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NeQuick G模型与COSMIC-2掩星数据在电离层层析算法中的使用

尹萍,  张姗姗,  徐硕,  侯秀泽

尹萍, 张姗姗, 徐硕, 侯秀泽. NeQuick G模型与COSMIC-2掩星数据在电离层层析算法中的使用[J]. 空间科学学报, 2025, 45(4): 975-986. doi: 10.11728/cjss2025.04.2024-0077
引用本文: 尹萍, 张姗姗, 徐硕, 侯秀泽. NeQuick G模型与COSMIC-2掩星数据在电离层层析算法中的使用[J]. 空间科学学报, 2025, 45(4): 975-986. doi: 10.11728/cjss2025.04.2024-0077
YIN Ping, ZHANG Shanshan, XU Shuo, HOU Xiuze. Use of NeQuick G Model and COSMIC-2 Occultation Data in Ionospheric Tomography Algorithm (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(4): 975-986 doi: 10.11728/cjss2025.04.2024-0077
Citation: YIN Ping, ZHANG Shanshan, XU Shuo, HOU Xiuze. Use of NeQuick G Model and COSMIC-2 Occultation Data in Ionospheric Tomography Algorithm (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(4): 975-986 doi: 10.11728/cjss2025.04.2024-0077

NeQuick G模型与COSMIC-2掩星数据在电离层层析算法中的使用

doi: 10.11728/cjss2025.04.2024-0077 cstr: 32142.14.cjss.2024-0077
详细信息
    作者简介:
    • 张姗姗 女, 1999年10月出生于河北省衡水市, 硕士研究生, 主要研究方向为卫星导航技术、电离层/大气层遥感遥测、层析成像与探测. E-mail: 1821364922@qq.com
    • 徐硕 男, 1999年9月出生于安徽省六安市, 硕士研究生, 主要研究方向为神经网络架构、卫星导航技术、电离层/大气层遥感遥测、层析成像与探测. E-mail: 1572943329@qq.com
    • 侯秀泽 男, 2001年2月出生于海南省海口市, 硕士研究生, 主要研究方向为卫星导航技术、电离层/大气层遥感遥测、层析成像与探测. E-mail: 2775884857@qq.com
    通讯作者:
    • 尹萍 女, 1970年出生于天津, 现为中国民航大学电子信息与自动化学院副研究员, 博士, 硕士生导师, 主要研究方向为卫星导航技术、电离层/大气层遥感遥测、层析成像与探测等. E-mail: pyin2001@hotmail.com
  • 中图分类号: P352

Use of NeQuick G Model and COSMIC-2 Occultation Data in Ionospheric Tomography Algorithm

  • 摘要: 作为电离层监测的有效手段, 全球导航卫星系统气象、电离层和气候的星座观测系统2 (COSMIC-2)掩星提供了实测的电离层剖面资料, 而NeQuick G模型则能提供电离层在任意时空的电子密度和总电子含量模型数据. 电离层层析算法虽然能重构任意时间, 特别是电离层扰动下大尺度的电子密度时空分布, 但其算法也受到数据覆盖不均匀、垂向反演精度较低的局限. 本文通过对电离层层析算法的改进, 不仅融合NeQuick G模型和COSMIC-2的剖面观测资料, 还使用COSMIC-2数据作为层析算法的输入之一, 重构了武汉WU430站和韩国JJ433站等站上空2021年11月3日和4日电离层扰动阶段的电子密度分布. 同时, 利用测高仪数据对层析反演出的F2层峰值密度(NmF2)和峰值高度(hmF2)进行了评估.

     

  • 图  1  NeQuick G模型工作流程

    Figure  1.  Flow chart of NeQuick G model

    图  2  2021年11月3日 (a) 和4日 (b) 08:00 UT武汉站电离层模型剖面以及COSMIC-2掩星数据与测高仪剖面的对比

    Figure  2.  Comparison of ionospheric model profiles, COSMIC-2 radio occultation data, and ionosonde profiles at WU430 at 08:00 UT on 3 (a) and 4 (b) November 2021

    图  3  2021年11月3-5日的Dst和Kp指数

    Figure  3.  Dst and Kp indices from 3 to 5 November 2021

    图  4  2021年11月4日 00:00 UT-24:00 UT地面测高仪站点分布以及地面GPS和掩星GPS/GLONASS IPP的轨迹

    Figure  4.  Distribution of four ionosondes and IPP trajectories of ground GPS and COSMIC-2 GPS/GLONASS between 00:00 UT and 24:00 UT on 4 November 2021

    图  5  2021年11月3日 (a) 和4日 (b) 12:00 UT 武汉站不同EOF的层析剖面结果与测高仪剖面对比

    Figure  5.  Comparison of different EOF generated from profile results with ionosonde profiles at WU430 station at 12:00 UT on 3 (a) and 4 (b) November 2021

    图  6  2021年11月3日和4日基于不同输入数据的层析结果与测高仪NmF2的对比

    Figure  6.  Comparison between tomographic results with different input data and ionosonde NmF2 on 3 and 4 November 2021

    图  7  2021年11月3日和4日基于不同输入数据的层析结果与测高仪hmF2对比

    Figure  7.  Comparison between tomographic results with different input data and ionosonde hmF2 on 3 and 4 November 2021

    图  8  2021年11月3日 (a) 和4日 (b) 电子密度随时间和高度的分布

    Figure  8.  Changes of electron density with time and height on 3 (a) and 4 (b) November 2021

    表  1  2021年11月3日和4日层析结果与测高仪NmF2误差 (单位: 1011 × m–3)

    Table  1.   NmF2 errors between tomographic results and ionosonde data on 3 and 4 November 2021 (Unit: 1011 ×m–3)

    日期 站点 地基GPS+IRIEOF 地基GPS+NQCOSEOF 多源+NQCOSEOF(有输入数据时间段)
    Mean RMSE Mean RMSE RMSE改进
    百分比/(%)
    Mean RMSE RMSE改进
    百分比/(%)
    2021-11-03 JJ433 1.13 1.57 1.42 1.91 ― 1.22 1.8 ―
    WU430 1.94 2.28 1.95 2.30 ― 1.24 1.58 30.7
    Qingdao 1.19 1.43 1.25 1.57 ― 1.09 1.49 ―
    Guangzhou 6.07 7.68 6.14 7.77 ― 5.04 6.37 17.0
    2021-11-04 JJ433 2.38 3.38 2.32 3.30 2.37 1.81 2.68 20.7
    WU430 1.94 3.01 1.97 3.01 ― 2.14 2.82 6.31
    Qingdao 2.04 2.77 1.91 2.66 3.97 1.74 2.25 18.77
    Guangzhou 3.87 6.09 4.22 6.40 ― 3.60 5.63 7.55
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    表  2  2021年11月3日和4日层析结果与测高仪hmF2误差 (单位: km)

    Table  2.   hmF2 errors between tomographic results and ionosonde data on 3 and 4 November 2021 (Unit: km)

    日期 站点 地基GPS+IRIEOF 地基GPS+NQCOSEOF 多源+NQCOSEOF(有输入数据时间段)
    Mean RMSE Mean RMSE RMSE改进
    百分比/(%)
    Mean RMSE RMSE改进
    百分比/(%)
    2021-11-03 JJ433 53.21 66.26 45.20 51.79 21.84 24.31 35.62 46.24
    WU430 53.64 65.65 28.49 33.34 49.22 19.57 26.78 59.21
    Qingdao 16.82 25.57 20 26.25 ― 10 13.33 47.87
    Guangzhou 48.17 53.78 28.13 32.06 40.39 18.13 27.67 50.41
    2021-11-04 JJ433 49.27 64.56 46.53 58.52 9.36 36.41 52.36 18.90
    WU430 42.38 51.36 44.60 54.80 ― 42.37 57.68 ―
    Qingdao 47.34 56.90 38.57 47.43 16.64 35.71 47.58 16.28
    Guangzhou 58.22 69.91 57.22 72.21 ― 51.67 75.88 ―
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-06-15
  • 录用日期:  2025-07-10
  • 修回日期:  2025-03-11
  • 网络出版日期:  2025-05-19

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