區(qū)域電離層TEC建模及其在磁暴上的應(yīng)用

王雪艷,郭承軍

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院,四川 成都 611731)

區(qū)域電離層TEC建模及其在磁暴上的應(yīng)用

王雪艷,郭承軍

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院,四川 成都 611731)

介紹計算衛(wèi)星及測站硬件延遲的方法,采用低階球諧函數(shù)模型進行系統(tǒng)組合硬件延遲的參數(shù)估計,選取歐洲區(qū)域內(nèi)的10個IGS觀測站,15 min實時解算一個VTEC模型,對解算結(jié)果的準確性和穩(wěn)定性與IGS公布的結(jié)果進行比較,計算結(jié)果與IGS的計算結(jié)果一致。針對2015年3月17日發(fā)生的磁暴,利用經(jīng)過硬件延遲修正后的電子含量,研究測站上空的電離層電子含量的變化情況,表明其能較好地反映磁暴現(xiàn)象。

硬件延遲;球諧函數(shù);VTEC;電離層;磁暴

0 引 言

電離層是人類生存的近地空間環(huán)境的一個重要組成部分,其電離成分會造成電磁波的反射、折射、色散、吸收等現(xiàn)象,電離層的不規(guī)則擾動對衛(wèi)星導(dǎo)航定位、無線電通訊、航空安全等有著重要影響。電離層總電子含量(TEC)是描述電離層形態(tài)的重要參量之一[1]。利用GPS測量TEC是目前最準確且廣泛使用的方法,而用GPS測量TEC最大的誤差是GPS系統(tǒng)的硬件延遲,因此,精確扣除硬件延遲是獲得高精度TEC的重要基礎(chǔ)[2]。硬件延遲是指GPS信號在衛(wèi)星內(nèi)部從產(chǎn)生到發(fā)射完成這一過程中信號傳播產(chǎn)生的時間延遲,或者接收機中GPS信號從天線接收到數(shù)字中頻輸出這一過程中產(chǎn)生的時延[3]。頻間硬件延遲偏差(DCB)被視為一種硬件延遲在不同頻率間的差值,其數(shù)值最大可達到數(shù)米的量級[4]。

硬件延遲的確定與所采用的電離層模型密切相關(guān),常用到的區(qū)域性的電離層函數(shù)模型主要有三角技術(shù)模型、多項式模型、低階球諧函數(shù)模型等。從已有的研究成果可知,三角級數(shù)模型在區(qū)域電離層延遲的周日變化特性上,該模型的模擬能力有進一步提高,但只適合于局部小范圍的建模。多項式模型簡單能達到較高的精度,但由于其自身參數(shù)設(shè)置的局限性,會引起模型展開畸變,導(dǎo)致區(qū)域網(wǎng)邊緣估計精度較低的現(xiàn)象出現(xiàn)[5]。球諧函數(shù)模型在描述全球、區(qū)域或局域電離層TEC的時空分布及變化時具有較好的效果。

本文采用連續(xù)10天的歐洲區(qū)域IGS觀測站數(shù)據(jù),利用區(qū)域電離層低階球諧函數(shù)模型進行硬件延遲的估計,將求得的32顆衛(wèi)星與部分接收機端DCB與IGS公布的數(shù)據(jù)進行對比分析。磁暴期間,利用經(jīng)過硬件延遲修正后的電離層電子含量研究測站上空電離層的變化情況,實驗表明能較好地反映磁暴現(xiàn)象。

1 計算TEC原理

雙頻接收機具有L1和L2兩個頻率載波相位觀測值及其加載的偽距碼觀測值,觀測方程為

(1)

(2)

式中: ρ為接收機與衛(wèi)星真實幾何距離; dtrop為電離層延遲量;dion為對流層延遲量;c為光速;τ為衛(wèi)星鐘差;τj接收機鐘差;d為衛(wèi)星、接收機碼硬件延遲;b為衛(wèi)星、接收機載波相位硬件延遲;N為載波相位模糊度;ε為GPS觀測值噪聲;k=1,2為L1、L2頻率;i為衛(wèi)星;j為接收機。

對P1、P2、L1、L2進行差分,得到P4和L4組合:

DCBi+DCBj,

(3)

(4)

(5)

式中: f為載波頻率; STEC為傾斜路徑總電子含量。

將式(5)代入式(3),并進行相位平滑偽距得到

DCBi+DCBj，

(6)

DCBi-DCBj)，

(7)

(8)

(9)

則

VTEC=φ·MF(z)·(P4,s-DCBi-DCBj).

(10)

式(8)中: z為測站處衛(wèi)星天頂距; R為地球平均半徑; H為電離層單層高度,為了能與CODE結(jié)果進行比較,對R、H、 α均采用CODE的設(shè)定[7],即H=506.7km,R=6378km,α=0.9782.

2 VTEC模型

球諧函數(shù)模型為[8]

Bnmsin(ms))，

(11)

將式(10)和式(11)聯(lián)立,即

Bnm(ms))-φ·(DCB+DCB)·MF(z)

=φ·P4,s·MF(z).

(12)

在進行估計時,一天分成12個觀測時段,在一個時段內(nèi)認為其衛(wèi)星及接收機DCB是不變的,每個時段要估計一組4階球諧函數(shù)模型的25個系數(shù)及所有參與解算的GPS衛(wèi)星和測站接收機的DCB值,根據(jù)最小二乘原理進行估算。因為式(12)中衛(wèi)星與接收機的DCB系數(shù)相同,列出的方程組是秩虧的,所以需要加入對式(12)的限制,即:

(13)

式中: maxi為衛(wèi)星個數(shù),即本文采用IGS的基準條件是所有衛(wèi)星DCB值的和為0.

以上給出了利用低階球諧函數(shù)求解VTEC的主要理論,圖1詳細示出了解算VTEC的算法流程。

圖1 解算VTEC算法流程

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)

選取歐洲地區(qū)(經(jīng)度0°～20°,緯度40°～55°)10個IGS參考站(bzrg,gope,graz,ieng,ptbb,titz,wroc,wsrtwtza,zimj)2015年5月12日至21日(DOY132～141)共10天的觀測數(shù)據(jù)進行計算,這10天內(nèi)太陽活動較為平靜。數(shù)據(jù)采樣率為30s.

3.2 DCB結(jié)算結(jié)果分析

作為IGS的分析中心之一,CODE發(fā)布的IONEX文件中具有全球IGS部分臺站和GPS與GLONASS衛(wèi)星的DCB,本文以CODE結(jié)果作為參考值。圖2、圖3分別示出了基于10個測站數(shù)據(jù)解算得到的衛(wèi)星與部分接收機DCB值與CODE發(fā)布差之差的情況。表1示出了10天內(nèi)衛(wèi)星和部分測站DCB與CODE之差的平均值和RMS.

圖2 32顆衛(wèi)星DCB與CODE差值

從表1可知衛(wèi)星DCB平均偏差在0.30 ns內(nèi),均方根均為0.28 ns,總體符合較好。接收機DCB值在134～139d較為穩(wěn)定,其余幾天變化稍大。綜上所述,利用區(qū)域低階球諧函數(shù)模型估計衛(wèi)星和接收機的硬件延遲是可靠的。

圖3 接收機DCB與CODE的差值

表1 十天內(nèi)衛(wèi)星和測站DCB與CODE 之差的平均值和RMS

研究表明,電離層對磁暴會有明顯的響應(yīng),在磁暴期間,電子含量會發(fā)生急劇變化。2015年3月17日發(fā)生了第24太陽周最為強烈的磁暴,持續(xù)時間超過36 h。通過計算,得到2015年3月14日至26日連續(xù)13天測站ptbb去掉硬件延遲后的電子含量,如圖4所示。

圖4 磁暴發(fā)生前后ptbb上空13d的電子含量變化圖

分析圖4可知,磁暴發(fā)生前即3月14日至16日電子含量基本沒變化,磁暴發(fā)生期間3月17日白天的電子含量較16日有明顯的增加,增加幅度達到了25TECU之后又迅速減小,3月18日期間電子含量比16日明顯減小,減小幅度最大達10TECU,磁暴過后的,電離層電子含量開始緩慢恢復(fù),3月21日后電子含量恢復(fù)到磁暴前的水平。磁暴期間的電子含量變化會受到很多因素的影響,本文的結(jié)果符合磁暴期間的電子含量變化特征,表明去掉硬件延遲后的電子含量能反映電離層對磁暴的相應(yīng)。

4 結(jié)束語

衛(wèi)星和接收機硬件延遲是利用GPS精確計算電離層電子含量過程中最大的誤差源[2]。本文采用連續(xù)10天的歐洲區(qū)域IGS觀測站數(shù)據(jù),利用低階球諧函數(shù)電離層模型進行衛(wèi)星和接收機硬件延遲參數(shù)估計,將結(jié)果與IGS公布的數(shù)據(jù)進行對比分析,衛(wèi)星和測站平均偏差和RMS值均比較小,可知本文的計算結(jié)果沒有系統(tǒng)誤差。利用經(jīng)過硬件延遲修正后的電子含量,研究磁暴前后測站ptbb上空的電離層電子含量變化情況,分析可知,磁暴發(fā)生前電子含量變化不大,磁暴發(fā)生期間,電離層電子含量發(fā)生了明顯的增大與減小,磁暴之后,電子含量又漸漸恢復(fù)至磁靜日水平,修正硬件延遲后的電子含量能較好的反映磁暴期間電離層的變化情況。

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Modeling of Regional Ionospheric TEC and Its Application in Magnetic Storm

WANG Xueyan,GUO Chengjun

(UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu611731,China)

Itmainly introduces the method forresolving the differential code bias of satellites and stations, and uses the low-order spherical harmonic function model to estimate the parameters of the system hardware delay, 10 IGS stations from European region are chosen as a net, a VTEC model is calculated every 15 minutes, The accuracy and stability of the results are compared with the results published by IGS. The calculated results are in agreement with the results of IGS. For the magnetic storms occurring on March 17, 2015, the electronic content of the ionosphere over the station is studied by using the electronic content adjusted with the differential code bias. It shows that it can reflect the magnetic storm phenomenon better.

Hardware delay; Spherical harmonic function; VTEC; Ionosphere; magnetic storm

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.002

2017-02-28

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0007-04

王雪艷 (1991-)，女,碩士研究生,研究方向為電子通信工程(衛(wèi)星導(dǎo)航)。

郭承軍 (1985-)，男,博士研究生,研究方向為GNSS互換性與泛位置服務(wù)、新時空體系、完好性及增強系統(tǒng)。

聯(lián)系人: 王雪艷E-mail:shanzi0711@qq.com