利用COSMIC掩星數(shù)據(jù)分析電離層擴(kuò)展F層現(xiàn)象

巫子好，鄒玉華，王自輝

（桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

擴(kuò)展F層名稱源于早期測高儀的觀測，當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)反射回波有時(shí)并不集中，而是在頻率范圍上“擴(kuò)展”開來，故由此而得名。當(dāng)無線電信號穿越這樣一層電子密度不均勻區(qū)域時(shí)，信號的振幅、相位發(fā)生劇烈的變化，一般把這種現(xiàn)象稱之為電離層閃爍。擴(kuò)展F層閃爍會給無線電通信、導(dǎo)航、定位等造成重要影響[1]，它在一個(gè)很寬的頻帶內(nèi)造成電波的散射及振幅和相位的閃爍，因而從理論研究和應(yīng)用角度，都是夜晚電離層中的一個(gè)重要現(xiàn)象[2]。電離層閃爍主要發(fā)生在赤道異常區(qū)（地磁的±15°）附近。低緯地區(qū)的電離層的閃爍主要受覆蓋地磁赤道地區(qū)的F層的不規(guī)則體的產(chǎn)生和發(fā)展影響。在日落后由于受Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定機(jī)制和重力波的共同影響，等離子體泡等不規(guī)則結(jié)構(gòu)將在赤道F層底部生成并上升到電離層頂部，其間以羽狀煙云的形式離開磁赤道沿磁力線向南北擴(kuò)散（±15°的赤道畸形峰值區(qū)域），形成電漿泡和羽狀結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)能夠引起非常強(qiáng)烈的閃爍效應(yīng)，即在赤道和低緯地區(qū)引起跨電離層傳播的無線電波閃爍[3]。過去的大量的赤道閃爍的事件和形態(tài)被報(bào)告，表明擴(kuò)展F層通常發(fā)生在地磁赤道兩側(cè)的±20°的范圍內(nèi)，最強(qiáng)的區(qū)域分布在以異常峰（±15°）為中心的兩個(gè)帶狀區(qū)域內(nèi)。閃爍事件在當(dāng)?shù)貢r(shí)的日落到午夜之間的時(shí)間段非常顯著，但有時(shí)也可延伸到午夜后數(shù)小時(shí)。事件發(fā)生的頻率具有很強(qiáng)的季節(jié)性，太陽周期性，地磁活動，經(jīng)度相關(guān)性和極端的天氣變化。分（至）月所有經(jīng)度范圍通常都具有很高（低）的發(fā)生頻率。北美洲這個(gè)部分例外，其最強(qiáng)閃爍發(fā)生在12月到1月之間；太平洋的中心部分在7月到8月之間表現(xiàn)的為分月的閃爍水平。

在過去幾十年的擴(kuò)展F層研究中，主要是基于地基探測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，例如：垂直測高儀、非相干散射雷達(dá)，氣象氣球等[4]。近些年隨著空間技術(shù)的發(fā)展，特別是GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的成功應(yīng)用，利用GPS信號來進(jìn)行電離層的研究逐漸發(fā)展起來。GPS信號探測電離層分為地基與天基兩種方法，地基探測技術(shù)顧名思義是指GPS信號接收機(jī)是位于地球上的，受到較大地域限制，影響了其應(yīng)用范圍。天基探測技術(shù)有時(shí)也稱為空基探測技術(shù)，是指在距地球表面一定的距離的空間設(shè)置GPS信號接收機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是克服了地理環(huán)境的影響，能夠得到較多的探測數(shù)據(jù)。目前正在實(shí)施的天基GPS探測計(jì)劃基礎(chǔ)理論之一是無線電掩星技術(shù)[5]。隨著無線電掩星技術(shù)的發(fā)展為電離層探測提供了一種新的方法。

1 儀器設(shè)備

所謂的無線電掩星技術(shù)是指正在被地球大氣所遮掩的GPS衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航信號被一裝載在低地球軌道衛(wèi)星（LEO）上的GPS接收機(jī)所接收。眾所周知GPS衛(wèi)星星座的軌道高度為20 200 km，周期為12 h。當(dāng)GPS衛(wèi)星發(fā)射的電波信號穿過地球大氣層時(shí)，由于大氣對電波產(chǎn)生折射效應(yīng)，電波射線發(fā)生彎曲，在低軌衛(wèi)星上的高精度GPS接收機(jī)接收到這些信號時(shí)，依據(jù)圖1的幾何關(guān)系及相應(yīng)的反演理論，就能將接收機(jī)接收到的信號逐步反演得到感興趣的物理量[5-6]。

圖1 掩星觀測示意圖Fig.1 The geometric map of GPS occultation

美國與臺灣地區(qū)共同合作的COSMIC計(jì)劃（Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere and Climate），臺灣將其稱為福爾摩沙衛(wèi)星三號計(jì)劃，即FORMOSAT-3/COSMIC掩星計(jì)劃。COSMIC掩星系統(tǒng)共發(fā)射了6顆低地球軌道微型衛(wèi)星，分別分布在約800 km高的最終軌道，傾角72°。以分開30°的軌道進(jìn)行均勻分布的觀測，用以接收GPS定位衛(wèi)星發(fā)射的頻率為1.58 GHz和1.23 GHz的信息[7]。由于COSMIC系統(tǒng)衛(wèi)星的分布和GPS接收設(shè)備的原因，其可以觀測到更多的掩星事件。在射線無地形阻擋及特殊天氣情況（如產(chǎn)生反射及折射），理想狀況下6顆衛(wèi)星每日約可提供全球近2 500個(gè)的探空資料，目前每日可提供近2 000個(gè)的原始數(shù)據(jù)，而由原始數(shù)據(jù)可反演出的相當(dāng)正確的大氣探空數(shù)據(jù)總數(shù)已達(dá)1 500以上[7]。圖2為2009年春分日和春分月的掩星事件分布圖。圖2（a）為COSMIC掩星2009年春分日（3月20日）全球掩星事件的地理投影。從圖2（a）中可以看出春分當(dāng)天中的掩星事件可以覆蓋到全球的各個(gè)地方時(shí)區(qū)和大部分緯度。圖2（b）為COSMIC掩星2010年3月的全球掩星事件的地理投影，從圖中可以看出春分月的掩星事件可以覆蓋到全球的任何地方。

圖2 掩星事件的天分布和月分布Fig.2 The daily and the monthly location distribution of occultation

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 數(shù)據(jù)說明

本文選用了CDAAC（COSMIC Data Analysis and Archive Center）提供的COSMIC的Level1b中的scnLv1數(shù)據(jù)資料。scnLv1文件的采樣率為1 Hz，垂直高度的掃描速率約為2.3 km/s，能夠滿足擴(kuò)展F的研究需要，文件中提供了包含信噪比（SNR，signal-to-noise ratio）、掩星發(fā)生時(shí)間（以 GPS 計(jì)時(shí)開始為零時(shí)的時(shí)間）、相位信息及GPS衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星的ECF坐標(biāo)系的坐標(biāo)等。利用GPS和LEO坐標(biāo)可以方便地計(jì)算出GPS掩星射線的近地點(diǎn)的位置。SNR的擾動可以直接反映擴(kuò)展F層的存在。正因?yàn)镾NR數(shù)據(jù)具有較少的噪聲干擾，所以本文選用了scnLv1文件中的L1頻率的SNR數(shù)據(jù)來分析擴(kuò)展F層現(xiàn)象。

許多研究已經(jīng)用到了SNR和相位數(shù)據(jù)，但大部分工作都是反演大氣的各種參數(shù)，如總電子密度 （total electron content），溫度和大氣中的水汽等。這些參數(shù)降低了監(jiān)測的垂直分辨率。在掩星事件中，GPS衛(wèi)星對LEO衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的信號：L1=1.6 GHz和L2=1.2 GHz。本文使用的是L1頻段的C/A碼中的原始信噪比（SNR）信息。原始的SNR信號對于研究不規(guī)則體結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點(diǎn)：1）不規(guī)則體的結(jié)構(gòu)信息可以很好的保存在原始的L1頻率數(shù)據(jù)中；2）在原始數(shù)據(jù)中的測量噪聲可以直接提取其特征并進(jìn)行分析；3）更多的掩星事件可以被使用，因?yàn)榇朔椒▽π盘柕馁|(zhì)量控制沒有以前的那么嚴(yán)格[8]。

2.2 數(shù)據(jù)分析

GPS信號由GPS衛(wèi)星發(fā)射到被LEO衛(wèi)星接收的整個(gè)過程中，受到各種因素的影響，這些影響因素包括GPS衛(wèi)星上的GPS信號發(fā)射機(jī)、電離層各層、LEO衛(wèi)星上GPS接收機(jī)。GPS發(fā)射與接收機(jī)在發(fā)射和接收信號的時(shí)候由于自身鐘差，儀器穩(wěn)定性等會產(chǎn)生誤差，由此引入的誤差一般稱為儀器誤差。這些誤差是由COSMIC系統(tǒng)引入的，在本文分析數(shù)據(jù)時(shí)儀器誤差不考慮。GPS信號傳播過程中信號先后經(jīng)過了外層大氣、電離層、底層大氣。在擴(kuò)展F層高度分析數(shù)據(jù)時(shí)，由于外層大氣處于真空狀態(tài)，幾乎不對GPS信號產(chǎn)生影響，SNR主要受電離層F層、背景噪聲、電離層偶發(fā)E層的影響。為了得到擴(kuò)展F層的信息必須選取合適的方法分離出電離層F層及背景噪聲的影響。本文選用了歸一化SNR擾動的標(biāo)準(zhǔn)差作為判斷擴(kuò)展F層存在的物理量。在處理數(shù)據(jù)時(shí)，首先使原始的SNR經(jīng)過11點(diǎn)高通濾波器提取原始SNR的擾動信息，去除背景噪聲，產(chǎn)生SNR擾動量。這樣處理的優(yōu)點(diǎn)在于濾除了變化緩慢或尺度較小的電離層擾動的影響。再將SNR擾動量與SNR0相比產(chǎn)生歸一化SNR擾動。最后對歸一化SNR擾動求標(biāo)準(zhǔn)差，最終得到歸一化SNR擾動的標(biāo)準(zhǔn)差。大的歸一化SNR的標(biāo)準(zhǔn)差可以直觀的表示出存在的擾動層現(xiàn)象。

圖3 GPS-COSMIC掩星系統(tǒng)在2009年4月25日觀察到的掩星事件Fig.3 The GPS-COSMIC occultation on 25 April 2009

圖4 GPS-COSMIC掩星系統(tǒng)在2009年3月2日觀察到的掩星事件Fig.4 The GPS-COSMIC occultation on 2 March 2009

圖3和圖4給出了2個(gè)典型的低緯掩星事件。其中左上圖為一次掩星事件的地理分布圖。右上圖為頻率為1 Hz的L1 C/A碼SNR隨高度變化示意圖。左下圖為原始SNR數(shù)據(jù)經(jīng)過11點(diǎn)高通濾波提取的擾動量隨高度變化；下中圖為擾動量被SNR0歸一化；右下圖為歸一化SNR擾動的標(biāo)準(zhǔn)差。圖3中，在250 km到400 km之間可以看到明顯的標(biāo)準(zhǔn)差變化，這表明不規(guī)則體“泡”很明顯地分布在F層高度范圍內(nèi)，并且沒有低于F層的高度。圖4中，相似的擾動分布在高海拔地區(qū)，但閃爍太大以至于GPS接收機(jī)對其信號失鎖，無法跟蹤到低海拔地區(qū)，很可能是不規(guī)則體的區(qū)域存在于衛(wèi)星射線路徑近地點(diǎn)的前方或者后方，并不在切點(diǎn)位置。在整個(gè)月的掩星事件中還存在著最大擾動發(fā)生在200 km以下，產(chǎn)生原因可能為擴(kuò)展F出現(xiàn)在切點(diǎn)的前方或后方，也可能是偶發(fā)E產(chǎn)生的影響；還出現(xiàn)了一種非正常的擾動—一個(gè)點(diǎn)的突然變化，可能是衛(wèi)星本身或大氣中的突發(fā)的情況造成的。由于COSMIC衛(wèi)星的掩星事件垂直掃描的高度差比較大，有大量的剖面出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，這種剖面也不能作為研究擴(kuò)展F的有效剖面。這4種掩星事件不能被保存。

在進(jìn)行擴(kuò)展F層的處理時(shí)除了以上的各種誤差外還存在一定的方法誤差，本文中忽略折射、散射等原因造成的GPS信號傳播路徑產(chǎn)生彎曲的情況，并假設(shè)了GPS信號沿直線傳播，這一假設(shè)在電離層范圍造成的垂直高度誤差小于1 km。同時(shí)在選取地球模型時(shí)選用了球形，雖然在不同位置會造成不同的誤差，但是在整體來看這些近似方法產(chǎn)生的誤差是可以接受的。地球半徑選為6 371 km。

2.3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

所有大標(biāo)準(zhǔn)差的剖面都被仔細(xì)地手動審核，以確定編程計(jì)算的準(zhǔn)確性。最大標(biāo)準(zhǔn)差在所有剖面的95%（對應(yīng)的數(shù)值為0.03）以上和99%（對應(yīng)的數(shù)值為0.1）以上的掩星的地理分布分別繪制到了圖5上。圖中各點(diǎn)代表大于95%事件的標(biāo)準(zhǔn)差的事件和大于99%事件的標(biāo)準(zhǔn)差的事件所發(fā)生的位置。圖中的3條黑色曲線分別為地磁的赤道和地磁緯度的±20°。從圖5可以看出大標(biāo)準(zhǔn)差的事件明顯的分布于磁赤道附近，有一部分例外的是分布在極區(qū)附近，南半球的高緯出現(xiàn)比較明顯。最強(qiáng)烈的擾動發(fā)生在低緯地區(qū)，這與已知的閃爍現(xiàn)象相一致。另外，太平洋上空缺失相關(guān)聯(lián)的大標(biāo)準(zhǔn)差事件與以前觀測的在這個(gè)季節(jié)和經(jīng)度區(qū)域很少發(fā)生閃爍相一致。通過圖6可以進(jìn)一步證明了所觀察到的波動是由閃爍現(xiàn)象的引起的。本圖顯示了大于99%事件的標(biāo)準(zhǔn)差事件的中低緯事件發(fā)生的地方時(shí)分布，日落后的峰值和獨(dú)特的夜晚發(fā)生與已知的現(xiàn)象一致。

圖5 分析的所有數(shù)據(jù)中具有較大歸一化SNR的標(biāo)準(zhǔn)差的掩星事件的地理定位Fig.5 Geographic locations of occultation events having the highest maximum levels of standard deviation out of all events analyzed

圖6 大于99%事件的標(biāo)準(zhǔn)差事件的中低緯事件發(fā)生的地方時(shí)分布情況Fig.6 Distribution in local time of all low and mid-latitude 99th percentile events

3 結(jié) 論

閃爍的掩星觀測是從臨邊幾何的方面進(jìn)行的，區(qū)別于以往的傳統(tǒng)的地基監(jiān)測。這種掩星的臨邊幾何探測對以后的科學(xué)研究有一些重要的優(yōu)勢和劣勢。好的方面，這種方法提供了一種在縱向結(jié)構(gòu)上提取不規(guī)則結(jié)構(gòu)的垂直抽樣。地基觀測只有使用不連續(xù)分布的雷達(dá)，如Jicamarca雷達(dá)，才能達(dá)到如此好的垂直分辨率。這種掩星技術(shù)的垂直分辨率依賴于衛(wèi)星射線與地球大氣的切點(diǎn)的下降速度和所使用的抽樣頻率。切點(diǎn)高度可以明顯的低于承載GPS接收機(jī)的LEO衛(wèi)星的高度，下降速度大約為2.3 km/s，一定程度上依賴于幾何細(xì)節(jié)。因此，抽樣率為中等（1 s）模式時(shí)，COSMIC對不規(guī)則體的抽樣分辨率為2.3 km。

掩星技術(shù)最大的缺點(diǎn)就是長距離的無線電射線（2500 km）不能準(zhǔn)確定位電離層不規(guī)則體的地理位置。這可能是圖5赤道地區(qū)的觀測中大擾動成束的出現(xiàn)在地磁赤道周圍而不是落在以赤道異常峰值的兩個(gè)帶狀區(qū)域內(nèi)的部分原因。另一個(gè)要考慮的內(nèi)容是不規(guī)則體可能貫穿地磁通量管。一般南北走向的掩星射線可能和不規(guī)則體的排列一致以至于地理定位困難。未來的具有更多細(xì)節(jié)的分析，可以考慮了這些因素使地理定位更準(zhǔn)確。

總之，已經(jīng)證實(shí)了COSMIC掩星監(jiān)測對研究電離層的閃爍的可行性和有效性。閃爍可以使用GPS L1頻率的SNR擾動來判斷。通過對大擾動事件定位的地點(diǎn)和本地時(shí)間的分析，這些掩星事件可以明確標(biāo)識為電離層閃爍。人們可以預(yù)測，未來的GPS掩星數(shù)據(jù)的分析將提供閃爍現(xiàn)象學(xué)和電離層科學(xué)的新見解。

[1]譚輝，王海嬰，鄭生全，等.利用電離層Es層進(jìn)行通信[J].艦船電子工程，2004（24）：292-294.TAN Hui，WANG Hai-ying，ZHENG Sheng-quan，et al.Using ionospheric Sporadic Es to communication[J].Ship Electronic Engineering，2004（24）292-294.

[2]張?zhí)烊A，肖佐.Spread F的經(jīng)度效應(yīng)[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，37（3）：348-352.ZHANG Tian-hua，XIAO Zuo. Model of Spread F longitudinal effect[J].Universitatis Pekinensis，2001，37（3）：348-352.

[3]STRAUSPR，ANDERSON PC，DanaherJE.GPS occultation sensor observations of ionospheric scintillation[J].Geophysical Research Letters，2003，30（8）：1436.

[4]龔宇，史建魁，王國軍.海南地區(qū)電離Es層特性研究[J].空間科學(xué)報(bào)，2007，27（3）：198-203.GONG Yu，SHI Jian-kui，WANG Guo-jun.Investigation on properties of ionospheric Es layer in Hainan region[J].Chinese Journal of Space Science，2007，27（3）：198-203.

[5]嚴(yán)豪健，符養(yǎng)，洪振杰，等.天基GPS氣象學(xué)與反演技術(shù)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[6]胡雄，曾楨，張訓(xùn)械，等.無線電掩星技術(shù)及其應(yīng)用[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，17（5）：549-556.HU Xiong， ZENG Zhen，ZHANG Xun-xie，et al.Radio occultation and its application[J].Chinese Journal of Radio Science，2002，17（5）：549-556.

[7]郭鵬，洪振杰，張大海.COSMIC 計(jì)劃[J].天文學(xué)進(jìn)展，2002，24（4）：324-335.GUO Peng，HONG Zhen-jie，ZHANG Da-hai.The COSMIC plan[J].Progress in Astronomy，2002，24（4）：324-335.

[8]Wu D.Small-scale fluctuations and scintillations in highresolution GPS/CHAMP SNR and phase data[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics， 2006， 68 （9）：999-1017.