基于GNSS觀測(cè)的核爆相關(guān)參數(shù)估計(jì)研究

孫陽(yáng),苗家友,王帥,熊雯,於曉,

(1.96669部隊(duì)610分隊(duì),北京 100036;2.火箭軍裝備研究院,北京 100094;3.青島市公路管理局,山東 青島 266000;4.中國(guó)電波傳播研究所,山東 青島 266107)

0　引　言

對(duì)核爆進(jìn)行研究的傳統(tǒng)手段包括電磁脈沖、次聲波、水聲、地震波等[1]。隨著研究的深入以及觀測(cè)手段的豐富,人們逐漸認(rèn)識(shí)到,核爆會(huì)對(duì)電離層產(chǎn)生巨大的影響,包括引發(fā)行進(jìn)式電離層擾動(dòng)[2-3]。早在20世紀(jì)70年代,中國(guó)電波傳播研究所的焦培南等人就利用在河南新鄉(xiāng)布設(shè)的電離層返回散射探測(cè)設(shè)備,在超視距情況下觀測(cè)到了一次核爆炸的電離層效應(yīng),計(jì)算了附加電離區(qū)的大小并估算了附加電離區(qū)的平均電子濃度和電離層TID的傳播速度[4]。近年來(lái),GNSS技術(shù)日益成熟,與之相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展迅速。劉正彥等人利用地面GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算TEC,發(fā)展了利用差分總電子含量來(lái)觀察電離層擾動(dòng)引起的GPS信號(hào)的多普勒頻移效應(yīng),并在此基礎(chǔ)上提出了利用GNSS數(shù)據(jù)研究地震和海嘯引發(fā)的行進(jìn)式電離層擾動(dòng)的方法[5-7]。

本文通過(guò)對(duì)2016年1月6日朝鮮地下核試驗(yàn)期間數(shù)個(gè)IGS站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,提取出電離層擾動(dòng)信息,再分別采用影響范圍分析法、射線追蹤法和波束聚集法來(lái)確定核爆的爆心位置以及電離層TID的傳播速度,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本一致,表明上述方法確定核爆參量的可行性。

1　方法介紹

基于GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)的核爆爆心定位的方法主要有以下幾種:

1) 影響范圍分析法

以各觀測(cè)站為圓心,假定傳播速度已知,以傳播速度與傳播時(shí)間的乘積為半徑畫圓,圓形面積的重合區(qū)域就是最可能的核爆爆心位置。這種方法實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單,但只能獲取核爆爆心和TID傳播速度的大致范圍。

射線追蹤法需要先對(duì)核爆爆心可能所在的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,假定每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)都是可能的核爆爆心x0,假定電離層TID的傳播速度為ν0,并由此得到電離層TID的傳播時(shí)間Δti

(1)

聯(lián)系人: 熊雯E-mail: crirp_xw@163.com

式中:Si為假定的核爆爆心到接收機(jī)i對(duì)應(yīng)的電離層穿刺點(diǎn)的距離。將多個(gè)觀測(cè)站記錄的電離層TID的接收時(shí)間ti,減去電離層TID的傳播時(shí)間Δti,就可以得到核爆電離層擾動(dòng)的發(fā)生時(shí)間t0i.假如觀測(cè)到了N個(gè)電離層TID,則起始時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差可以表示為

(2)

由于核爆的發(fā)生時(shí)間只有一個(gè),那么通過(guò)多個(gè)觀測(cè)站的觀測(cè)結(jié)果反推的核爆發(fā)生時(shí)間應(yīng)該要一致。當(dāng)以某個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)為假定的核爆爆心反推出來(lái)的核爆發(fā)生時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差為最小值時(shí),這個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)即為正確的核爆爆心坐標(biāo)。

3) 波束聚集法

波束聚集法假定核爆的爆心位置和發(fā)生時(shí)間已知。需要先對(duì)核爆爆心可能所在的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,假定每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)都是可能的核爆爆心x0,假定的核爆發(fā)生時(shí)間為t0,接收機(jī)記錄到的電離層TID的接收時(shí)間為ti,則電離層TID的傳播時(shí)間Δti為

對(duì)于行政事業(yè)單位來(lái)說(shuō)，強(qiáng)化會(huì)計(jì)內(nèi)部控制意識(shí)主要是為了發(fā)揮會(huì)計(jì)作用，保證行政事業(yè)單位可以依照當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)采取相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)管理措施，促進(jìn)單位經(jīng)濟(jì)資源的高效利用。上級(jí)單位應(yīng)加強(qiáng)行對(duì)行政事業(yè)單位領(lǐng)導(dǎo)的內(nèi)部控制培訓(xùn)工作，將會(huì)計(jì)內(nèi)部控制效果與考核相掛鉤，從而樹立單位領(lǐng)導(dǎo)層的內(nèi)部控制理念，重視會(huì)計(jì)內(nèi)部控制工作，積極主動(dòng)去深入研究會(huì)計(jì)內(nèi)部控制工作及辦法?；鶎迂?cái)務(wù)管理人員也應(yīng)積極提高自身的責(zé)任意識(shí)和會(huì)計(jì)內(nèi)部控制意識(shí)，多層次多方面提高自身業(yè)務(wù)管理水平，從而強(qiáng)化會(huì)計(jì)內(nèi)部控制工作在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中的水平，促進(jìn)行政事業(yè)單位會(huì)計(jì)內(nèi)部控制工作有效性提升。

Δti=ti-t0.

(3)

假定核爆爆心x0到其電離層穿刺點(diǎn)xi的距離為Si,可計(jì)算每個(gè)TID的傳播速度υi:

(4)

對(duì)于N個(gè)觀測(cè)站接收到的電離層TID,傳播速度的標(biāo)準(zhǔn)差可以表示為

(5)

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差為最小值時(shí),所假定的t0與x0就是正確的核爆發(fā)生時(shí)間和位置。

2　計(jì)算結(jié)果

對(duì)2016年1月6日朝鮮地下核試驗(yàn)期間不同IGS站點(diǎn)(daej、suwn和usud)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,此次地下核試驗(yàn)的相關(guān)信息以及接收站點(diǎn)的信息如表1所示。分別根據(jù)不同的方法得到了不同定位結(jié)果。

表1　2016年1月6日朝鮮核爆相關(guān)站和爆心的位置信息

1) 影響范圍分析法計(jì)算結(jié)果

以daej、suwn和usud為圓心,考慮不同的傳播速度并以傳播速度與傳播時(shí)間的乘積為半徑畫圓,得到的結(jié)果如圖1所示。

當(dāng)假定信號(hào)的傳播速度為200 m/s時(shí),以u(píng)sud站為圓心的圓與另外兩個(gè)圓幾乎沒(méi)有重合區(qū)域。但隨著傳播速度的增加,到了220 m/s的時(shí)候,三個(gè)圓開始出現(xiàn)明顯的交匯區(qū)域。當(dāng)速度增加到270 m/s的時(shí)候,三個(gè)圓交匯在一個(gè)點(diǎn)上,且該點(diǎn)位于朝鮮核試驗(yàn)的試驗(yàn)地點(diǎn)附近。當(dāng)速度繼續(xù)增加到300 m/s以上時(shí),三個(gè)圓圈逐漸沒(méi)有共同匯集的區(qū)域。用影響范圍分析得到的電離層TID傳播速度范圍約為220～270 m/s.

2) 射線追蹤法計(jì)算結(jié)果

圖2給出了不同傳播速度條件下,利用射線追蹤法定位到的核爆爆炸點(diǎn)位置。

在射線追蹤法對(duì)核爆爆炸點(diǎn)定位的仿真計(jì)算中,選取的區(qū)域經(jīng)度范圍是120°E～140°E,緯度范圍是30°N～45°N,經(jīng)度和緯度方向上的網(wǎng)格精度均為0.5°,最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)電離層TID傳播速度取值為280 m/s時(shí),起始時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差最小,表明當(dāng)電離層TID傳播速度為280 m/s時(shí),對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果就是核爆爆心位置。

在仿真分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)電離層TID的傳播速度取200 m/s時(shí),定位結(jié)果與核爆真實(shí)爆炸點(diǎn)(129.0716°E,40.5°N)的距離大約是400 km. 隨著傳播速度的增加,定位結(jié)果逐漸向核爆真實(shí)爆炸點(diǎn)靠近,當(dāng)傳播速度達(dá)到280 m/s時(shí),由射線追蹤法計(jì)算得到的爆炸點(diǎn)經(jīng)緯度為127°E,40.5°N,與真實(shí)爆炸點(diǎn)的位置相距約247 km. 當(dāng)傳播速度超過(guò)280 m/s以后,定位結(jié)果與真實(shí)爆炸點(diǎn)之間的偏差也逐漸增加。

3) 波束聚集法計(jì)算結(jié)果

如圖3所示,在波束聚集法對(duì)核爆爆炸點(diǎn)定位的仿真計(jì)算中,選取的區(qū)域經(jīng)度范圍是120°E～140°E,緯度范圍是30°N～45°N,經(jīng)度和緯度方向上的網(wǎng)格精度均為0.5°.最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)核爆發(fā)生時(shí)間取值為01:33UTC時(shí),電離層TID傳播速度的標(biāo)準(zhǔn)差最小,表明當(dāng)核爆發(fā)生時(shí)間取值為01:33UTC時(shí),對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果就是核爆爆心位置。

在仿真分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)假定核爆的發(fā)生時(shí)間為01:07UTC時(shí),定位出來(lái)的結(jié)果與核爆真實(shí)爆炸點(diǎn)(129.0716°E,40.5°N)的距離大約是222 km.隨著爆炸時(shí)間的后移,定位結(jié)果逐漸向核爆真實(shí)爆炸點(diǎn)靠近,當(dāng)核爆的發(fā)生時(shí)間取01:33UTC時(shí),由波束聚集法計(jì)算得到的爆炸點(diǎn)經(jīng)緯度為128.5°E,40.5°N,與真實(shí)爆炸點(diǎn)的位置相距約109 km.當(dāng)爆炸時(shí)間再往后移,定位結(jié)果與真實(shí)爆炸點(diǎn)之間的偏差也逐漸增加。

3　討論

本文分別利用影響范圍分析法、射線追蹤法和波束聚集法對(duì)核爆的爆炸點(diǎn)進(jìn)行定位,并對(duì)電離層TID的傳播速度進(jìn)行了估計(jì)。結(jié)果表明:

1) 影響范圍分析法只能確定核爆爆炸點(diǎn)的大致位置。對(duì)于射線追蹤法和波束聚集法,定位精度大約為109～247 km,電離層TID傳播速度范圍大致為220～280 m/s;

2) 利用射線追蹤法和波束聚集法對(duì)核爆爆炸點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算時(shí),定位精度很大程度上取決于網(wǎng)格劃分的精度,IGS接收到電離層TID的時(shí)間精度和站點(diǎn)分布的幾何構(gòu)型。未來(lái)需要對(duì)定位算法進(jìn)行優(yōu)化,以提高其定位精度。

目前該方法只能用來(lái)估算電離層TID的傳播速度以及確定核爆爆炸點(diǎn)位置,對(duì)核爆的其他參量尚不能進(jìn)行估算。未來(lái)可以考慮嘗試根據(jù)核爆歷史數(shù)據(jù),建立核爆當(dāng)量/爆高與電離層TID強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,如果它們之間存在某種定量關(guān)系,則可將其用于對(duì)核爆當(dāng)量/爆高的估算之中。

4　結(jié)束語(yǔ)

利用GNSS信號(hào)進(jìn)行遙感探測(cè)是GNSS應(yīng)用的新領(lǐng)域,尤其是利用GNSS的雙頻測(cè)量特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層環(huán)境擾動(dòng)的探測(cè)。

本文利用2016年1月6日朝鮮地下核試驗(yàn)期間部分IGS站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)核爆爆心位置和電離層TID傳播速度進(jìn)行了估計(jì),實(shí)現(xiàn)了利用GNSS數(shù)據(jù)對(duì)核爆觸發(fā)的電離層擾動(dòng)事件進(jìn)行探測(cè)以及計(jì)算核爆參數(shù)的目的。

考慮到電離層對(duì)核爆探測(cè)的有效性,未來(lái)可以考慮將電離層探測(cè)手段納入到核爆探測(cè)體系中。

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