基于GNSS觀測的地下核試驗(yàn)電離層擾動研究

熊雯,孫陽,劉明,於曉

(1.中國電波傳播研究所,山東 青島 266107;

基于GNSS觀測的地下核試驗(yàn)電離層擾動研究

熊雯1,孫陽2,劉明2,於曉1

(1.中國電波傳播研究所,山東 青島 266107;

2. 96669部隊(duì)610分隊(duì), 北京 100036)

地震、海嘯以及核爆炸等現(xiàn)象都會對電離層產(chǎn)生影響,利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)可以有效地研究這些物理現(xiàn)象產(chǎn)生的電離層效應(yīng)。本文利用朝鮮地下核試驗(yàn)期間部分IGS臺站的GNSS觀測數(shù)據(jù),提取電離層傾斜總電子含量,并通過高階差分的方法將電離層擾動進(jìn)行放大,實(shí)現(xiàn)對核爆觸發(fā)的電離層擾動事件的提取和識別。基于該方法,本文進(jìn)一步提出了一種核爆檢測識別的實(shí)現(xiàn)思路。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);地下核試驗(yàn);行進(jìn)式電離層擾動;傾斜總電子含量;

0 引 言

地震給人類造成了巨大的災(zāi)難。為了減少地震災(zāi)害,人們通過研究眾多與地震相關(guān)的物理現(xiàn)象來獲取相應(yīng)的物理參數(shù)與地震之間潛在的聯(lián)系[1-3]。研究發(fā)現(xiàn),電離層對地震影響非常敏感,探測與地震有關(guān)的電離層擾動對地震預(yù)報非常有效。因此近年有相當(dāng)多的研究聚焦在用無線電探測的方法直接探測地震對大氣層和電離層的影響,其中最主要的是利用GNSS觀測數(shù)據(jù)研究電離層擾動與地震的關(guān)聯(lián)[4]。

與地震類似,核爆炸對電離層來說也是一個巨大的擾動源。核爆炸常見的類型包括大氣層核爆炸和地下核爆炸,其中大氣層核爆炸對電離層的影響主要有兩種形式:一是產(chǎn)生的強(qiáng)烈激波使高層大氣形成聲重波,進(jìn)而造成電離層擾動;另一種是緩發(fā)γ射線與大氣相互作用,在電離層D層附近形成附加電離區(qū)。對于這兩種效應(yīng),前人用電離層垂測儀、宇宙噪聲探測儀、高頻連續(xù)波多普勒設(shè)備、高頻返回散射雷達(dá)等方式進(jìn)行了探測,取得了不少的研究成果[5,6]。而地下核爆炸通常都是進(jìn)行小當(dāng)量的核試驗(yàn),產(chǎn)生的絕大部分能量都被大地吸收了,只有極少數(shù)的能量能夠進(jìn)入電離層,造成電離層擾動。因此,如何提取出這些微弱的電離層擾動成為一道技術(shù)難題。

本文通過對朝鮮地下核試驗(yàn)期間數(shù)個IGS站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,提取并放大電離層擾動的信息,通過排除氣象、地質(zhì)等其他因素的影響,發(fā)現(xiàn)該擾動與地下核試驗(yàn)的關(guān)聯(lián)性非常大。說明利用GNSS觀測數(shù)據(jù)提取電離層擾動信息來判別核爆炸的可行性。

1 方法介紹

基于GNSS雙頻載波相位幾何自由(GF)組合觀測,電離層延遲可通過以下公式提取:

(1)

(2)

式中,β為總的偏差項(xiàng),根據(jù)電離層延遲與傾斜總電子含量(STEC)的關(guān)系,可以建立STEC與GNSS載波相位GF組合間的關(guān)系:

(3)

因此電離層STEC可以通過GNSS載波相位觀測值獲取

(4)

載波相位的精度一般可以達(dá)到毫米級,因此非常適合提取由于某些特定事件(如地下核試驗(yàn))引發(fā)的電離層微小擾動。從上式可以看出,提取的STEC還包含了一個由于載波相位模糊數(shù)引入的未知常數(shù)值β,因此基于載波相位觀測提取的電離層STEC不是一個絕對值,但由于β一般是恒定不變的,因此它可以非常精確的反映出電離層的相對變化特征。

為提取地下核試驗(yàn)事件引起的微小的電離層擾動,可采用高階差分的方法對擾動量進(jìn)行放大和提取,從而消除未知常數(shù)β的影響,本文中用到了三階差分的處理結(jié)果。

(5)

隨著更高階差分的使用,噪聲、多徑效應(yīng)的影響被逐漸消除,電離層擾動更加明顯。

2 試驗(yàn)結(jié)果

分析了多次朝鮮地下核試驗(yàn)期間的GNSS數(shù)據(jù),這里挑選了2006、2013年兩次朝鮮核試的結(jié)果進(jìn)行分析說明。如圖1所示,其中,GNSS數(shù)據(jù)采用IGS提供的朝鮮附近suwn站、daej站的GNSS觀測數(shù)據(jù)。

圖1 IGS臺站的位置

根據(jù)這些IGS站點(diǎn)的GNSS觀測數(shù)據(jù),計算了電離層STEC隨時間的變化序列,以及它的一階、二階和三階差分序列,提取出電離層擾動信息,分析結(jié)果如下:

1) 2006年10月9日朝鮮地下核試驗(yàn)

朝鮮在2006年10月9日01:35:27.8(UTC)進(jìn)行了一次地下核試驗(yàn),對daej站prn=7號星的STEC處理結(jié)果以及一、二、三階差分處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 2006年10月9日，daej站prn=7號星STEC處理結(jié)果 (a)STEC ; (b)STEC的一階差分; (c)STEC三階差分; (d) STEC三階差分

從圖2(a)可以看出,STEC的變化趨勢主要受到電離層的日變化和衛(wèi)星與監(jiān)測站之間幾何位置關(guān)系的影響。在STEC變化曲線上疊加的都是

一些微小的擾動,難以識別。為了對這些微小的擾動進(jìn)行分析,必須采用差分方法消除STEC的主要變化趨勢。圖2(b)～圖2(d)分別表示STEC和STEC一、二、三階差分結(jié)果,其中STEC的主要變化趨勢已經(jīng)消除,2點(diǎn)(UTC)附近的電離層擾動影響逐漸凸顯?？梢?隨著高階差分的使用,噪聲、多徑效應(yīng)的影響被逐漸消除,地下核試驗(yàn)引起的電離層擾動更加明顯,電離層擾動峰值出現(xiàn)在02:05-02:09(UTC),核試驗(yàn)后傳播延遲時間約為29.54～33.54 min.

2013年朝鮮地下核試驗(yàn)

朝鮮在2013年2月12日 02:57:53 UTC進(jìn)行了地下核試驗(yàn)。分別對daej和suwn站的GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中,daej站prn=9號星STEC處理結(jié)果以及一、二、三階差分處理結(jié)果如圖3所示。

圖3 2013年2月12日，daej站prn=9號星STEC處理結(jié)果 (a) STEC;(b) STEC一階差分結(jié)果; (c) STEC二階差分結(jié)果;(d) STEC三階差分結(jié)果

可見,隨著高階差分的使用,電離層擾動更加明顯,擾動峰值出現(xiàn)在03:22-03:27 (UTC),地下核試驗(yàn)后傳播延遲時間約為24.1～29.1 min。

suwn站prn=9號星STEC處理結(jié)果如圖4所示。

圖4 2013年2月12日，suwn站prn=9號星STEC處理結(jié)果 (a)STEC ;(b)STEC一階差分；(c)STEC二階差分；(d)STEC三階差分

隨著高階差分的使用,噪聲、多徑效應(yīng)的影響被逐漸消除,電離層擾動更加明顯,擾動峰值出現(xiàn)在03:21-03:27 UTC,地下核試驗(yàn)后傳播延遲時間約為23.1～29.1 min.

通過daej和suwn這兩個IGS站的GNSS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到了電離層擾動傳播延遲分析結(jié)果。根據(jù)daej和suwn這兩個站與試驗(yàn)地點(diǎn)的相對位置進(jìn)行分析,suwn站距核試驗(yàn)地點(diǎn)更近,因此傳播延遲更短,實(shí)測結(jié)果與理論結(jié)果相一致。

表1 2013年朝鮮地下核試驗(yàn)電離層

3 討 論

從幾次核試期間的GNSS數(shù)據(jù)分析可以看出:

1) 地下核爆會激發(fā)電離層擾動事件(電離層行擾,TID);

2) 利用GNSS載波相位的高精度測量特性,可以通過提取電離層STEC及其差分變化,對核爆引起的TID事件進(jìn)行探測;

3) 電離層STEC高階差分變化中存在的峰值突起變化是檢測TID事件的重要依據(jù);

4) 電離層STEC高階差分變化中的峰值發(fā)生時刻與核爆發(fā)生時間,觸發(fā)TID的傳播速度,以及GNSS觀測站與核爆點(diǎn)之間的距離等因素有關(guān)。

需要說明的是,上述地下核試驗(yàn)引起的電離層TID事件分析與確認(rèn)是在有先驗(yàn)知識(核爆發(fā)生),并且排除了氣象和地質(zhì)因素影響的前提下得到的。在實(shí)際應(yīng)用中,必須建立沒有先驗(yàn)知識下的電離層TID事件性質(zhì)分析方法。為此可以考慮下面的改進(jìn)措施。

電離層TID波形可用通過對載波相位提取的電離層STEC進(jìn)行三次差分得到,其中很重要的TID信息要從波形的尖峰中提取,該過程可利用交叉協(xié)方差(Cross-Covariance)分析方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn),其主要目的是從波形中分辨出特定事件的特征參數(shù),還有就是從噪聲中提取其它TID波形。

利用交叉協(xié)方差自檢測算法檢測到相應(yīng)TID波形后,通過與TID參考波形進(jìn)行頻域上的相關(guān)性分析,可以對引起電離層TID的事件性質(zhì)進(jìn)行定性分析。同時,綜合利用天基觀測數(shù)據(jù),可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)事件定位以及事件類型的識別,其實(shí)現(xiàn)具體流程如圖5所示。

圖5 電離層擾動識別流程

4 結(jié)束語

利用GNSS信號進(jìn)行遙感探測是GNSS應(yīng)用的新領(lǐng)域。尤其是利用GNSS的雙頻測量特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)對電離層環(huán)境擾動的探測。

本文利用部分IGS站的觀測數(shù)據(jù)對朝鮮地下核試驗(yàn)期間的電離層狀態(tài)進(jìn)行了分析,提取出電離層擾動信息,并利用高階差分的方法消除了噪聲、多徑效應(yīng)的影響,從而放大了電離層擾動信號,實(shí)現(xiàn)對核爆觸發(fā)的電離層擾動事件識別和探測。

由于GNSS電離層環(huán)境探測受多種環(huán)境影響,實(shí)際應(yīng)用中必須考慮電離層擾動事件的有效識別方法,本文進(jìn)一步提出了一種基于GNSS觀測數(shù)據(jù)對電離層擾動事件性質(zhì)進(jìn)行識別的可行方法,為核爆的研究提供了便利。

本文給出了利用GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行核爆電離層擾動效應(yīng)探測的初步研究成果,下一步將通過多個IGS站點(diǎn)的協(xié)同觀測結(jié)果對電離層TID的傳播規(guī)律進(jìn)行研究。

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GNSSObservationBasedStudyofIonosphericDisturbanceInducedbyUndergroundNuclearExplosion

XIONGWen1,SUNYang2,LIUMing2,YUYao1

(1.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China;2. 96669Army,Beijing100036,China)

Earthquake, Tsunami and nuclear explosion will affect the ionosphere. With the help of Global Navigation Satellite System (GNSS), the ionospheric effect of these phenomena can be well studied. Based on the IGS observed GNSS data, this paper obtains Travelling Ionospheric Disturbance (TID) from Slant Total Electron Content (STEC) and amplifies the disturbance by high order derivatives so as to identify the ionospheric disturbance induced by underground nuclear explosion (UNE). Finally, a new way for nuclear explosion identification is proposed which will be a convenient way to study UNE induced ionospheric effect.

GNSS; UNE; TID; STEC

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.04.006

P228.4

A

1008-9268(2017)04-0032-06

2017-07-05

聯(lián)系人: 熊雯 E-mail: crirp_xw@163.com

熊雯(1984-),男,博士,高級工程師,主要從事電離層理論和衛(wèi)星導(dǎo)航信息處理技術(shù)方面的研究。

孫陽(1976-),男,高級工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)領(lǐng)域研究。

劉明(1981-),男,高級工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)領(lǐng)域研究。

於曉(1982-),女,博士,高級工程師,主要從事電離層理論和衛(wèi)星導(dǎo)航信息處理技術(shù)方面的研究。