兩個太陽活動周期的GPS電離層閃爍統(tǒng)計(jì)特性分析

田霞,張紅波,盛冬生

(1.電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國電波傳播研究所,青島 266107；2.中國電波傳播研究所,青島 266107)

兩個太陽活動周期的GPS電離層閃爍統(tǒng)計(jì)特性分析

田霞1,張紅波2,盛冬生2

(1.電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國電波傳播研究所,青島 266107；2.中國電波傳播研究所,青島 266107)

基于第23和24太陽活動周積累的長周期GPS電離層閃爍觀測數(shù)據(jù)開展統(tǒng)計(jì)分析,給出了兩個太陽活動周期內(nèi)的GPS電離層閃爍月發(fā)生天數(shù)變化規(guī)律,分析了太陽活動高年和太陽活動低年的GPS電離層閃爍S4指數(shù)隨緯度變化特性,研究結(jié)果有助于加深對GPS電離層閃爍隨太陽活動和緯度的變化規(guī)律的理解,可促進(jìn)電離層閃爍有關(guān)氣候?qū)W模型的建立。

電離層閃爍;太陽活動周;統(tǒng)計(jì)特性;衛(wèi)星導(dǎo)航

0 引 言

電離層閃爍會導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的導(dǎo)航定位誤差增大,嚴(yán)重時會使其導(dǎo)航定位中斷。由于電離層閃爍嚴(yán)重影響了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正常應(yīng)用和多種高端應(yīng)用(生命安全服務(wù)、高精度大地測量等),研究分析全球定位系統(tǒng)電離層閃爍統(tǒng)計(jì)特性有助于人們理解和掌握GPS電離層閃爍發(fā)生規(guī)律及其可能影響程度,從而在GPS應(yīng)用系統(tǒng)論證設(shè)計(jì)、研制和部署時采取有效應(yīng)對措施,確保GPS導(dǎo)航定位效能不下降。此外,電離層閃爍預(yù)報(bào)模型研究依賴于GPS電離層閃爍統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

許多學(xué)者作了大量GPS電離層閃爍統(tǒng)計(jì)分析,尚社平、史建魁等利用空間中心海南站GPS閃爍監(jiān)測儀觀測資料,分析了海南地區(qū)L頻段春秋分、太陽活動下降期間電離層閃爍特性[1]。楊升高等開展了太陽活動高、低年赤道電離層閃爍形態(tài)對比分析[2]。但兩個太陽活動周的GPS電離層閃爍統(tǒng)計(jì)特性分析結(jié)論較少。本文利用澳大利亞空間天氣服務(wù)(SWS)的1999年至2016年間的GPS電離層閃爍觀測數(shù)據(jù)開展統(tǒng)計(jì)分析,獲得了兩個太陽活動周期內(nèi)的GPS電離層閃爍月發(fā)生天數(shù)變化規(guī)律,以及太陽活動高年和太陽活動低年的GPS電離層閃爍垂直S4指數(shù)隨緯度變化特性,研究結(jié)果有助于加深對GPS電離層閃爍隨太陽活動和緯度的變化規(guī)律的理解,可促進(jìn)電離層閃爍有關(guān)氣候?qū)W模型研究。

1 觀測數(shù)據(jù)

本文數(shù)據(jù)來源于澳大利亞SWS提供的Vanimo觀測站(緯度:2.7°S,經(jīng)度:141.30°E)和Weipa觀測站(緯度:12.63°S,經(jīng)度:141.88°E)的GPS L頻段經(jīng)過修正之后的電離層閃爍S4指數(shù)。該站使用的監(jiān)測設(shè)備為NovAtel GSV4004B型號的雙頻GPS閃爍監(jiān)測儀,以50 Hz的采樣速率對接收信號進(jìn)行采集處理,計(jì)算給出修正后的電離層閃爍S4指數(shù)。根據(jù)太陽活動的年際變化情況,選取第23個太陽活動周Vanimo站(1999-2004,2007-2009)和第24個太陽活動周Weipa站(2009-2016)共計(jì)16年GPS電離層閃爍數(shù)據(jù)開展統(tǒng)計(jì)分析。為減小低仰角效應(yīng)造成的統(tǒng)計(jì)誤差,舍棄仰角小于15°的數(shù)據(jù)。

2 電離層閃爍月發(fā)生概率隨太陽活動周變化

2.1 電離層閃爍隨太陽活動周的年變化特性

電離層閃爍月平均發(fā)生概率隨著太陽活動周呈現(xiàn)周期性變化,太陽活動高年電離層閃爍月發(fā)生概率高,太陽活動低年電離層閃爍月發(fā)生概率低。為了準(zhǔn)確的表征這種變化,基于16年GPS電離層閃爍S4指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層閃爍月發(fā)生天數(shù)隨太陽活動周的年變化特性分析。GPS電離層閃爍事件定義為電離層閃爍S4指數(shù)連續(xù)大于0.2的時間超過20分鐘。GPS電離層閃爍月發(fā)生天數(shù)是指東經(jīng)130°至150°,北緯5°至南緯10°區(qū)域內(nèi),某月出現(xiàn)電離層閃爍事件的天數(shù)。月發(fā)生天數(shù)除以當(dāng)月總天數(shù),便可獲得電離層閃爍月發(fā)生概率,因此,該指標(biāo)可有效反應(yīng)該地區(qū)出現(xiàn)等離子體泡的概率。圖1為1999年至2016年GPS電離層閃爍月發(fā)生天數(shù)隨太陽活動周變化的分析結(jié)果(2005年和2006年沒有數(shù)據(jù)),橫軸為年份,左側(cè)縱軸為月發(fā)生天數(shù),右側(cè)縱軸為月平滑太陽黑子數(shù)(SSN)。圖中條形圖表示從1999年至2016年間的每一個月的電離層閃爍發(fā)生天數(shù),帶有方形標(biāo)識的實(shí)線是月平滑太陽黑子數(shù)。

圖1清晰的示出了GPS電離層閃爍年最大月發(fā)生天數(shù)存在與太陽活動相似的變化規(guī)律,即與月平滑太陽黑子數(shù)變化趨勢正相關(guān)。在從1999年至2009年的第23太陽活動周里,有17個月的月發(fā)生天數(shù)超過15天,而在高年(2000年和2001年),電離層閃爍月發(fā)生天數(shù)甚至超過25天,即月發(fā)生概率大于80%。在從2009年至2016年的第24太陽活動周內(nèi),年最大月發(fā)生天數(shù)變化規(guī)律與第23太陽活動周數(shù)據(jù)相似,但其它月份月發(fā)生天數(shù)明顯低于第23太陽活動周?？赡苁堑?3和24太陽活動周的太陽活躍程度不同所致,第23太陽活動周是近50多年來最強(qiáng)的一個太陽活動周期。另一個可能原因是2009年以后月發(fā)生天數(shù)是利用Weipa站觀測數(shù)據(jù)分析獲得,該站地理緯度較高,位于電離層閃爍最活躍的駝峰區(qū)南邊緣,導(dǎo)致觀測到的電離層閃爍事件少,而Vanimo站位于駝峰區(qū)內(nèi),易于觀測到電離層閃爍事件。從圖1也可以看出同一年的月發(fā)生天數(shù)又存在著季節(jié)變化,春秋分附近的月發(fā)生天數(shù)要高于其它月份。

圖1 1999年至2016年GPS電離層閃爍月發(fā)生天數(shù)隨太陽活動周變化的分析結(jié)果

2.2 電離層閃爍隨月平滑太陽黑子數(shù)的變化特性

GPS電離層閃爍月發(fā)生天數(shù)與太陽黑子數(shù)呈正相關(guān)。為了分析其相關(guān)趨勢,提取每年的春分(3月和4月)和秋分(8月和9月)附近兩個月的月發(fā)生天數(shù)和太陽黑子數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析,電離層閃爍最大月發(fā)生天數(shù)隨太陽黑子數(shù)變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析方法是將全部月發(fā)生天數(shù)按照太陽黑子數(shù)范圍(0～10,11～-20,…,131～140)組成統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)集,對每一個數(shù)據(jù)集提取最大月發(fā)生天數(shù)。電離層閃爍平均月發(fā)生天數(shù)隨太陽黑子數(shù)變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析方法是將電離層閃爍指數(shù)按照太陽黑子數(shù)范圍(0～20, 21～40, …121～140)組成統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)集,對每一個數(shù)據(jù)集計(jì)算其中的全部月發(fā)生天數(shù)平均值,結(jié)果如圖2所示。

圖2 月發(fā)生天數(shù)和太陽黑子數(shù)相關(guān)分析結(jié)果

圖2中星形標(biāo)識為觀測數(shù)據(jù),虛線為最大月發(fā)生天數(shù)隨太陽黑子數(shù)變化趨勢,實(shí)線為平均月發(fā)生天數(shù)隨太陽黑子數(shù)變化趨勢。從圖2可以看出,當(dāng)太陽黑子數(shù)低于40時,月發(fā)生天數(shù)僅有微小變化,近似于是常數(shù),當(dāng)太陽黑子數(shù)大于40時,最大和平均月發(fā)生天數(shù)與月平滑太陽黑子數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān),平均月發(fā)生天數(shù)與太陽黑子數(shù)之間的變化趨勢與半邊高斯函數(shù)相近。當(dāng)太陽黑子數(shù)大于120以后,最大和平均月發(fā)生天數(shù)存在飽和現(xiàn)象。綜上所述,當(dāng)太陽黑子數(shù)低于40和大于120以后時,可認(rèn)為平均月發(fā)生天數(shù)為常數(shù);在這之間以高斯函數(shù)形態(tài)隨太陽黑子數(shù)增加而增加。

3 電離層閃爍隨緯度變化特性

3.1 太陽活動高年緯度變化特性

利用Vanimo站的2000年和2001年數(shù)據(jù)分析太陽活動高年GPS電離層閃爍S4指數(shù)隨緯度變化特性。通常GPS電離層閃爍S4指數(shù)都是傾斜路徑的S4指數(shù),在分析電離層閃爍S4指數(shù)隨緯度變化特性時,為了消除傾斜路徑帶來的不利影響,有必要將傾斜路徑S4指數(shù)轉(zhuǎn)換為垂直S4指數(shù)[3]。

S4(aelev=90°)=S4(aelev)sinb(aelev) ,

(1)

式中:aelev為觀測仰角;b依賴GPS電離層閃爍信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)的功率譜指數(shù)p,p為電離層閃爍弱散射理論的重要參數(shù)之一[4],其取值范圍通常在2.0至4.0之間。經(jīng)過全范圍p值影響分析發(fā)現(xiàn)其對轉(zhuǎn)換效果影響不大,因此,參考以往取值p=2.6,此時,b=0.9。

首先提取2000年和2001年3月、4月、8月和9月的垂直S4指數(shù)及其相應(yīng)地磁緯度數(shù)據(jù),以一度地磁緯度為步進(jìn),統(tǒng)計(jì)分析該地磁緯度內(nèi)全部垂直S4指數(shù)數(shù)據(jù)的直方圖,并轉(zhuǎn)換為概率密度分布;將全部概率密度分布數(shù)據(jù)以二維輪廓圖形式可視化,結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 2000年垂直S4指數(shù)概率密度分布隨地磁緯度變化

圖4 2001年垂直S4指數(shù)概率密度分布隨地磁緯度變化

圖3和圖4中的實(shí)線是0.87分位數(shù)對應(yīng)的垂直S4指數(shù)隨地磁緯度變化趨勢,虛線為垂直S4指數(shù)平均值隨地磁緯度變化趨勢。從圖3和圖4中可以清晰的看出,垂直S4指數(shù)隨地磁緯度存在高斯函數(shù)特性變化趨勢,峰值位置在地磁緯度-12°附近。這與電離層赤道駝峰異常特性相吻合,說明電離層電子密度是影響電離層閃爍強(qiáng)度的重要因素之一。

3.2 太陽活動中年緯度變化特性

利用Vanimo站的2004年數(shù)據(jù)分析太陽活動中年GPS電離層閃爍S4指數(shù)隨緯度變化特性。結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出,垂直S4指數(shù)隨地磁緯度的駝峰區(qū)特征弱化了,但尚能辨識出其輪廓。最大垂直S4指數(shù)也比太陽活動高年的低 這可能由電離層駝峰區(qū)電子密度普遍比太陽活動高年低所致。而垂直S4指數(shù)平均值隨地磁緯度變化特征減弱的另一個原因可能是電離層閃爍事件發(fā)生次數(shù)少,垂直S4指數(shù)平均值趨向背景噪聲值所致。

圖5 2004年垂直S4指數(shù)概率密度分布隨地磁緯度變化

3.3 太陽活動低年緯度變化特性

利用Vanimo站的2007年和2009年數(shù)據(jù)分析太陽活動低年GPS電離層閃爍S4指數(shù)隨緯度變化特性。結(jié)果如圖6和圖7所示。從圖6可以看出,2007年垂直S4指數(shù)平均值隨地磁緯度已沒有明顯變化特征,但在地磁緯度-12°～-6°之間0.87分位數(shù)對應(yīng)的垂直S4指數(shù)則能體現(xiàn)出電離層閃爍事件的存在。到了2009年,垂直S4指數(shù)平均值隨地磁緯度變化特征更弱,僅在地磁緯度-8°～-5°之間0.87分位數(shù)對應(yīng)的垂直S4指數(shù)還能體現(xiàn)出電離層閃爍事件的存在。2009年與2007年存在兩個明顯不同。第一個是2009年電離層閃爍事件出現(xiàn)緯度明顯北移;第二個Vanimo站 (地磁緯度-11.2°)上空垂直S4指數(shù)比兩邊都低。第一個現(xiàn)象可能電離層電子密度駝峰區(qū)南移所致,也可能是等離子體上升高度低,使得南北映射緯度范圍小所致。第二個可依據(jù)電離層閃爍弱散射理論較好地解釋,太陽活動低年,傾斜傳播路徑更容易獲得較高的積分電子密度擾動值,從而得到較大的電離層閃爍S4指數(shù)。

圖6 2007年垂直S4指數(shù)概率密度分布隨地磁緯度變化

圖7 2009年垂直S4指數(shù)概率密度分布隨地磁緯度變化

4 結(jié)束語

基于第23和24太陽活動周積累的長周期GPS電離層閃爍觀測數(shù)據(jù)開展統(tǒng)計(jì)分析,給出了兩個太陽活動周期內(nèi)的GPS電離層閃爍月發(fā)生天數(shù)變化規(guī)律。GPS電離層閃爍年最大月發(fā)生天數(shù)存在與太陽活動相似的變化規(guī)律,當(dāng)太陽黑子數(shù)低于40和大于120以后時,可認(rèn)為電離層閃爍平均月發(fā)生天數(shù)為常數(shù);在這之間以高斯函數(shù)形態(tài)隨太陽黑子數(shù)增加而增加。

太陽活動高年垂直S4指數(shù)隨地磁緯度存在高斯函數(shù)特性變化趨勢,峰值位置在地磁緯度-12°附近。這與電離層赤道駝峰異常特性相吻合,說明電離層電子密度是影響電離層閃爍強(qiáng)度的重要因素。太陽活動中年垂直S4指數(shù)隨地磁緯度的駝峰區(qū)特征弱化了,但尚能辨識出其輪廓。太陽活動低年,2007年垂直S4指數(shù)平均值隨地磁緯度已沒有明顯變化特征,0.87分位數(shù)對應(yīng)的垂直S4指數(shù)則能體現(xiàn)出電離層閃爍事件的存在。2009年與2007年存在兩個明顯不同。第一個是2009年電離層閃爍事件出現(xiàn)緯度明顯北移;第二個Vanimo站(地磁緯度-11.2°)上空垂直S4指數(shù)比兩邊都低,表明傾斜傳播路徑更容易獲得較高的路徑積分電子密度擾動值,從而得到較大的電離層閃爍S4指數(shù)。研究結(jié)果有助于加深對GPS電離層閃爍隨太陽活動和緯度的變化規(guī)律的理解。

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

[2] 楊升高,方涵先,翁利斌，等. 太陽活動高、低年赤道電離層閃爍形態(tài)對比分析[C]//第十一屆全國電波傳播學(xué)術(shù)討論會論文集，2011：214-217.

[3] SPOGLI L,ALFONSI L,FRANCESCHI G D,etal. Climatology of GPS ionospheric scintillations over high and mid-latitude European regions[J]. Ann. Geophys, 2009, 27(9):3429-3437.

[4] RINO C L. A power law phase screen model for ionospheric scintillation 1: weak scatter[J]. Radio Science,1979(14):1135-1145.

[5] CHAKRABORTY S K, HAJRA R, DASGUPTA A. Ionospheric scintillation near the anomaly crest in relation to the variability of ambient ionization[J]. Radio Science, 2012, 47(2), RS2006.doi:10.1029/2011RS004942.

Analysis of the Statistical Charateristics of GPS Ionospheric Scintillation of Two Solar Cycle

TIAN Xia1,ZHANG Hongbo2,SHENG Dongsheng2

(1.NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China;2.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Long term GPS ionospheric scintillation data of solar cycle 23 and 24 are analyzed to obtain their statistical charateristics.The variations of monthly occurrence days of GPS ionospheric scintillations are put forward. The latitudinal variations of the S4 index of GPS ionospheric scintillations during high and low solar activities are presented. The results would be helpful to understand the variations of GPS ionospheric scintillations with the solar activity and latitude, and advance the climatological modeling of ionospheric scintillations.

Ionospheric scintillation; solar cycle; statistical charateristics; satellite navigation

2016-09-24

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.014

TN966

1008-9268(2016)06-0070-05

田霞(1981-),女,工程師,主要研究分析電波環(huán)境觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性等。

張紅波 (1979-),男,高級工程師,主要研究方向?yàn)殡婋x層閃爍預(yù)報(bào)預(yù)警、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信、雷達(dá)系統(tǒng)電離層閃爍減緩等。

盛冬生 (1986-),男,工程師,主要研究方向衛(wèi)星導(dǎo)航電離層閃爍現(xiàn)報(bào)預(yù)報(bào)研究，電離層電子密度重構(gòu)等。

聯(lián)系人：張洪波 E-mail:ssrs_nklee@163.com