極區(qū)電離層GPS信號(hào)閃爍特征統(tǒng)計(jì)分析

馬保科, 常紅芳, 孫 琳, 郭欣興

(1. 西安工程大學(xué) 理學(xué)院， 陜西 西安 710048; 2. 西安電子科技大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院, 陜西 西安 710071)

極區(qū)電離層GPS信號(hào)閃爍特征統(tǒng)計(jì)分析

馬保科1,2, 常紅芳1, 孫 琳1, 郭欣興1

(1. 西安工程大學(xué) 理學(xué)院， 陜西 西安 710048; 2. 西安電子科技大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院, 陜西 西安 710071)

對(duì)意大利高緯電離層閃爍監(jiān)測(cè)網(wǎng)2004年全年的電離層閃爍數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算GPS 信號(hào)振幅和相位閃爍在給定強(qiáng)度變化范圍內(nèi)的發(fā)生率，研究太陽(yáng)活動(dòng)低年GPS 信號(hào)L1頻標(biāo)電離層振幅、相位閃爍的發(fā)生率及其時(shí)空分布隨電離層總電子含量、不同季節(jié)的氣候?qū)W變化特征。結(jié)果表明:在高緯地區(qū)，電離層相位閃爍比振幅閃爍更容易發(fā)生；在極蓋區(qū)，相位閃爍的季節(jié)性特征較為明顯；不同的電離層總電子含量變化率可導(dǎo)致產(chǎn)生不同類(lèi)型的電離層閃爍。

電離層閃爍；全球定位系統(tǒng)；統(tǒng)計(jì)特性

電離層及其電子密度不均勻體的存在，使得穿越于其中的無(wú)線電波的幅度、相位、到達(dá)角以及極化狀態(tài)等發(fā)生快速起伏，即為電離層閃爍。電離層閃爍主要集中于磁赤道和高緯地區(qū)[1-2]，高緯地區(qū)的電離層閃爍，其并發(fā)的物理機(jī)制異常復(fù)雜，如來(lái)自太陽(yáng)的極紫外輻射電離、X射線輻射、太陽(yáng)耀斑以及日冕物質(zhì)拋射的高速帶電粒子和太陽(yáng)風(fēng)等，致使整個(gè)高緯、極蓋及極隙區(qū)的電離層電子密度結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生一系列復(fù)雜的時(shí)空分布的電子密度不均勻體，進(jìn)而形成高緯地區(qū)的電離層閃爍[2-3]。

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)的出現(xiàn)為電離層閃爍研究提供了新途徑。利用GPS衛(wèi)星監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，能夠監(jiān)測(cè)局域或全球范圍內(nèi)的電離層閃爍及電離層電子濃度總量(Total Electron Content， TEC)的變化。

文[4]利用在澳大利亞以北至東南亞地區(qū)建立的GPS電離層閃爍監(jiān)測(cè)網(wǎng)，對(duì)該區(qū)域的電離層閃爍進(jìn)行了分析。文[5]將GPS電離層閃爍的觀測(cè)結(jié)果同電離層閃爍寬帶模型(Wide Band Model, WBMOD)進(jìn)行了對(duì)比，文[6]總結(jié)了多年的觀測(cè)結(jié)果，分析了太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)電離層閃爍的影響。文[7-8]利用海南站的電離層閃爍數(shù)據(jù)，分析了太陽(yáng)活動(dòng)高到低年，擴(kuò)展F和電離層閃爍的關(guān)系。文[9]利用海南站的電離層數(shù)據(jù)分析了太陽(yáng)活動(dòng)低年，電離層GPS信號(hào)的閃爍特征和譜特征。

受地理位置以及數(shù)據(jù)獲取途徑的制約，高緯電離層閃爍的研究在我國(guó)相對(duì)甚少，而高緯電離層閃爍的研究，是對(duì)電離層閃爍全球形態(tài)及其并發(fā)物理機(jī)制研究的有力補(bǔ)充，具有重要意義。

本文對(duì)意大利電離層閃爍監(jiān)測(cè)網(wǎng)(Istituto Nazionale di Geofisica e vulcanologia，INGV)[10]的電離層閃爍數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以2004年為例，對(duì)比研究太陽(yáng)活動(dòng)低年，高緯電離層GPS信號(hào)閃爍的極區(qū)特征。

1 電離層閃爍數(shù)據(jù)獲取

位于挪威Svalbard群島的電離層觀測(cè)站與我國(guó)南極中山站(69.37°S,76.38°E)在磁正午附近分別位于南北半球的極隙區(qū)，在夜側(cè)則分別位于南北半球的極蓋區(qū)，這樣的地理位置分布為共軛觀測(cè)高緯電離層閃爍提供了絕佳的條件。INGV的4個(gè)電離層閃爍監(jiān)測(cè)陣列中[10]，Nya0和Nya1分別位于挪威Svalbard的NyAlesund(78.9°N,11.9°E)，Lyb0位于Svalbard的Longyearbyen(78.2°N,16.0°E)，而另一個(gè)觀測(cè)陣列Btn0則位于南極洲的Mario Zucchelli觀測(cè)站(74.7°S,164.1°E)。Nya0、Nya1和Lyb0三站的觀測(cè)陣列通?？蓪?duì)亞極光、極光、極隙區(qū)和極蓋區(qū)的電離層閃爍活動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，而B(niǎo)tn0和我國(guó)中山站通常可觀測(cè)極隙區(qū)及極蓋區(qū)電離層活動(dòng)。另外，INGV的監(jiān)測(cè)設(shè)備為GSV4004雙頻GPS閃爍和TEC監(jiān)測(cè)儀，該設(shè)備以50 Hz的速率采樣GPS L1(1 575.42 MHz)信標(biāo)的幅度和相位閃爍。

2 數(shù)據(jù)處理

為了避免人為因素引起的誤差，將數(shù)據(jù)的間斷段以及大的調(diào)變值作丟棄處理，且選用前后漲落相差不是太大的數(shù)據(jù)段。為了減少斜入射、多徑效應(yīng)及低仰角效應(yīng)對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響，選取GPS衛(wèi)星仰角大于25°的數(shù)據(jù)。定義閃爍事件的發(fā)生率為一段時(shí)間內(nèi)接收到振幅、相位閃爍滿足某強(qiáng)度要求的閃爍發(fā)生個(gè)數(shù)與該時(shí)間段內(nèi)接收到閃爍總發(fā)生個(gè)數(shù)的比率。將振幅閃爍劃分為3個(gè)等級(jí),即0.20.6為強(qiáng)閃爍。將相位閃爍劃分為3個(gè)等級(jí),即0.1 rad<σφ≤0.5 rad為弱閃爍, 0.5 rad<σφ≤1 rad為中等閃爍, σφ>1 rad為強(qiáng)閃爍。

振幅閃爍S4定義為減去系統(tǒng)噪聲每分鐘信號(hào)強(qiáng)度的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差[3-8]，即

(1)

其中〈〉表示一定時(shí)間間隔內(nèi)的均值，I′為信號(hào)強(qiáng)度I經(jīng)過(guò)濾波和消趨勢(shì)后的值，C/N0為系統(tǒng)輸出的信噪比，一般取均值。

相位閃爍σφ定義為消趨后信號(hào)載波相位的標(biāo)準(zhǔn)偏差，不妨使用濾波器函數(shù)對(duì)原始相位數(shù)據(jù)進(jìn)行消趨處理。

INGV還可提供15 s、30 s、45 s和60 s四種不同間隔的總電子含量TEC或相對(duì)TEC值ETEC。為便于分析，將斜路徑數(shù)據(jù)投影到了垂直路徑上，即

(2)

(3)

ETEC，Vert=ETEC,Slantsinαelev,

(4)

其中傾斜因子

(5)

Re為地球半徑，HIPP代表電離層穿刺點(diǎn)高度，αelev為衛(wèi)星仰角。式(2)中的指數(shù)a依賴于相位閃爍的譜指數(shù)p，對(duì)于各向異性電離層，根據(jù)譜指數(shù)的變化，a通?？扇?.9。式(3)中的指數(shù)b一般取為0.5[11]。

3 統(tǒng)計(jì)分析

(1) 太陽(yáng)低年北極GPS信號(hào)電離層閃爍隨月份的變化。

2004年為太陽(yáng)低年，太陽(yáng)黑子數(shù)的月均值在20～50之間，太陽(yáng)活動(dòng)在2004年基本表現(xiàn)為平靜。

2004年北極NyAlesund地區(qū)的Nya0和Nya1兩個(gè)GPS電離層閃爍和TEC觀測(cè)站觀測(cè)到的GPS L1頻標(biāo)信號(hào)振幅、相位閃爍的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。由圖1(a)可見(jiàn)，在對(duì)GPS 11、21和5號(hào)衛(wèi)星連續(xù)一年的數(shù)據(jù)觀測(cè)中，三顆衛(wèi)星的L1頻標(biāo)在北極全年主要表現(xiàn)為弱閃爍，且春季振幅閃爍的發(fā)生率相對(duì)較小，同時(shí)，閃爍指數(shù)S4>0.4的中等強(qiáng)度閃爍主要集中在夏季和秋季。由圖1(b)可見(jiàn)，相比于振幅閃爍，相位閃爍0.1 rad<σφ<0.5 rad在北極全年均表現(xiàn)為高發(fā),相位閃爍σφ>0.5的中等閃爍主要發(fā)生在春季、夏季和秋季，其較高的發(fā)生率可能與這一時(shí)期電離層不均勻體的形成及其空間結(jié)構(gòu)的分布有關(guān)。

(a) 振幅閃爍S4的發(fā)生率隨月份的變化

(b) 相位閃爍σφ的發(fā)生率隨月份的變化

(2) 太陽(yáng)低年北極GPS信號(hào)振幅、相位閃爍隨地理經(jīng)緯度的變化。

2004年北極GPS L1頻標(biāo)電離層閃爍的發(fā)生率在地理坐標(biāo)下的分布如圖2所示。從圖2(a)可見(jiàn)，2004年，振幅閃爍S4的發(fā)生率具有明顯的極區(qū)分布特征，北半球振幅閃爍的高發(fā)區(qū)在北緯70°以上。從圖2(b)可見(jiàn)，北極GPS信號(hào)的相位閃爍更加頻繁，在北緯70°以上，相位閃爍σφ極為頻繁，且受觀測(cè)站點(diǎn)位置的限制，北半球的相位閃爍發(fā)生率在地理坐標(biāo)下則呈三角狀分布。

(a) 北極振幅閃爍 S4

(b) 北極相位閃爍 σφ

(3) 太陽(yáng)低年北極GPS 信號(hào)相位閃爍的季節(jié)性變化。

北極相位閃爍在冬季和夏季的分布變化如圖3所示。在北極的冬季和夏季，北緯70°以上，相位閃爍的發(fā)生率很高，地理位置從西經(jīng)20°一直持續(xù)到東經(jīng)53°左右。相位閃爍與該區(qū)域總電子含量的變化率(Rate Of TEC, ROT)密切相關(guān)，北極冬季相位閃爍的高發(fā)率說(shuō)明，冬季這一區(qū)域電子密度的漲落很大，理論上可以存在各種尺度的電子密度不均勻體，而高的電子濃度變化率及其均方根是導(dǎo)致GPS L波段相位閃爍的主要原因。這與采用無(wú)線電層析成像技術(shù)得到的結(jié)論一致[12-13]。

(a) 北極冬季相位閃爍σφ

(b) 北極夏季相位閃爍 σφ

(4) 太陽(yáng)低年北極電離層電子濃度總量變化率的分布。

為進(jìn)一步說(shuō)明電離層閃爍與電離層電子密度不均勻體及其空間分布之間的聯(lián)系，圖4給出了北極總電子含量TEC變化率(ROT)的空間分布。由圖4(a)可見(jiàn)，北半球總電子濃度變化率的分布不管在量值上，還是地理位置上均較大。北半球總電子濃度變化率較大的區(qū)域呈徑向分布，北緯60°左右，總電子濃度變化率最大，這也預(yù)示著，由于在該區(qū)域各種并發(fā)物理機(jī)制的出現(xiàn)，如高緯槽，以及高密度的太陽(yáng)輻射電離，等離子體向著或背離極蓋區(qū)輸運(yùn)，從而使得該區(qū)域電離層總電子濃度變化率快速起伏，導(dǎo)致GPS信號(hào)振幅和相位發(fā)生閃爍。由圖4(b)可見(jiàn)，在冬季，北半球總電子濃度變化率的最大值主要分布在北緯57°以上，且北緯60°左右電子濃度總量的變化率很大。由圖4(c)可見(jiàn)，而到了夏季，北半球總電子濃度變化率的最大值主要分布在北緯75°左右以及東經(jīng)25°～50°的一個(gè)呈徑向分布的帶上。

夏季出現(xiàn)的E層電導(dǎo)，使得增強(qiáng)的橫過(guò)磁場(chǎng)傳播的離子產(chǎn)生的電場(chǎng)發(fā)生短路，進(jìn)而導(dǎo)致這一區(qū)域不均勻體強(qiáng)度減弱，從而使得閃爍的強(qiáng)度譜變得更加陡峭，譜指數(shù)增大[14]。電子濃度總量變化率的這種分布，也預(yù)示著該區(qū)域可能存在尺度上從幾米到數(shù)十千米的電子密度不均勻體，正是因?yàn)樗鼈兛臻g上的這種分布，導(dǎo)致了穿越其中的GPS信號(hào)發(fā)生閃爍。

(a) 北極ROT的分布

(b) 北極冬季ROT的分布

(c) 北極夏季ROT的分布

4 結(jié)語(yǔ)

從太陽(yáng)活動(dòng)低年對(duì)高緯電離層閃爍特征的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)看，在高緯地區(qū)，GPS L波段電離層閃爍的相位閃爍比振幅閃爍更容易發(fā)生。而就電離層閃爍發(fā)生的季節(jié)性特征來(lái)看，北極冬季和夏季，在北緯60°左右，相位閃爍與季節(jié)基本無(wú)關(guān)，在這一區(qū)域，電離層閃爍主要表現(xiàn)為相位閃爍。而在極蓋區(qū)，相位閃爍的季節(jié)性特征比較明顯，夏季，相位閃爍的發(fā)生率相對(duì)偏高。冬季，小尺度的電離層電子密度不均勻體在北極幾乎不出現(xiàn)，到了夏季，在觀測(cè)到振幅閃爍的地方，小尺度的電子密度不均勻體才趨于出現(xiàn)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，總電子含量變化率的不同，將可能導(dǎo)致產(chǎn)生不同類(lèi)型的電離層閃爍。如在北緯60°以上，總電子含量的變化率很大，則在太陽(yáng)活動(dòng)低年，該區(qū)域主要表現(xiàn)為相位閃爍，振幅閃爍的發(fā)生率相對(duì)較小。

[1] 熊年祿,唐存琛,李行建.電離層物理概論[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社, 1999: 32-40.

[2] Li Guozhu, Ning Baiqi, Ren Zhipeng, et al.. Statistics of GPS ionospheric scintillation and irregularities over polar regions at solar minimum[J/OL].GPS Solution,2010,14:331-341. (2014-08-24) [2014-09-01]. http://www.polar.gov.cn/paperDetail/?id=7114.

[3] 劉鈍,馮健,鄧忠新,等. 電離層閃爍對(duì)GPS系統(tǒng)定位性能的影響研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2010,25(4):702-710.

[4] Thomas R M ,Cervera M A, Eftaxiadis K, et al.. A regional GPS receiver network for monitoring equatorial scintillation and total electron content [J]. Radio Science, 2001, 36(6):1545-1557.

[5] Cervera M A, Thomas R M . Groves K M, et al.. Validation of WBMOD in the southeast asian region [J]. Radio Science, 2001,36(6):1557-1572.

[6] Babayev E S. Influence of the solar and geomagnetic activity on trans-ionospheric radio waves scintillation[C]//Regional Meeting on Solar Physics Solar Researches in the South-Eastern European Countries. Bucharest: Proceedings of the Regional Meeting on Solar Physics, 2001: 29-34.

[7] 王霄,史建魁,肖佐.中國(guó)低緯(海南)電離層漂移特性[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2005,20(4):482-486.

[8] 尚社平,史建魁,郭善兼.海南地區(qū)電離層閃爍監(jiān)測(cè)及初步統(tǒng)計(jì)分析[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(1):23-28.

[9] 甄衛(wèi)民,龍其利,馬健敏.磁赤道異常區(qū)電離層F區(qū)不均勻體發(fā)展過(guò)程中的閃爍譜研究[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào), 1995,15(2):143-147.

[10] Istituto Nazionale di Geofisica e vulcanologia-Rome. Electrinc space weather upper atmosphere[EB/OL].(2001-01-10) [2013-10-15] http://www.eswua.ingv.it/ingv/home.php?res=1024.

[11] Spogli L, Alfonsi L, Franceschi G De, et al.. Climatology of GPS ionospheric scintillation over high and mid latitude European region[J]. Annals of Geophysics, 2009,27(3):3429-3437.

[12] Pryse S, Kersley L, Malan D, et al.. Parameterization of the main ionospheric trough in the European sector[J]. Radio Science, 2006,41(5):1-9.

[13] Pryse S E, Dewis K L, Balthazor R L, et al.. The dayside high‐latitude trough under quiet geomagnetic conditions: Radio tomography and the CTIP model [J]. Annals of Geophysics, 2005, 23(4): 1199-1206.

[14] Kivanc O, Heelis R A. Structures in ionospheric number density and velocity associated with polar cap ionization patches [J]. Journal Geophys Research, 1997,102(A1): 307-318.

[責(zé)任編輯:瑞金]

Statistical analyses on characteristics of GPS signal scintillation in high latitude ionosphere

MA Baoke1,2, CHANG Hongfang1, SUN Lin1, GUO Xinxing1

(1. School of Science, XI’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China; 2. School of Physics and Optoelectronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

The ionospheric scintillation data which were obtained from the monitoring network of INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e vulcanologia) of Italy in 2004 are analysed in this paper. The change characteristics of spatial and temporal distribution of amplitude and phase scintillation of L1-band frequency of GPS with different variation of ionospheric total electron content (TEC), different seasons as well as other related space parameters at the low solar activity are compared by calculating the incidence of amplitude and phase scintillation of signals of Global Position System (GPS) within a given intensity range. Results show that the phase scintillation is more likely to take place than the amplitude scintillation at high-latitude, the seasonal change feature for the phase scintillation is more obviously in polar cap, and meanwhile different rate of change of the total electron content may lead to different types of ionospheric scintillation.

ionospheric scintillation, global position system (GPS), statistical characteristic

2014-10-15

陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013JM8011)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014JK1295)；西安工程大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(BS1418)；國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金資助項(xiàng)目(201310709007)

馬保科(1972-)，男，博士，教授，從事復(fù)雜媒質(zhì)中的電磁波傳播與散射特性研究。E-mail: Baokema2006@126.com 常紅芳(1977-)，女，碩士，講師，從事電磁波的傳播特性研究。E-mail: chfang1018@163.com

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.03.016

P352

A

2095-6533(2015)03-0092-05