1. 研究背景
电离层是地球大气层中重要的组成部分，位于地面以上约60-1000公里高度范围内，包含大量自由电子和离子。电离层对无线电通信、卫星导航和空间天气监测等现代技术系统具有重要影响。国际参考电离层模型(IRI)是由国际空间研究委员会(COSPAR)和国际无线电科学联盟(URSI)联合开发的电离层经验模型，被广泛用于电离层研究和工程应用。
本文介绍了一种基于MATLAB和IRI2020 Fortran程序的电离层特征参量计算与可视化方法，该方法能够高效地获取并展示特定地理位置和时间范围内的电离层关键参数。
2. 技术原理
2.1 IRI模型概述
IRI2020是当前最新的国际参考电离层模型版本，它基于全球电离层观测数据(包括地面电离层探测仪、卫星测量等)建立的经验模型。该模型能够计算电离层电子密度、电子温度、离子温度、离子组成等参数随高度、地理位置、时间(日变化、季节变化)和太阳活动水平的变化。
2.2 关键电离层参数
本代码计算并可视化了以下重要电离层参数：
- 临界频率：foF2(F2层临界频率)、foF1(F1层临界频率)、foE(E层临界频率)，单位为MHz
- 峰值高度：hmF2(F2层峰值高度)、hmF1(F1层峰值高度)、hmE(E层峰值高度)，单位为km
- 厚度参数：B0(底部厚度)、B1(顶部厚度)，单位为km
- 总电子含量(TEC)：垂直方向上单位面积柱体内的总电子数，单位为TECU(1 TECU=10¹⁶ electrons/m²)
- 偶发E层概率(Es_Prob)：偶发E层出现的概率
- 太阳地磁指数：F10.7(太阳射电流量指数)、Ap/Kp(地磁活动指数)
3. 技术实现
3.1 系统架构
采用MATLAB作为主控平台，通过调用IRI2020的Fortran可执行程序进行计算，然后对计算结果进行后处理和可视化。主要流程包括：
- 参数设置与输入
- Fortran程序调用与执行
- 结果文件读取与解析
- 数据可视化与图形输出
3.2 核心代码解析
% 参数设置部分
lat = 10.0; % 纬度
lon = 30.0; % 经度
year = 2025; % 年
month = 3; % 月
day = 1; % 日
hour = 0; % 时
iut = 0; % 时间类型(0=地方时,1=世界时)
ndays = 7; % 计算天数
dt_min = 15; % 时间间隔(分钟)% Fortran程序调用
exe_path = 'IRI_site_switch.exe';
cmd = sprintf('%s %f %f %d %d %d %d %d %d %d %d %d', ...exe_path, lat, lon, year, month, day, hour, minute, second, iut, ndays, dt_min);
[status, result] = system(cmd);% 数据读取与处理
fid = fopen(output_file, 'r');
data = textscan(fid, '%d %d %d %d %d %d %f %f %f %f %f %f %f %f %f %f %f %f %f %f %f %f %f %f %f %f', ...'CommentStyle', '%', 'HeaderLines', 4);
fclose(fid);计算结果输出效果如下：
3.3 可视化实现
代码实现了四组子图的可视化：
- 太阳地磁指数：展示F10.7、Ap和Kp指数随时间变化
- 临界频率：展示foF2、foF1和foE随时间变化
- 高度/厚度参数：展示hmF2、hmF1、hmE高度和B0、B1厚度参数
- TEC和Es概率：展示总电子含量和偶发E层概率
% 示例可视化代码(临界频率子图)
% 绘制图形
% 子图1: 太阳地磁指数
figure('Position', [10, 10, 1200, 800]);
subplot(4,1,1);
yyaxis left;
plot(time_datenum, F107, 'r-', 'LineWidth', 2); hold on;
ylabel('F10.7 index')
yyaxis right;
stairs(time_datenum, Ap, 'b--', 'LineWidth', 2);
stairs(time_datenum, Kp, 'k-.', 'LineWidth', 2);
ylabel('AP/Kp index');
datetick('x', 'HH:MM');
legend('F10.7', 'AP', 'KP','Location', 'best');
title(['Ionospheric Parameters at Lati=' num2str(lat) '°, Longi=' num2str(lon),'°']);% 子图2: 临界频率
subplot(4,1,2);
plot(time_datenum, foF2, 'r-', 'LineWidth', 2); hold on;
plot(time_datenum, foF1, 'b-', 'LineWidth', 2);
plot(time_datenum, foE, 'k-', 'LineWidth', 2);
datetick('x', 'HH:MM');
ylabel('Frequency (MHz)');legend('foF2', 'foF1', 'foE', 'Location', 'best');
grid on;% 子图3: 高度/厚度参数
subplot(4,1,3);
yyaxis left;
plot(time_datenum, hmF2, 'r-', 'LineWidth', 2); hold on;
plot(time_datenum, hmF1, 'b-', 'LineWidth', 2);
plot(time_datenum, hmE, 'k-', 'LineWidth', 2);
ylabel('Peak Height (km)');yyaxis right;
plot(time_datenum, B0, 'm--', 'LineWidth', 2);
plot(time_datenum, B1, '-.', 'LineWidth', 2,'Color',[0.4 0.5 0.2]);
ylabel('Thickness (km)');datetick('x', 'HH:MM');
legend('hmF2', 'hmF1', 'hmE', 'B0','B1','Location', 'best');
grid on;% 子图4: TEC和Es发生概率
subplot(4,1,4);
yyaxis left;
plot(time_datenum, TEC, 'k-', 'LineWidth', 2);
ylabel('TEC (TECU)');
yyaxis right;
% plot(time_datenum, sF_Prob, 'm-', 'LineWidth', 1);
plot(time_datenum, Es_Prob, 'r--', 'LineWidth', 2);
ylabel('Probability (%)');
% legend('TEC', 'Spread-F Prob', 'Es Prob', 'Location', 'best');
legend('TEC', 'Es Prob', 'Location', 'best');
datetick('x', 'HH:MM');
xlabel('Time (UT)');
grid on;4. 应用与结果
4.1 典型输出结果
运行该代码将生成一个包含四组子图的综合图表，展示了指定地理位置(纬度10°，经度30°)和时间(2024年5月10-16日)的电离层参数变化。图表保存为PNG格式文件，文件名包含日期时间信息。
4.2 应用场景
- 无线电通信规划：通过临界频率和MUF(最高可用频率)预测高频通信链路质量
- 卫星导航误差修正：利用TEC数据改进GNSS系统的电离层延迟修正
- 空间天气监测：通过太阳地磁指数和电离层参数监测空间天气事件的影响
- 科学研究：研究电离层动态变化及其与太阳活动、地磁活动的相关性
5. 技术优势与扩展
5.1 主要优势
- 自动化流程：从参数设置到结果可视化全自动完成
- 高效计算：利用Fortran程序进行高性能计算，MATLAB进行便捷的数据处理和可视化
- 灵活的参数配置：可方便地修改地理位置、时间范围和计算参数
- 直观的可视化：多参数综合展示，便于分析各参数间的相关性
5.2 扩展方向
- 批量处理功能：扩展为多地点、多时间段的批量计算
- 三维可视化：增加高度维度的电子密度剖面展示
- 实时数据同化：结合实时观测数据改进模型预测
- 机器学习接口：将IRI输出作为机器学习模型的输入特征
6. 结论
本文介绍的基于MATLAB和IRI2020 Fortran程序的电离层参数计算与可视化模型，提供了一种高效、便捷的电离层特征分析方法。该系统不仅适用于科学研究，也可为无线电通信、卫星导航等工程应用提供重要参考数据。通过进一步的功能扩展和性能优化，该系统有望成为电离层研究和应用开发的有力工具。计算结果可与IRI | Instant Run | CCMC进行对比。
