证实135.6 nm夜气辉可用于反演电离层电子密度。针对远紫外临边遥感观测反演电离层电子密度,分析了135.6 nm夜气辉辐射强度与电子密度之间的非线型前向模型,基于离散反演理论设计了从夜间135.6 nm临边观测数据反演电子密度高度分布的反演算法,算法应用最大似然估计通过迭代求解电离层参数的最佳拟合值。通过仿真计算了TIMED卫星上全球紫外成像仪GUVI观测的反演结果,验证了本反演算法的可行性。对GUVI的实际观测数据进行反演,获得了电子密度高度分布。通过与GUVI数据的电离层参数对比分析得出,本文建立的反演模型使N_(m)F_(2)被高估,同时使h_(m)F_(2)被低估。对于不同的太阳活动强度,N_(m)F_(2)和h_(m)F_(2)的系统误差分别在10%和5%以内,能较精确地获得电离层参数。精确获得电离层电子密度信息对于提高空间天气预报及电离层模型的修正具有重要意义。

摘要：短波电子信息装备以电离层为信号传播媒介辐射,能实现地面距离数千公里的通信、探测和电磁信号侦收。而电离层复杂的时空变化特征,会对短波电子信息装备性能能否充分发挥产生极大的影响,因此,在各型短波电子信息装备建设过程中,必须充分考虑不同作战时间下的短波电离层信道变化。文中开展了短波电波传播衰落特性与时间场景特征关联研究,为短波电子信息装备论证设计、研制和试验训练等提供支撑。

摘要：针对电离层离子探测传感器对电流检测电路的需求,设计了一种适用于阻滞势电位分析仪和离子漂移计复用传感器的多路微弱电流检测电路。在放大模块设计中,分析并仿真对比了T型电阻网络和跨阻式电阻网络的噪声及直流偏置水平,研究了不同反馈电容下的噪声、带宽和时延等特性。为降低电路噪声水平,提高电路整体性能,设计了滤波模块、采集模块和高精密电源模块。实验结果证明:该电路系统具有良好的准确性、一致性、稳定性和实际应用性,可推广应用于电离层微弱信号检测领域。

摘要：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.

摘要：为完善国内星载电离层成像光谱仪研究,设计了一种适用于120～180 nm波段探测的光学系统。根据探测目标特点,结合国外方案提出了以离轴抛物镜为物镜,超环面光栅为成像光谱系统的方案;为解决传统单光栅结构像差校正不均匀、空间分辨率低等缺点,结合光栅表面方程和光程函数方程进行了理论分析,获得了全波段像差纠正的处理方法;利用Matlab编程计算初始结构,并用Zemax设计优化,成功得到了F数为6.8,焦距为102.3 mm,具有良好空间分辨率和高光谱分辨率的星载电离层成像光谱仪系统。通过对结果进行分析可知,全系统的像差得到充分校正,全视场全波段调制传递函数值在0.7以上,光谱分辨率0.56 nm,满足设计指标要求,设计方法和设计结果合理可行。

摘要：设计一组适用于小功率便携式电离层探测仪的预处理能量积累算法。该积累算法由基于脉间相位编码的脉冲压缩算法、基于多次探测的多普勒积累算法和群时延多普勒域二维积累算法3部分组成。实时采集的数字信号经过脉冲压缩算法处理后,回波能量均在电波历经的群时延距离附近聚集,信噪比提高,回波的相位信息被保留。然后,依据多次探测过程中的相位连续性实现多普勒积累。最后,基于数字图像处理技术和电离层回波的时延与多普勒连续散布特性提出群时延多普勒域二维积累算法,不仅可以提高短波信道的衰落区域的能量,还可以填补脉间调相体制的回波区域中的固有盲区。研究结果表明:实测数据经积累算法处理后,回波信噪比显著提高;这些积累算法可为弱回波检测提供具有更高信噪比的数据,减小探测仪的功耗,有利于设备的小型化和便携化。