王宁波博士：中国科学院全球电离层产品研究进展与分析| SANA佳文速递
标题：中国科学院全球电离层产品研究进展与分析
作者：李子申，王宁波，刘昂，袁运斌，汪亮，Manuel Hernández-Pajares，Andrzej Krankowski，袁洪
主题词：国际GNSS服务组织（IGS）；全球电离层地图（GIM）；总电子含量（TEC）；Jason-2/3测高卫星；相位相对电离层残差（dSTEC）
（图片来自作者）
Zishen Li, Ningbo Wang, Ang Liu, Yunbin Yuan, Liang Wang, Manuel Hernández-Pajares,
Andrzej Krankowski and Hong Yuan
Satellite Navigation (2021) 2: 19
引用文章:
Li, Z. S., Wang, N. B., Liu, A. et al. Status of CAS global ionospheric maps after the maximum of solar cycle 24. Satell Navig 2, 19 (2021). https://doi.org/10.1186/s43020-021-00050-2.
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https://satellite-navigation.springeropen.com/articles/10.1186/s43020-021-00050-2
-长按识别二维码查看/下载全文-Special Issue: GNSS Ionosphere
As a new Ionosphere Associate Analysis Center (IAAC) of the International GNSS Service (IGS), Chinese Academy of Sciences (CAS) started the routine computation of real-time, rapid and final global ionospheric maps (GIMs) in 2015. The method for the generation of CAS rapid and final GIMs and recent updates are presented and summarized in the paper. The quality of CAS post-processed GIMs is assessed during 2015-2018 after the maximum of solar cycle 24.
To perform an independent and fair assessment, Jason-2/3 vertical total electron contents (VTEC) are used asreferences over the ocean at first. GPS differential Slant TECs (dSTEC) generated from 55 multi-GNSS experimental (MGEX) stations of the IGS are also employed, which provides a complementing way to evaluate the ability of electron content models to reproduce the spatial and temporal gradients in the ionosphere.
During the test period, JPL GIMs present significantly positive deviations compared to Jason VTEC and GPS dSTEC. UPC rapid GIM UQRG exhibits the best performance in both Jason VTEC and GPS dSTEC analysis. CAS GIMs show comparable performance in comparison with the first four IAACs of the IGS. The inferior performance of all GIMs in equatorial regions and high latitudes of the southern hemisphere is found as expected. The consideration of generating multi-layer or three-dimensional ionospheric maps is emphasized to mitigate the inadequacy of ionospheric single-layer assumption in the presence of pronounced latitudinal gradients.
The use of ionospheric observations from the new GNSS constellations and other space- or ground-based observation techniques is also suggested in the generation of future GIMs, given the sparse coverage of GPS/ GLONASS stations in the southern hemisphere.
本文亮点
报告了中国科学院事后全球电离层产品的处理策略更新；
梳理了中国科学院预报、实时和事后电离层产品现状；
分析了向IGS例行提交的快速与最终电离层产品精度情况。
内容简介
作为国际GNSS服务组织（IGS）电离层分析中心（IAAC）之一，中国科学院（CAS）基于SHPTS方法实现快速和最终全球电离层TEC格网（GIM）产品的例行处理，并于2015年开始提供实时、快速和最终GIM产品服务。本文在总结CAS电离层分析中心最新研究进展的基础上，评估了2015-2018年期间例行向IGS例行提交的快速与最终GIM产品的精度情况。为确保评估结果的可靠性，基于Jason-2/3垂向总电子含量（VTEC）分析了GIM产品在海洋区域的应用精度情况；利用55个MGEX基准站GPS dSTEC数据，评估了GIM产品在陆地区域的应用精度情况；最后，对CAS电离层分析中心及IGS电离层工作组后续拟开展工作进行了梳理。
CAS提出综合球谐函数与广义三角级数函数的方法，实现了全球快速与最终GIM产品的计算；提出基于“预测＋建模”的方法，实现了全球实时电离层产品的计算。下图给出了2018年8月26日UTC 08:00 CAS实时和最终GIM产品对应的全球电离层TEC分布情况。
图 1 CAS实时和最终GIM产品对应的全球TEC分布情况（2018年8月26日 UTC 08:00）
图 2 Jason-2与Jason -3对应的全球电离层VTEC对比情况（2016年DOY 077至2017年DOY 063）
图 3 Jason-2和CAS-GIM电离层TEC随地方时和地理纬度的变化情况（从左至右分别对应2016年春分秋分、夏至和冬至时段）
图 4 不同GIM产品与Jason-2/3 VTEC相比的偏差和STD随地理纬度的变化 表 1 基于Jason-2/3 VTEC的不同分析中心最终GIM产品精度对比结果
以MGEX基准站提供的GPS相对TEC（即dSTEC）为参考，下图给出了2017年9月至12月不同分析中心事后GIM产品与基准站dSTEC相比的偏差与STD序列。可以看出，JPLG 依旧表现出明显的偏差（>0.5TECu）；在年积日251天，所有GIM产品对应STD均显著增大，这与2017年9月6日的X级太阳耀斑事件有关。需要说明的是，GPS dSTEC分析方法对电离层产品的时间和空间梯度变化较为敏感，因此该评估方法对具有较高时间分辨率GIM产品的分析结果可能较为有利，如UPC快速GIM产品UQRG。
图 5 各GIM产品与GPS dSTEC相比的偏差与STD序列（2017年9月至12月）
总结
与Jason-2/3 VTEC相比，CAS快速和最终GIMs对应的相对误差分别为23.0％和21.3％；与GPS dSTEC相比，CAS快速和最终GIMs对应的相对误差分别为15.7%和15.3%。评估期间，CAS GIM产品的性能与CODE GIM产品相当，略微优于ESA/ESOC和EMR/NRCan提供的GIM产品。除了UPC GIM产品外，其他各分析中心的最终GIM产品精度与相应的快速GIM产品相比，高出了0.3-2.9%。
各分析中心提供的GIM产品在赤道和低纬度地区的应用精度偏低，这是由于电离层单层假设难以反映赤道即低纬度地区电离层TEC的复杂变化。因此，基于多薄层假设的GIM产品甚至是三维电离层电子密度产品是未来IGS电离层工作组协调任务的重点。各分析中心GIM产品在高纬度及南半球地区的应用精度略低，这与IGS全球GPS/GLONASS基准站的分布和数量有关；在后续的电离层产品处理中，各分析中心应考虑引入多星座GNSS数据以及其他地基/空基电离层观测数据，以进一步提升全球电离层产品的应用效果。
作者简介
王宁波 博士
王宁波，博士，中国科学院空天信息研究院副研究员，中国科学院青年促进会会员。2016年毕业于中国科学院测量与地球物理研究所，2018-2019年于德国慕尼黑工业大学开展博士后研究，主要从事卫星导航电离层探测建模修正与高精度位置服务完好性方面的研究与应用工作。曾荣获中国科学院院长优秀奖、空天院首届未来之星、COSPAR信标卫星年会青年科学家奖、COSPAR青年科学家优秀论文奖、空间天气科学大会优秀论文奖、CSNC青年优秀论文奖、ASR 2019年度TOP10审稿人等奖励；同时也是IAG实时电离层监测工作组副主席，亚太空间天气联盟、IGS电离层工作组/Real-Time工作组、IDS NRT DORIS DATA工作组、IAG电离层预报工作组、NeQuick电离层模型工作组成员。
撰稿：本文作者
编辑：星航
审校：李子申 研究员
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