研究
,体积:0 (0)GPS TEC的研究及其与iri - 2016和NeQuick2预测在Sonmiani高太阳活动周期的太阳周期24
- *通信:
- 默罕默德Atiq,博士生在研究所的空间和行星天体物理学(当前),卡拉奇- 75270,巴基斯坦,卡拉奇大学电话:99261300 - 07年;传真:99261340;电子邮件:muhammadatiq80@gmail.com
收到:2018年7月16日;接受:2018年8月2日;发表:2018年8月07
引用:Atiq M, Ameen MA, Sadiq n GPS TEC的研究及其与iri - 2016和NeQuick2预测在Sonmiani高太阳活动周期的太阳周期24。J空间空洞。2018;7 (3):147
文摘
时间的变化总电子含量(TEC)计算从GPS(全球定位系统)信号进行了分析低纬度站Sonmiani (25.19°N, 66.75°E)高的太阳活动(HSA)期间从2014年5月到2015年9月最近的太阳活动周期(SC) 24。人们已经发现,周围的昼夜变化GPS TEC显示峰值后中午小时,1500 LT(当地时间)。GPS在分点月TEC显示高值相比冬至月。冬季异常存在于白天与相对较大的振幅在2014年与2015年相比。它完全没有在夜间。人们已经发现,iri - 2016模型TEC显示正负偏差。的模型低估了GPS TEC的大部分时间。F2层的临界频率(foF2)从NeQuick获得模型通过摄取GPS TEC一直与IRI aAAAAAA2016 foF2和好的协议是发现在夏至和冬至。均方根误差(RMSE) GPS TEC已经发现在二分几个月大。在迭代过程中在Sonmiani±1 MHz的70%给予宽容和总数的17%迭代显示IAAAfoF2 = 0。
关键字
TEC、IRI、简历、GPS、foF2
介绍
全球卫星定位系统(GPS)是一个安排的卫星推进20200公里(大约)高度的信件的原因。这个项目始于1960年,后来卫星发射命令构建覆盖在地球表面。从GPS卫星信号穿过电离层中直接影响GPS信号。电离层的两种影响GPS信号的相位超前和群延迟。在GPS信号的载波信号是高频率与调制信号,这些结果的变化速度,当这些信号穿过电离层。当我们知道折射率取决于信号的波长,因此改变速度与波长的变化,因此两个信号相位和组包含不同折射率时穿过电离层。的折射率相速度小于1,而群速度大于1。对真空电磁信号等于1。这个生产时间延迟在调制信号(1- - - - - -5]。
在赤道和电离层低纬度地区显示一些异常特征在昼夜、季节和年度变化。这些异常特征被称为“异常现象”。最突出的是赤道电离异常(EIA)地区±30°的磁赤道。环评地区的电子密度变化显示了磁赤道在±30°的最大和最小在磁赤道。EIA地区电离层的最具挑战性的和困难的研究人员分析了颞电离层的变化和它的许多研究在过去几十年(6- - - - - -10]。
电离层是地球的上层区域大气电子和正离子存在于大量。它也可以被视为弱等离子体直接影响高频(HF)通信和GPS信号。电离层电子密度变化产生群延迟在GPS信号产生的误差范围。侦探是电子的总数每米广场沿射线路径和它可以衡量在特特1 = 1016电子每米广场。在数学上,它是由:
方程1
随着GPS TEC目前的研究工作也关注F2层的临界频率(foF2) foF2和电离层TEC的两个重要参数被研究人员广泛使用的调查在电离层时空变化特征1,8- - - - - -10]。是非常重要的监控这两个参数的可靠操作高频通信和GPS。电离层的F2层一直总是指向大变异性和空间天气社区总是难以显示在这个高度可靠的高频通信频率。
国际参考电离层(iri - 2016)是一个经验模型由空间研究委员会(COSPAR),国际无线电科学联盟(无线电)。这个经验模型被广泛使用的电离层社区自1070年代成立以来计算电离层参数如平均电子密度、电子温度、离子温度,离子组成,离子漂移,电子内容(TEC)和F2层的临界频率等。对于一个给定的时间和地点iri - 2016可以计算平均电子密度的高度范围内50公里到2000公里。计算TEC和foF2 iri - 2016是基于两种不同类型的电子密度地图即无线电和CCIR。用户可以选择任何一个计算foF2和TEC的这两个映射。
NeQuick 2是最新版本的NeQuick电离层电子密度模型开发的高层大气物理学和Radioprpagation实验室(现在T /科技实验室)的Abdul-Salam国际理论物理中心(ICTP),的里雅斯特意大利与地球物理研究所的合作,天体物理学奥地利格拉茨大学的气象学。这模型通过源代码用FORTRAN语言计算电子内容。的模型使用高度50公里范围从起点终点20000公里。用户也有选项选择的开始和结束点积分。用户可以检索电子内容提到的位置给月和年。的输出模型包含简单的文本格式的数据。的NeQuick模型基于CCIR(国际无线电咨询委员会)系数。的NeQuick模型广泛用于GNSS(全球导航卫星系统)应用程序。空间天气NeQuick模型可以提供现实的电离层电子密度的描述。
在这项研究中,我们提出GPS TEC的昼夜和季节变化及其与IRI -2016 TEC和NeQucik侦探低纬度电台Sonmiani(磁纬度:17.34°N,长:141.12°E)在保险期间2014 - 2015。基于平滑太阳黑子数量(SSN)指数从2014年5月到2015年9月可以被视为一个HSA的时期。在所有地方电视台在巴基斯坦,Sonmiani环评有最大的影响。观察到的侦探已经与IRI - 2016 TEC和NeQuick TEC看到两种电离层模型的预测的偏差。GPS TEC摄取NeQuick foF2也被与IRI - 2016 foF2相比。FORTRAN代码设计迭代方法获得乐观foF2利用GPS TEC数据值。这些值与相应的iri - 2016 foF2检查迭代过程的有效性。乐观foF2值与iri - 2016 foF2的不可用ionosonde foF2相同的时间。
材料和方法
GPS TEC数据获得GPS接收器1小时时间间隔24值获得了一天。月平均的值然后计算中间值为每个特定小时即每月24中位数。GPS TEC数据从2014年5月到2015年9月。GPS TEC和iri - 2016之间的相关性TEC一直利用皮尔逊相关系数的计算。类似GPS TEC和NeQuick TEC之间的相关性计算通过相同的统计工具。变异系数(CV)每月GPS TEC的中位数计算检查可变性。简历可以用作foF2变化指数和TEC (7]。是由比例的简历
方程2
σ表示标准偏差和在哪里
代表的意思。
统计也相对偏差(RD)已经被用来确定iri - 2016和NeQuick TEC的偏差从GPS侦探。路已经被几位研究人员7)研究模型预测。
方程3
X全球定位系统(GPS)和X米代表GPS TEC和模型TEC分别。
均方根误差(RMSE)是一个有意义的统计检验分析观察和之间的差异模型数据。一些研究人员使用领域的RMSE电离层探索IRI和NeQuick2的性能模型预测的两个重要的电离层参数fof2和TEC (11- - - - - -13]。
RMSE给出的
方程4
X全球定位系统(GPS)和X米代表GPS TEC和模型TEC分别和n代表数量的观察。
的NeQuick模型被用来计算foF2摄取GPS侦探。NeQuick可以执行,这样它估计foF2通过GPS TEC作为输入。NeQuick TEC和GPS TEC也与获得之间的关系模型和观测值。在目前的工作之间的差异NeQuick foF2和IRI - 2016 foF2用ΔfoF2虽然ΔTEC代表NeQuick TEC和GPS TEC的区别。这种差异被认为是好如果小于±1 MHz否则它被认为是一个坏点。的NeQuick模型使用FORTRAN代码来检索平均电子密度,foF2、TEC和板厚等。为了获得NeQuick模型数据日期和地理坐标必须提到的项目。这模型还包含的包可以给任何参数的实验数据作为输入到模型中。在这个工作GPS TEC NeQuick代码作为输入参数的估计foF2和输出foF2名称作为GPS TEC摄取foF2即上部电离层信息预测的模型不适用。
结果和讨论
GPS TEC和iri - 2016 foF2之间的相关性
GPS TEC和IRI - 2016 foF2显示了它们之间的相关系数高,大部分时间系数大于0.95所示表1。GPS TEC和之间存在强相关性模型foF2。
| 相关系数 | ||||
|---|---|---|---|---|
| GPS TEC和IRI吗?2016年的侦探 | GPS TEC和IRI吗?2016年foF2 | |||
| 月 | 2014年 | 2015年 | 2014年 | 2015年 |
| 1月 | - - - - - - | 0.94 | - - - - - - | 0.92 |
| 2月 | - - - - - - | 0.96 | - - - - - - | 0.96 |
| 3月 | - - - - - - | 0.97 | - - - - - - | 0.96 |
| 4月 | - - - - - - | 0.97 | - - - - - - | 0.97 |
| 可能 | 0.96 | 0.98 | 0.96 | 0.99 |
| 小君 | 0.93 | 0.93 | 0.96 | 0.95 |
| 7月 | 0.97 | 0.98 | 0.98 | 0.99 |
| 8月 | 0.99 | 0.94 | 0.98 | 0.98 |
| 9月 | 0.98 | - - - - - - | 0.96 | 0.92 |
| 10月 | 0.99 | - - - - - - | 0.97 | - - - - - - |
| 11月 | 0.96 | - - - - - - | 0.94 | - - - - - - |
| Dev | 0.95 | - - - - - - | 0.93 | - - - - - - |
表1:GPS TEC和IRI - 2016 foF2之间的相关性和侦探。
类似GPS TEC和iri - 2016之间的相关系数TEC同期计算,发现大部分时间系数都大于0.95。它也被其他研究人员观察到强烈的相关性存在foF2和TEC (1,2]。GPS TEC的月度最大值和iri - 2016 foF2所示图1虽然GPS TEC的月度最大值和IRI - 2016所示图2。
图1:对比每月GPS TEC的最大值和iri - 2016 foF2在2014年5月- 2015年9月。
图2:对比每月GPS TEC和iri - 2016 TEC的最大值在2014年5月- 2015年9月。
周日GPS TEC的变化
GPS TEC的昼夜变化进行了分析,发现大多数时候天期间观察到的峰值1500 lt和观察到的最小值是在日落和pre-sunset小时i.e.0000lt - 0600 lt。最高峰值是在2015年4月(约80特)。周围的峰值后中午小时显示了电离层中最大电离由于太阳辐射中午小时后需要一段时间低太阳天顶角。锋利的昼夜变化梯度观测的GPS TEC在日落和日出的时间。这些梯度由于太阳辐射在日出日落的突然改变。GPS TEC的昼夜变化在2014年和2015年期间所示图3和4分别。
图3:日2014年GPS TEC在HSA的变化。
图4:日2015年GPS TEC在HSA的变化。
季节性异常或冬季异常
季节性异常在GPS观测TEC合理的振幅在2014年和2015年。GPS TEC 6月和12月的月度中位数进行比较看冬季异常。GPS TEC的每月的中位数2014年冬至已与2014年和2015年的夏至。它可以非常清楚地看到TEC值大于12月TEC值观察到6月。这种差异是现实的中午时间。
2014年TEC的价值在1600年6月在LT大约是36特同时也LT TEC价值约49特12月观察到。不同的是特15左右。2015年TEC的价值在1600年6月在LT约38特同时也LT TEC价值约47特12月观察到。不同的是特9左右图5。
图5:2014年和2015年冬季在GPS TEC异常。
高峰值之间的差异在冬至和夏至显示了冬天的振幅异常。它可以非常清楚地看到,从2014年到2015年,冬天的振幅异常减少。2014年相对HSA年与2015年相比。一般来说我们可以说冬天异常幅度与太阳活动减少衰减。这个结果也支持(1,14- - - - - -16]。冬季异常也只观察到在白天时完全没有在夜间。冬季异常出现由于不同的变体在中性原子,分子成分大气(16]。在中性原子分子比大气被认为是冬天异常的基本来源。
半年一次的变化
半年度的变化分析了GPS TEC HSA期间从2014年5月到2015年9月。已经观察到GPS TEC显示高值在二分个月即2014年9月和2015年4月和最低价值在2014年和2015年的夏至。TEC的最高峰值每月2014年9月期间观察到的中位数为1500 lt特75年左右。最低的值是2014年6月期间观察到的峰值在1500 lt约38特。同样在2015年4月在GPS TEC观察最高价值1500 lt特大约是80。最低的峰值在1500 lt是在夏至约40特。GPS TEC达到84特在2015年4月和2014年9月74特。每月的GPS TEC的中位数显示的差异大约40特分点月和冬至月之间。大体上可以说,半年度的变化是显而易见的低纬度站在二分Sonmiani显示高值个月相比冬至月。每半年变化是区域环境影响评价的特点之一,这就是为什么它显示了加强低纬度Sonmiani站。一些研究人员显示每半年变化在不同的时间期限14,17,18]。有人建议,半年度的中性密度的变化大气与地磁和极光活动相关联的来源半年度电离层的趋势(16]图6。
图6:季节性变化GPS TEC HSA期间2014 - 2015。
变异系数(CV)的GPS侦探
分析GPS TEC变化系数的变化被发现在2014年和2015年。发现了变异系数相对更大的2015年相比2014年。在下表中可以看出,夏至的变异系数小比其他月份冬至和二分。冬天一般GPS TEC显示高可变性和二分。大在GPS CV TEC是由于电离层TEC的原因也受上部有完全不同的电动力学与电离层底部一侧。可能会有一些其他的可变性来源TEC如中性风,成分变化和赤道喷泉影响(2]。在简历的百分比表2。
| 简历在GPS TEC (%) | ||
|---|---|---|
| 月 | 2014年 | 2015年 |
| 1月 | - - - - - - | 72.81 |
| 2月 | - - - - - - | 69.59 |
| 3月 | - - - - - - | 66.87 |
| 4月 | - - - - - - | 56.66 |
| 可能 | 45.37 | 49.00 |
| 小君 | 40.54 | 39.22 |
| 7月 | 52.94 | 51.55 |
| 8月 | 60.86 | 53.64 |
| 9月 | 48.00 | 72.15 |
| 10月 | 48.00 | - - - - - - |
| 11月 | 63.50 | - - - - - - |
| 12月 | 66.09 | - - - - - - |
表2:简历在每月在2014 - 2015年GPS TEC的中位数。
iri - 2016 TEC已经与GPS TEC相比。它已经被观察到的相关性GPS TEC和iri - 2016 TEC大于0.9。GPS TEC和IRI - 2016 TEC的比较中可以看到在2014年图7和8。GPS TEC和IRI - 2016 TEC显示良好的协议在秋分比夏至和冬至。类似GPS TEC和IRI - 2016 TEC的比较中可以看到在2015年图9和10。GPS和IRI - 2016侦探在七月否则分歧显示了良好的协议中可以看到其他几个月。
图7:比较在2014年GPS TEC和iri - 2016侦探。
图8:相对偏差IRI吗?在2014年2016名侦探。
图9:比较在2015年GPS TEC和iri - 2016侦探。
图10:相对偏差IRI吗?在2015年2016名侦探。
iri - 2016 TEC的偏差形式GPS在白天比夜间TEC很大。相对偏差在分点月相比大至个月。大幅梯度的相对偏差已经观察到约0500 lt。高差异观察到约0800 - 1000 LT和1800 - 2300年中将它还显示(11在2009年和2013年)在赤道地区埃塞俄比亚。在文理学院2009年高差异被发现在0800 - 1100 LT和1800 - 2300年期间中尉HSA 2013年高差异被发现在0800 - 1100 LT, 1200 - 1800 LT和1800 - 2300 LT。
iri - 2016 TEC的偏差从GPS TEC被发现在相对HSA 2014年与2015年相比。它可以表明这一事实的直接影响TEC的可变性是更大的在2015年与2014年相比。它可以看到图8和10相对偏差显示的趋势在2015年比2014年。
2014年是2015年相对HSA相比。一般来说,IRI - 2016在2015年预测相对较好。人们已经发现,IRI模型执行期间更好的LSA 2008年和2009年在东非赤道站(19]。
IRI - 2016 foF2和GPS TEC foF2摄入
IRI - 2016 foF2和GPS TEC摄取NeQuick foF2绘制图11在2014年和2015年。总的来说,这两个数据集foF2显示良好的协议。有一些差异在2014年夏至。
图11:IRI的对比吗?2016年foF2和GPS TEC摄取NeQuick foF2。
结果在2015年相对较好。图中可以看到,IRI - 2016 foF2和GPS TEC摄取NeQuick foF2显示良好的协议在秋分和冬至。
foF2迭代确定的乐观
迭代过程来确定乐观foF2从GPS TEC Sonmiani执行期间(2014年5月至2015年9月)。的模型foF2 TEC foF2摄入和比较两个频率的差异用ΔfoF2。迭代执行总408每月的中位数。
如果获得foF2值在±1 mhz宽容就被认为是很好的观点即获得foF2价值将会充满希望。迭代过程的结果如下所示表3。
| 一年 | 个月 | ΔfoF2≤兆赫 | ΔfoF2 = 0 | 分 |
|---|---|---|---|---|
| 2014年 | 5月- 12月 | 129例(67.20%) | 32 (16.70%) | 192年 |
| 2015年 | 1月- 9月 | 155例(71.75%) | 34 (15.74%) | 216年 |
| 总 | 284例(70%) | 66例(16.17%) | 408年 |
表3:迭代过程的结果。
总数的70%数据结果±1 mhz的宽容度和价值总额的16.17%给ΔfoF2等于零。表可以看出得很清楚,结果是安静的更好在2015年LSA相比2014年(图12)。
图12:ΔfoF2在迭代结果的传播。
迭代过程显示在Sonmiani有趣的结果,70%给公差等于小于或等于1 MHz的总数的17%迭代显示δfoF2等于零MHz。相同的运动进行Vanimo(地理。纬度:2.7°,长:142.00°E) 2007年5月(1]。
总398点的迭代进行。好点的数量是225年的398 (56.54%)。
均方根误差(RMSE) iri - 2016侦探
均方根误差(RMSE) 2016年IRI - TEC和NeQuick TEC计算和中提到表4。RMSE IRI - 2016年观察到的TEC最低是2.64在2015年7月最高的RMSE观察到相同的TEC 17.26 2014年5月。同样NeQuick TEC的RMSE观察到最低是1.38 2015年8月,最高的RMSE观察到相同的模型2015年3月TEC是23.95。
| 在TEC RMSE | ||||
|---|---|---|---|---|
| iri - 2016侦探 | NeQuick TEC | |||
| 月 | 2014年 | 2015年 | 2014年 | 2015年 |
| 1月 | - - - - - - | 5.26 | - - - - - - | 4.19 |
| 2月 | - - - - - - | 8.13 | - - - - - - | 16.78 |
| 3月 | - - - - - - | 11.86 | - - - - - - | 23.95 |
| 4月 | - - - - - - | 9.26 | - - - - - - | 14.15 |
| 可能 | 17.26 | 5.36 | 15.11 | 1.63 |
| 小君 | 10.67 | 6.20 | 6.41 | 2.55 |
| 7月 | 7.10 | 2.64 | 3.88 | 4.99 |
| 8月 | 4.10 | 5.96 | 4.20 | 1.38 |
| 9月 | 6.20 | 9.60 | 6.73 | 8.521 |
| 10月 | 3.88 | - - - - - - | 6.88 | - - - - - - |
| 11月 | 4.95 | - - - - - - | 5.43 | - - - - - - |
| 12月 | 4.95 | - - - - - - | 5.24 | - - - - - - |
表4:IRI - 2016年RMSE TEC和NeQuick TEC。
一般来说,NeQuick TEC的RMSE显示更大的值相比IRI - 2016侦探。也可以看到的表42014年5月——2015年9月期间在分点月RMSE值相对较高。这个结果支持(12在赤道车站)台(地理。Lat。8.50°N。4.50°E,下降-7.9°)在2010年。
结论和建议
1。之间存在很强的正相关关系模型foF2和GPS TEC即大部分时间大于0.95
2。冬天期间异常存在相对较大的振幅在HSA 2014年
3所示。GPS TEC显示加强季节性变化与更高的价值二分月至月相比
4所示。GPS TEC的昼夜变化显示峰值约中午后小时即1500 lt
5。相对偏差iri - 2016年TEC大在2014年被发现
6。的模型显示差异0800 - 1000 LT和1800 - 2300 LT灵敏度约0500 LT
7所示。总数的70%数据结果±1 mhz的宽容度和价值总额的16.17%给ΔfoF2等于零。乐观的foF2值可以发现更多的信心如果继续GPS TEC数据可用
8。迭代结果可以进一步提高如果我们使用连续GPS TEC数据,这需要更多的GPS接收器安装在不同的位置在巴基斯坦
确认
作者非常感谢经理空间天气的监测(SWM) SUPARCO分工(巴基斯坦空间和上层大气研究委员会),阿亚兹Ameen先生为他的伟大的支持。基于FORTRAN程序代码的迭代过程和GPS TEC Sonmiani一直由他提供的数据。TEC数据获得GPS TEC接收机安装在Sonmiani SUPARCO无线电波传播与中国合作研究所(CRIRP)。作者感谢Naeem Sadiq博士,助理教授当前(空间和行星天体物理学研究所)卡拉奇帮助大学研究论文的写作技巧。这项工作的一部分是卡拉奇SUPARCO大学之间的合作。卡拉奇SUPARCO和大学的合作是非常有效的在过去的几年里。作者也非常感谢空间和行星研究所的主任天体物理学(当前),喋喋不休Iqbal博士和董事长SUPARCO少将凯伊斯一Khurram谁为研究工作提供了这种机会。
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