Contributions to ionospheric modeling with GNSS in mapping function, tomography and polar electron
Authors:   , Lyu Haixia 
Published: October 2023

This dissertation focuses on determining the vertical electron content distribution in low and high vertical resolution from ground-based and LEO on board GNSS data and improving the knowledge of ionosphere climatology in northern mid-latitude and polar regions. The novelty is summarized in the following four aspects:
The first contribution is to propose a new ionospheric mapping function concept - Barcelona Ionospheric Mapping Function (BIMF), in order to improve STEC (Slant Total Electron Content) conversion accuracy from any given VTEC (Vertical Total Electron Content) model. BIMF is based on the climatic modeling of the VTEC fraction in the second layer - µ2, which is the byproduct of UQRG generated by UPC. The first implementation of BIMF is BIMF-nml for the northern mid-latitudes, where the latitudinal variation of µ2 is neglected. µ2 is modeled as function of date and local time. From the user’s perspective, BIMF is the linear combination of µ2 and the standard ionospheric mapping function, and only needs 41 constant coefficients, making BIMF achieve the simplicity for application. The good performance has been demonstrated in the dSTEC assessment for different IGSGIMs: UQRG, CODG and JPLG.
The second contribution is to confirm the capability of UQRG GIMs to detect representative ionospheric features in polar regions through six case studies, including TOI (Tongue of Ionization), trough, flux transfer event, theta-aurora, ionospheric convection patterns and storm enhanced density. The long-term VTEC and µ2 data provide valuable databases for studying the morphology and climatology of polar ionospheric phenomena. The unsupervised clustering results of normalized VTEC distribution show that TOI and polar cap patches exhibit an annual dependence, i.e. most TOI and patches occurring in the North Hemisphere winter and the South Hemisphere summer.
The third contribution is to propose a hybrid method - AVHIRO (the Abel-VaryChap Hybrid modeling from topside Incomplete RO data), to solve an ill-posed rank-deficient problem in the Abel electron density retrieval. This work is driven by the future EUMETSAT Polar System 2nd Generation, which provides truncated ionospheric RO data, only below impact heights of 500 km, in order to guarantee a full data gathering of the neutral part. AVHIRO takes advantage of one Linear Vary-Chap model, where the scale height increases linearly with altitude above the F2 layer peak, and uses Powell search to solve the full electron densities, ambiguity term, and four parameters of the Vary-Chap model simultaneously, taking into account the nonlinear interactions between the unknown parameters.
The fourth contribution is to take advantage of the geometry brought by combining DORIS, ground-based Galileo, ground-based, LEO-POD and vessel-based GPS data and ingest the multi-source dual-frequency carrier phase measurements into the tomographic model to improve the GIM VTEC estimation precision. The impact of adding each type of measurements, which are Galileo data, vessel-based GPS data, DORIS and LEO-POD GPS data, to ground-based GPS data on GIM product is examined according to two complementing evaluation criteria, JASON-3 VTEC comparison and GPS dSTEC test. This study proves the expected better GIM performance by new data ingestion into tomographic model, which is a successful step forward from conception to initial experimental validation.
electrones en resolución vertical baja y alta a partir de medidas GNSS terrestres y a bordo de
satélites de órbita baja (LEO), además de utilizar medidas GNSS desde buques y medidas
DORIS, además de mejorar el conocimiento de la climatología de la ionosfera en las regiones
polares y en latitudes medias del hemisferio norte. Las contribuciones se pueden resumir en
los siguientes cuatro aspectos:
La primera contribución consiste en proponer un nuevo concepto de función de mapeo
ionosférico: la función de mapeo ionosférico de Barcelona (BIMF), con el fin de mejorar
la precisión de conversión de STEC (contenido total de electrones inclinado) a partir de
cualquier modelo de VTEC (contenido total de electrones vertical). BIMF se basa en el
modelado climático de la fracción VTEC en la segunda capa - μ2, que es el subproducto
de UQRG generado por UPC. La primera implementación de BIMF es BIMF-nml para las
latitudes medias del hemisferio norte. μ2 se modela en función del dia y la hora local. Desde
la perspectiva del usuario, BIMF es la combinación lineal de μ2 y la función de mapeo
ionosférico estándar, y solo necesita 41 coeficientes constantes, lo que hace que BIMF sea
facilmente aplicable. Su buen comportamiento se demostró en la evaluación dSTEC para
diferentes IGS GIM: UQRG, CODG y JPLG.
La segunda contribución se centró en confirmar la capacidad de los GIM UQRG para
detectar características ionosféricas representativas en regiones polares a través de seis
estudios de casos, que incluyen lenguas de ionización (TOI), depresión de ionización en
forma de canal, sucesos de transferencia de flujo, theta-aurora, patrones de convección
ionosférica y densidad aumentada durante tormentas geomagnéticas. Los datos a largo
plazo de VTEC y μ2 proporcionan valiosas bases de datos para estudiar la morfología y
climatología de los fenómenos ionosféricos polares. Los resultados de agrupamiento no
supervisados de la distribución normalizada de VTEC muestran que los TOI y los parches
en los casquetes polares exhiben una dependencia anual, es decir, la mayoría de los TOI y
parches ocurren en el invierno del Hemisferio Norte y el verano del Hemisferio Sur.
La tercera contribución ha consistido en proponer un método híbrido: AVHIRO (el
modelo híbrido Abel-VaryChap a partir de datos de RO incompletos en la parte superior),
para resolver un problema de rango deficiente en la recuperación de la densidad electrónica
con el modelo de Abel. Este trabajo está motivado por el futuro sistema polar EUMETSAT
de segunda generación, que proporciona datos truncados de RO ionosférica, sólo por debajo
de las alturas de impacto de 500 km, con el fin de garantizar una recopilación completa de
medidas de la parte neutra. AVHIRO aprovecha un modelo Linear Vary-Chap, donde la
altura de la escala aumenta linealmente con la altitud por encima del pico de la capa F2, y
utiliza la búsqueda Powell para resolver las densidades completas de electrones, el término
de ambig ¨ uedad y cuatro parámetros del modelo Vary-Chap simultáneamente, teniendo en
cuenta las interacciones no lineales entre los parámetros desconocidos.
La cuarta contribución es aprovechar la geometría aportada por la combinación de datos
GPS DORIS, Galileo en tierra, LEO-POD y en barco, e incorporar las mediciones de la
fase de la portadora de doble frecuencia de múltiples fuentes en el modelo tomográfico
para mejorar la precisión de estimación de GIM VTEC. El impacto de agregar cada tipo de
mediciones, que son datos de Galileo, datos de GPS basados en embarcaciones, datos de GPS
DORIS y LEO-POD, a datos de GPS terrestres en productos GIM se examina de acuerdo
con dos criterios de evaluación complementarios, comparación con VTEC[JASON-3] y
con dSTEC[GPS]. Este estudio demuestra el mejor rendimiento esperado de GIM por la
nueva ingesta de datos en el modelo tomográfico, que es un exitoso paso adelante desde la
concepción hasta la validación experimental inicial.