利用GPS觀測(cè)值監(jiān)測(cè)電離層的時(shí)空變化

寇瑞雄,李仲勤,高志鈺

(1.蘭州交通大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院,甘肅 蘭州730070;2.甘肅省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

電離層是高度約為60～2000 km范圍內(nèi)的離子化的大氣層,由于大氣分子以及原子受到了太陽(yáng)紫外線、X射線和高能粒子的輻射作用,從而電離產(chǎn)生了大量的自由電子和正離子,因此電離層總電子含量(TEC)的變化受太陽(yáng)活動(dòng)的影響較大,具有明顯的時(shí)空變化特征[1]。信號(hào)通過(guò)電離層時(shí)會(huì)發(fā)生反射、折射、散射和吸收等情況,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的測(cè)距信號(hào)在電離層中的時(shí)延可達(dá)數(shù)米甚至上百米,是影響GNSS測(cè)量、導(dǎo)航和授時(shí)等性能的較大誤差源[2]。根據(jù)電離層的時(shí)空變化規(guī)律建立精確的電離層改正模型,從而提高GNSS觀測(cè)精度,因此研究電離層時(shí)空變化特征對(duì)GNSS時(shí)延改正有很重要的意義[3-4]。

從20世紀(jì)90年代就已經(jīng)開始運(yùn)用GPS監(jiān)測(cè)電離層了,隨著研究的深入,其監(jiān)測(cè)方法不斷完善,因此對(duì)電離層監(jiān)測(cè)已經(jīng)趨于成熟,是一條可靠實(shí)用的電離層時(shí)空變化監(jiān)測(cè)途徑[5]。國(guó)際GNSS服務(wù)(IGS)利用全球數(shù)百個(gè)GNSS衛(wèi)星跟蹤站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,從1992年開始發(fā)布電離層產(chǎn)品。吳風(fēng)波等人利用IGS全球格網(wǎng)數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)區(qū)域TEC時(shí)空變化進(jìn)行了分析,但沒(méi)有考慮中國(guó)境內(nèi)IGS站分布較少的因素,全球電離層在中國(guó)境內(nèi)有偏差[6]。袁菲等人利用IGS電離層產(chǎn)品研究了零度子午線上的電離層隨緯度的變化規(guī)律,不是直接計(jì)算零度子午線上的電離層TEC的值[7]。史坤朋等人利用山東省的SDCORS數(shù)據(jù)構(gòu)建了區(qū)域VTEC球諧格網(wǎng)模型,只對(duì)山東區(qū)域電離層時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行分析,因此緯度跨度不大[8]。本文利用區(qū)域電離層模型,將天頂方向的電離層總電子含量(VTEC)看作緯度差和太陽(yáng)時(shí)角差的函數(shù),解算得到GPS系統(tǒng)硬件延遲(DCB)。根據(jù)站點(diǎn)的空間分布和選取數(shù)據(jù)的時(shí)間變化,避免了測(cè)站分布不均勻造成的問(wèn)題,如通過(guò)插值和擬合等方法獲取區(qū)域上空的電離層TEC,直接計(jì)算得到該站上空的絕對(duì)TEC,選取經(jīng)度相差較小且相鄰站緯度分布均勻的四個(gè)IGS站2012年、2015年和2017年的觀測(cè)資料,利用這四個(gè)站的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層TEC時(shí)空變化研究。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和電離層TEC解算

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

由于太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)電離層VTEC影響較大,太陽(yáng)活動(dòng)的周期為11年,而2012年為太陽(yáng)活動(dòng)高峰年,2017年為太陽(yáng)活動(dòng)平靜年,可以分析電離層TEC的時(shí)間變化。在全球四百多個(gè)IGS站中選了西經(jīng)64°左右,緯度分布較為均勻的四個(gè)站,即CRO1、BRMU、UNBJ和QIKI站,利用這四個(gè)站的GPS觀測(cè)資料進(jìn)行電離層TEC的時(shí)空變化分析。測(cè)站詳細(xì)信息如表1所示:

表1 測(cè)站信息

1.2 電離層TEC解算

GPS衛(wèi)星不同頻率的信號(hào)在衛(wèi)星中通過(guò)不同的線路產(chǎn)生,因此信號(hào)從產(chǎn)生到離開天線有一定的時(shí)間延遲,因?yàn)槊總€(gè)信號(hào)頻率不同,所以時(shí)間延遲也就不同,這種導(dǎo)航信號(hào)之間的時(shí)延差異稱為差分碼偏差DCB,也就是衛(wèi)星硬件延遲偏差[9-10]。同理,這種接收機(jī)也存在這種偏差,稱之為接收機(jī)硬件延遲偏差。衛(wèi)星硬件延遲偏差和接收機(jī)硬件延遲偏差比較難分離,因此將其合稱為GPS系統(tǒng)硬件延遲偏差[11]。衛(wèi)星和接收機(jī)DCB偏差是影響GPS電離層TEC監(jiān)測(cè)與建模精度最主要的誤差,衛(wèi)星硬件延遲和接收機(jī)硬件延遲將有可能分別造成±3 ns和±10 ns的誤差,所以在電離層TEC計(jì)算時(shí),必須考慮并消除系統(tǒng)硬件延遲帶來(lái)的影響。因?yàn)镚PS系統(tǒng)硬件延遲偏差的值隨著時(shí)間的變化而發(fā)生變化,因此不能用一個(gè)固定的值來(lái)表示其大小。一般可以把GPS系統(tǒng)偏差值當(dāng)作未知數(shù),引入觀測(cè)方程,通過(guò)平差估計(jì)出偏差值[12-13]。

一般情況下,將電離層壓縮成一個(gè)單層,并把所有的自由電子集中到這個(gè)單層上,則可以用該單層表示整個(gè)電離層。多項(xiàng)式函數(shù)模型是將單層上的VTEC表示成以緯度和太陽(yáng)時(shí)角的函數(shù)[14],由于要估計(jì)系統(tǒng)硬件延遲,所以多項(xiàng)式函數(shù)模型為

9.52437Bcosz=9.52437(P2-P1)cosz,

(1)

通過(guò)偽距可以計(jì)算得到絕對(duì)的電離層TEC信息,但因有觀測(cè)噪聲以及多路徑效應(yīng)等因素的影響,導(dǎo)致計(jì)算精度降低;相位觀測(cè)得到電離層精度較高,但其包含整周模糊度,從而可靠性相對(duì)較差。顧及偽距和相位觀測(cè)所產(chǎn)生的電離層延遲量相等但符號(hào)相反的特征,因而考慮利用載波相位平滑偽距的方法來(lái)改善偽距觀測(cè)精度,也避免了直接利用相位提取電離層信息時(shí)對(duì)模糊度參數(shù)的估計(jì)。

設(shè) ΔP2P1=P2-P1,L4=φ1λ1-φ2λ2,在不考慮地磁因素的電離層延遲高階項(xiàng)條件下,第i個(gè)歷元測(cè)碼偽距差ΔP2P1的預(yù)報(bào)值為

(ΔP2P1)prd(i)= (ΔP2P1)sm(i-1)+

[L4(i)-L4(i-1)].

(2)

第i個(gè)歷元平滑后的平滑值為

(ΔP2P1)sm(i)=wi(ΔP2P1)obs(i)+(1-

wi)[(ΔP2P1)prd(i)+

L4(i)-L4(i-1)] ,

(3)

當(dāng)i=1時(shí):

(ΔP2P1)sm=(ΔP2P1)obs,wi=1.0 ,

(4)

式中，wi為與歷元i相對(duì)應(yīng)的權(quán)重因子,其隨平滑時(shí)間延續(xù)而遞減,而平滑率則按照經(jīng)驗(yàn)調(diào)整。當(dāng)平滑時(shí)間足夠長(zhǎng)后,(ΔP2P1)sm(i)將主要由L4的變化來(lái)決定,此時(shí),wi應(yīng)予以固定。在使用載波相位觀測(cè)值之前必須進(jìn)行周跳探測(cè),當(dāng)觀測(cè)值發(fā)生周跳時(shí),wi需要重新初始化。利用L4組合觀測(cè)值平滑ΔP2P1以后,用(ΔP2P1)sm作為模型的預(yù)處理觀測(cè)值。

用式(1)解算GPS系統(tǒng)硬件延遲,用載波相位平滑偽距,然后可以得到絕對(duì)TEC值。

TEC=9.52437[(ΔP2P1)sm-B].

(5)

為更好的研究TEC的時(shí)空變化特征,通常采用天頂方向的電離層總電子含量VTEC來(lái)進(jìn)行分析,VTEC的計(jì)算式為

VTEC=9.52437[(ΔP2P1)sm-B]cosz.

(6)

至此,電離層VTEC已經(jīng)求得,其單位為TECU。

由以上計(jì)算絕對(duì)電離層VTEC的方法對(duì)電離層的變化規(guī)律進(jìn)行研究。由于GPS系統(tǒng)硬件延遲對(duì)VTEC的精度影響很大,所以必須首先估計(jì)GPS系統(tǒng)硬件延遲。利用COR1站的2012年2月14至16日的數(shù)據(jù),計(jì)算這三天GPS系統(tǒng)硬件延遲,分別將COR1站單天解算的星站組合DCB與CODE提供的值進(jìn)行比較,因?yàn)镃ODE的結(jié)果已經(jīng)分離了衛(wèi)星和測(cè)站接收機(jī)的DCB,所以先將衛(wèi)星和COR1站接收機(jī)的DCB相加,得到星站組合硬件延遲,然后進(jìn)行比較,結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)COR1站的2012年2月14至16日的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算電離層VTEC值,圖2是無(wú)GPS系統(tǒng)硬件延遲的電離層VTEC周日?qǐng)D,圖3是加上GPS系統(tǒng)硬件延遲時(shí)的電離層VTEC周日?qǐng)D。通過(guò)對(duì)比圖2和圖3所示,若不考慮硬件延遲偏差時(shí),由于其影響較大而使電離層VTEC周日變化規(guī)律不明顯,考慮硬件延遲偏差后,周日變化規(guī)律較為明顯,也證明GPS系統(tǒng)硬件延遲估計(jì)得較為準(zhǔn)確。

2 電離層TEC時(shí)空變化

2.1 時(shí)間變化規(guī)律

為了研究電離層VTEC隨時(shí)間的變化規(guī)律,且太陽(yáng)黑子的活動(dòng)周期是11年,文獻(xiàn)[8]中提到上一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期是2001-2011年,2012年是太陽(yáng)活動(dòng)高峰年。文獻(xiàn)[15]中將太陽(yáng)活動(dòng)分為高年、低年,將介于高年和低年之間的過(guò)度年份稱之為中間年份,高年和低年間隔5～7年。而2012年到2017年只有6年,因此本文選用了COR1站2012、2015和2017三年的數(shù)據(jù)分別代表太陽(yáng)活動(dòng)的高年、中間年和低年。用每一個(gè)月的14日、15日和16日的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算電離層VTEC值,為了減小高度角對(duì)電離層VTEC的影響,截止高度角設(shè)為50°,并且每一個(gè)歷元只要截止高度角不小于50°的衛(wèi)星都用參數(shù)計(jì)算。本月的VTEC用14～16日三天的VTEC周日變化平均值來(lái)表示。圖4是2012年、2015年和2017年的每年12個(gè)月的VTEC周日變化圖。

由于北半球的季節(jié)是按照3月、4月和5月份為春季,6月、7月和8月份是夏季,9月、10月和11月份是秋季,12月、1月和2月是冬季進(jìn)行劃分。根據(jù)北半球季節(jié)的劃分,研究電離層VTEC的季節(jié)性變化,統(tǒng)計(jì)COR1站三年的每個(gè)月VTEC周日變化數(shù)據(jù),如圖5和圖6所示。圖5是每年每個(gè)月VTEC周日平均值,黑色柱狀表示2017年每個(gè)月的VTEC周日平均值,白色是指2015年與2017年對(duì)應(yīng)月份VTEC周日平均值的差值,灰色是2012與2015年對(duì)應(yīng)月份VTEC周日平均值的差值。圖6是每年每個(gè)月VTEC周日最大值,黑色柱狀表示2017年每個(gè)月VTEC周日最大值,白色是指2015年與2017年對(duì)應(yīng)月份VTEC周日最大值的差值,灰色是2012與2015年對(duì)應(yīng)月份VTEC周日最大值的差值。

分析圖4,電離層VTEC從2012年、2015年到2017年總體呈現(xiàn)變小的趨勢(shì),同時(shí)都在10時(shí)左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,2012年由于太陽(yáng)活動(dòng)處于高峰年,電離層VTEC的全天起伏變化比較大,而2015年是過(guò)渡年,因此2015年相比2012年變化幅度減小,但夜間還是有變化,到了2017年太陽(yáng)活動(dòng)處于低年,該年夜間VTEC基本趨于一個(gè)常數(shù),白天VTEC變化接近于正弦函數(shù)正的部分,周日變化規(guī)律明顯。由圖5和圖6可以看出,COR1三年的VTEC月平均值和月最大值都在春季和秋季出現(xiàn)了兩個(gè)峰值,夏季和冬季相對(duì)較小,有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。

2.2 空間變化規(guī)律

為了研究電離層VTEC的空間變化規(guī)律,選擇了經(jīng)度相差不超過(guò)1°,在緯度分布較為均勻的COR1、BRMU、UNBJ和QIKI四個(gè)IGS站。分別計(jì)算了2012年和2017年兩年的每個(gè)月的VTEC值,如圖7和圖8所示。

根據(jù)計(jì)算出每月的VTEC值,統(tǒng)計(jì)四個(gè)站所有月份的VTEC周日平均值,其中2012年四個(gè)站的月平均VTEC值如圖9所示,2017年四個(gè)站的月平均VTEC值如圖10所示。由于2012年和2017年太陽(yáng)活動(dòng)情況不一樣,因此將四個(gè)站兩年的每月VTEC平均值做差,結(jié)果如圖11所示。

由于COR1、BRMU、UNBJ和QIKI四個(gè)IGS站基本上屬于同一經(jīng)度,所以由圖7和圖8可以看出VTEC周日變化在11時(shí)之前變化較為平緩,11時(shí)之后變化較大,在18時(shí)左右VTEC值達(dá)到最大,所有站的每個(gè)月VTEC周日變化趨勢(shì)基本一致,具有明顯的單峰效應(yīng)。又因?yàn)樗膫€(gè)站的緯度從左到右依次增大,從圖7和圖8中可以看出,同一年四個(gè)站的VTEC從左到右依次呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)。分析圖9和圖10,比較四個(gè)站同一年中對(duì)應(yīng)的每個(gè)月份的月平均VTEC值,COR1站的月平均VTEC值最大,其次是BRMU站,接著是UNBJ站,QIKI站的月平均VTEC值最小,可以很明顯地得出電離層VTEC隨著緯度的增大而減小。圖11示出了2012年和2017年各站對(duì)應(yīng)的月平均VTEC值的差值,由圖11看出COR1、BRMU、UNBJ和QIKI四個(gè)站的月平均VTEC的差值整體上是減小的趨勢(shì),因此可得不同年份電離層VTEC的變化幅度隨緯度的增大而減小。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用CRO1、BRMU、UNBJ和QIKI四個(gè)站2012年、2015年和2017年的雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)電離層TEC時(shí)間和空間變化規(guī)律進(jìn)行了分析,主要工作和成果有:

1) 利用區(qū)域電離層多項(xiàng)式模型解算GPS系統(tǒng)硬件延遲,然后得到絕對(duì)電離層TEC;

2) 用COR1站2012年、2015年和2017年數(shù)據(jù)分析電離層VTEC的時(shí)間變化規(guī)律,得出了電離層TEC周日變化和季節(jié)性變化的規(guī)律。

3) 由CRO1、BRMU、UNBJ和QIKI四個(gè)站2012年和2017年的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析電離層VTEC空間變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)北半球電離層VTEC隨緯度增大而減小,不同年份電離層VTEC的變化幅度隨緯度的增大而減小。

致謝:衷心感謝IGS提供觀測(cè)數(shù)據(jù)和精密星歷。