王涵 徐曉華,2 羅佳,3
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS,Global Navigation Satellite System)無線電掩星(RO,Radio Occultation)技術(shù)是近年來廣受關(guān)注的一種星基電離層監(jiān)測(cè)技術(shù).其基本原理是由GNSS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號(hào)被低軌道(LEO,Low Earth Orbit)衛(wèi)星接收,當(dāng)信號(hào)路徑掃過電離層時(shí)發(fā)生掩星事件.利用掩星事件過程中電離層引起的信號(hào)附加相位延遲,并結(jié)合衛(wèi)星幾何關(guān)系,反演電離層總電子含量(TEC,Total Electron Cotent)和電子密度廓線(EDP,Electron Density Profile)等電離層參數(shù).與垂測(cè)儀和雷達(dá)等傳統(tǒng)地基手段相比,掩星觀測(cè)具有全球分布、全天候和高垂直分辨率的特點(diǎn)[1],對(duì)電離層建模、空間天氣與氣候研究具有重要價(jià)值.
氣象、電離層和氣候星座觀測(cè)系統(tǒng)(COSMIC,Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere and Climate)是由美國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣聯(lián)合實(shí)施的掩星任務(wù),由6顆軌道高度800 km、傾角72°的LEO衛(wèi)星構(gòu)成,每顆衛(wèi)星均對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行掩星觀測(cè).自2006年發(fā)射以來,COSMIC在正常運(yùn)行期內(nèi)每日提供的掩星事件次數(shù)達(dá)到2 000多次[2].但2013年以后隨著衛(wèi)星的老化,COSMIC掩星事件數(shù)量急劇下降.COSMIC數(shù)據(jù)產(chǎn)品由COSMIC數(shù)據(jù)分析與存檔中心(CDAAC,COSMIC Data Analysis and Archive Center)處理發(fā)布.風(fēng)云3C(FY-3C,Fengyun-3C)是中國(guó)獨(dú)立研制發(fā)射的首顆具有GNSS掩星觀測(cè)能力的LEO衛(wèi)星,于2013年9月發(fā)射,軌道高度為836 km,傾角為98.75°,可對(duì)GPS和北斗進(jìn)行掩星觀測(cè)[3].與COSMIC掩星任務(wù)相似,FY-3C的軌道高度較高,可實(shí)現(xiàn)電離層完整剖面的探測(cè).FY-3C數(shù)據(jù)產(chǎn)品由中國(guó)國(guó)家衛(wèi)星氣象中心(NSMC,National Satellite Meteorological Center)提供,目前僅發(fā)布了對(duì)GPS掩星觀測(cè)的相關(guān)產(chǎn)品.這兩個(gè)掩星任務(wù)的掩星觀測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)處理平臺(tái)不同,電離層產(chǎn)品反演在細(xì)節(jié)上各有差異.雖然國(guó)內(nèi)外關(guān)于COSMIC電離層數(shù)據(jù)反演的研究相對(duì)較豐富[4-6],但關(guān)于FY-3C掩星電離層反演的論文相對(duì)較少.本文基于TEC的電子密度廓線反演方法,在相同流程下對(duì)兩個(gè)掩星任務(wù)的電離層掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并將反演結(jié)果與官方數(shù)據(jù)產(chǎn)品分別進(jìn)行比較,對(duì)反演質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估.相關(guān)成果可為兩個(gè)掩星任務(wù)電離層數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理和應(yīng)用提供參考.
本文使用了COSMIC與FY-3C兩個(gè)掩星任務(wù)于2014年12月31日全天的電離層一級(jí)相位產(chǎn)品與二級(jí)廓線產(chǎn)品.其中相位產(chǎn)品內(nèi)容為各電離層掩星事件以1 s為采樣間隔的各采樣時(shí)刻對(duì)應(yīng)的GNSS衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星的坐標(biāo)與速度序列,以及對(duì)應(yīng)的雙頻信號(hào)的附加相位延遲序列等信息.廓線產(chǎn)品內(nèi)容為由相位產(chǎn)品反演得到的電子密度廓線及電離層峰值參數(shù).CDAAC提供的COSMIC相位和廓線數(shù)據(jù)文件名標(biāo)識(shí)分別為“ionPhs”和“ionPrf”(http:∥cdaac-www.cosmic.ucar.edu);NSMC提供的FY-3C相位和廓線數(shù)據(jù)文件名標(biāo)識(shí)分別為“IE”和“EDP”(http:∥satellite.nsmc.org.cn).通過對(duì)兩個(gè)掩星任務(wù)的電離層一級(jí)相位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,反演得到電子密度廓線和峰值參數(shù),并將反演結(jié)果分別與這兩個(gè)機(jī)構(gòu)提供的二級(jí)電子密度廓線產(chǎn)品進(jìn)行比較,對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行評(píng)估.
圖1展示了2014年12月31日兩個(gè)掩星任務(wù)的掩星事件在全球的分布.可以發(fā)現(xiàn),兩個(gè)掩星任務(wù)一天內(nèi)的掩星事件在空間上基本呈現(xiàn)全球均勻分布特征,并且COSMIC掩星事件數(shù)量顯著大于FY-3C的掩星事件數(shù)量.
圖1 2014年12月31日FY-3C與COSMIC電離層掩星事件全球分布
由雙頻附加相位延遲出發(fā)反演電子密度廓線有兩種方法:一種是基于附加多普勒的反演方法,通過將附加相位延遲對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得到附加多普勒頻移,進(jìn)而進(jìn)行電子密度的反演;另一種是基于TEC的反演方法.基于附加多普勒的反演方法對(duì)衛(wèi)星速度精度要求較高,在反演中易帶來較大誤差[7-8].本文使用基于TEC的反演方法:由雙頻附加相位延遲計(jì)算信號(hào)路徑的總電子含量TEC,并在信號(hào)直線傳播假設(shè)下得到各采樣對(duì)應(yīng)的碰撞系數(shù)和近地點(diǎn)位置,將TEC序列對(duì)碰撞系數(shù)求導(dǎo)得到TEC微分序列,進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行Abel積分反演得到電子密度隨近地點(diǎn)高度變化的廓線.圖2為基于TEC的掩星電子密度反演算法流程.
如圖2所示,對(duì)于每個(gè)掩星事件,首先利用各采樣GNSS和LEO衛(wèi)星的坐標(biāo)計(jì)算掩星路徑近地點(diǎn)的地心向徑及其坐標(biāo).需注意的是CDAAC和NSMC相位產(chǎn)品中的衛(wèi)星位置和速度均屬于地心慣性系(ECI,Earth Centered Inertial),但掩星路徑近地點(diǎn)經(jīng)緯度和高度屬于地心地固系(ECEF,Earth Centered Earth Fixed),因此在解算出近地點(diǎn)的ECI坐標(biāo)后需將其轉(zhuǎn)換為ECEF坐標(biāo),進(jìn)而得到近地點(diǎn)的經(jīng)緯度和高度.由于電離層掩星反演對(duì)衛(wèi)星位置的精度要求不高,由ECI到ECEF的轉(zhuǎn)換矩陣可忽略歲差、章動(dòng)和極移等因素的影響,直接利用由采樣時(shí)刻的UTC時(shí)間計(jì)算的春分點(diǎn)的格林尼治恒星時(shí)角得到[9].
考慮到原始附加相位延遲觀測(cè)序列中可能存在的高頻噪聲會(huì)對(duì)反演結(jié)果帶來干擾[10-11],在反演前采用9點(diǎn)滑動(dòng)平均法對(duì)雙頻附加相位延遲序列進(jìn)行濾波平滑預(yù)處理.
由于在電離層掩星中,信號(hào)傳播路徑的彎曲角普遍小于0.03°,可將傳播路徑近似為直線,兩個(gè)頻率信號(hào)傳播路徑相同[12].基于這一假設(shè),對(duì)每一次采樣,利用式(1)由雙頻附加相位延遲觀測(cè)值提取信號(hào)傳播路徑上的TEC含量(量值記為εTEC)[13]:
(1)
式中:f1與f2分別為L(zhǎng)1和L2波段的載波頻率;φ1與φ2分別為兩個(gè)頻率的附加相位延遲.該采樣信號(hào)傳播路徑對(duì)應(yīng)的近地點(diǎn)坐標(biāo)由GNSS衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星的位置得到.相應(yīng)的碰撞系數(shù)p由式(2)得到:
(2)
式中:θ為GNSS衛(wèi)星與LEO衛(wèi)星關(guān)于地心連線向量的夾角;rG和rL分別為GNSS衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星的地心向徑.進(jìn)一步由式(3)所示的Abel積分即可得到電子密度隨碰撞系數(shù)變化的廓線Ne(p):
(3)
式中:dεTEC(x)為TEC對(duì)碰撞系數(shù)p的微分序列.考慮到COSMIC和FY-3C衛(wèi)星軌道高度以上的電子密度可忽略,將積分上限修改為L(zhǎng)EO衛(wèi)星的地心距離rL,以消除式(3)積分上限的奇點(diǎn)問題[11,14].對(duì)于式(3)中積分下限的奇點(diǎn)問題則通過采用“洋蔥法”,近似認(rèn)為dTEC(x)在極小區(qū)間內(nèi)近似于直線變化,將積分進(jìn)行分層處理和積分轉(zhuǎn)換解決[4,15].
此外,由式(1)計(jì)算的TEC是從GNSS衛(wèi)星到LEO衛(wèi)星整個(gè)路徑的總電子含量.但由于碰撞參數(shù)的最大值只能達(dá)到LEO軌道高度rL,導(dǎo)致積分上限也只能取到rL,因此真正需要的TEC是從反演高度到rL這一段路徑的總電子含量.上述兩個(gè)TEC的差異本質(zhì)上是LEO衛(wèi)星軌道高度以上直至GNSS衛(wèi)星這一段路徑的總電子含量.由于掩星事件觀測(cè)資料中一般會(huì)同時(shí)存在掩星時(shí)段和非掩星時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù),可利用非掩星時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的TEC序列對(duì)掩星時(shí)段計(jì)算得到的TEC序列進(jìn)行改正[7,11].但掩星時(shí)段和非掩星時(shí)段的碰撞高度序列并不完全一致.對(duì)于掩星時(shí)段采樣的碰撞系數(shù)而言,需通過插值得到非掩星時(shí)段相同碰撞系數(shù)對(duì)應(yīng)的TEC值.當(dāng)非掩星時(shí)段數(shù)據(jù)量很少或只有部分高度區(qū)間的數(shù)據(jù)時(shí),插值可能引入較大誤差.本文在反演過程中對(duì)進(jìn)行和不進(jìn)行TEC改正的反演結(jié)果進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)需根據(jù)兩個(gè)掩星任務(wù)相位數(shù)據(jù)的特點(diǎn)采用不同方案.
圖3給出了兩個(gè)掩星任務(wù)的代表性掩星事件的附加相位延遲觀測(cè)序列的平滑效果示例.圖3a和3b分別為COSMIC和FY-3C的示例,子圖名分別為相應(yīng)掩星事件的標(biāo)識(shí),并分別給出了該掩星事件L1和L2波段附加相位前100 s的處理結(jié)果.可以看到,平滑處理對(duì)于FY-3C掩星任務(wù)“IE”相位數(shù)據(jù)效果明顯,高頻噪聲得到抑制;而對(duì)于COSMIC掩星任務(wù)的“ionPhs”相位數(shù)據(jù)并無顯著效果,這是因?yàn)镃OSMIC相位數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)過濾波處理.因此在實(shí)際反演過程中,對(duì)于COSMIC數(shù)據(jù)的反演可不進(jìn)行相位平滑,直接處理.
圖3 COSMIC與FY-3C掩星附加相位延遲序列平滑效果對(duì)比
為了認(rèn)識(shí)進(jìn)行TEC改正對(duì)于反演結(jié)果的影響,對(duì)兩個(gè)掩星任務(wù)分別采取進(jìn)行TEC改正和不進(jìn)行TEC改正的反演方案,將反演結(jié)果與官方產(chǎn)品進(jìn)行比較.圖4給出了圖3所示的兩個(gè)掩星任務(wù)的代表性掩星事件在這兩種不同方案下的TEC和EDP廓線反演結(jié)果,以及該掩星事件的官方廓線產(chǎn)品.其中TEC廓線給出了各近地點(diǎn)高度對(duì)應(yīng)的信號(hào)傳播路徑上的總電子含量.
圖4a表明對(duì)于該COSMIC掩星事件,TEC改正對(duì)于600~800 km高度區(qū)間的EDP反演結(jié)果有一定程度改善,采用進(jìn)行TEC改正的反演方案得到的EDP反演結(jié)果在這一高度區(qū)間與官方產(chǎn)品更接近,而TEC改正與否對(duì)于其他高度區(qū)間EDP反演結(jié)果影響不大.圖4b表明進(jìn)行TEC改正對(duì)電離層TEC廓線的精度提升有顯著效果,改正之后的TEC廓線與官方產(chǎn)品之間完全一致(藍(lán)色實(shí)線與黑色虛線重合),而未經(jīng)改正的TEC廓線與官方產(chǎn)品之間存在顯著差異,該差異是由LEO衛(wèi)星軌道高度以上的電子含量導(dǎo)致的.這表明CDAAC在COSMIC產(chǎn)品反演過程中進(jìn)行了TEC改正.由圖4c和4d可知,對(duì)于該FY-3C掩星事件,TEC改正同樣對(duì)TEC廓線反演結(jié)果的影響比對(duì)EDP反演結(jié)果的影響更顯著.但與COSMIC掩星任務(wù)不同的是,FY-3C官方TEC廓線產(chǎn)品與未經(jīng)改正的TEC廓線反演結(jié)果完全一致(藍(lán)色實(shí)線與紅色虛線重合),卻與經(jīng)過改正的TEC廓線存在顯著差異.這表明FY-3C官方在反演過程中并未進(jìn)行TEC改正.其原因是FY-3C各掩星事件的相位數(shù)據(jù)中非掩星時(shí)段的數(shù)據(jù)太少.
圖4 COSMIC與FY-3C掩星電離層反演TEC改正效果對(duì)比
表1給出了這兩個(gè)掩星事件的掩星時(shí)段與非掩星時(shí)段相位數(shù)據(jù)的高度區(qū)間.可以看到,COSMIC相位數(shù)據(jù)的掩星時(shí)段與非掩星時(shí)段在高度區(qū)間上基本重合,因而掩星時(shí)段的任一碰撞系數(shù)對(duì)應(yīng)的TEC均可用非掩星時(shí)段該碰撞系數(shù)對(duì)應(yīng)的TEC插值進(jìn)行改正.而FY-3C的非掩星時(shí)段數(shù)據(jù)集中在800 km以上,因此通過插值進(jìn)行TEC改正存在較大誤差.故在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中,我們對(duì)COSMIC數(shù)據(jù)和FY-3C數(shù)據(jù)分別采用了進(jìn)行TEC改正和不進(jìn)行TEC改正的反演方案.
表1 COSMIC與FY-3C代表性掩星事件掩星時(shí)段與非掩星時(shí)段的高度區(qū)間
圖5與圖6分別給出了從COSMIC和FY-3C掩星數(shù)據(jù)中隨機(jī)選擇的四個(gè)掩星事件的EDP反演結(jié)果示例.各子圖右上方標(biāo)注了反演結(jié)果給出的峰值密度NmF2和峰值高度hmF2這兩個(gè)重要的電離層特征參數(shù)相對(duì)于官方產(chǎn)品的偏差.圖5和圖6各子圖EDP反演結(jié)果與官方產(chǎn)品在形態(tài)、位置和變化趨勢(shì)等方面均具有很高相似性.表明對(duì)于兩個(gè)掩星任務(wù),采用本文的算法反演得到的EDP與官方EDP產(chǎn)品基本符合.由圖5可見,COSMIC任務(wù)四個(gè)掩星事件反演的峰值密度相對(duì)于CDAAC官方產(chǎn)品的偏差NmF2的最小和最大絕對(duì)值分別為0.054×105el/cm3和0.130×105el/cm3;峰值高度反演結(jié)果與CDAAC官方產(chǎn)品的偏差ΔhmF2的最小和最大絕對(duì)值分別為0.081 km和3.705 km.由圖6可見,FY-3C任務(wù)四個(gè)掩星事件反演的峰值密度相對(duì)于NSMC官方產(chǎn)品的偏差NmF2的最小和最大絕對(duì)值分別為0.075×105el/cm3和0.219×105el/cm3;峰值高度反演結(jié)果相對(duì)于NSMC官方產(chǎn)品的偏差ΔhmF2的最小和最大絕對(duì)值分別為1.945 km和5.076 km.上述差異均很小,而COSMIC反演結(jié)果與官方產(chǎn)品的一致性略好于FY-3C反演結(jié)果與官方產(chǎn)品的一致性.
圖5 COSMIC掩星EDP廓線反演個(gè)例
對(duì)COSMIC和FY-3C兩個(gè)掩星任務(wù)在 2014年12月31日全天的電離層掩星一級(jí)相位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,反演得到相應(yīng)的電離層電子密度廓線,進(jìn)而獲取各電子密度廓線對(duì)應(yīng)的峰值密度NmF2和峰值高度hmF2這兩個(gè)電離層特征參數(shù).需說明的是,由于掩星反演過程受到數(shù)據(jù)質(zhì)量以及反演算法所需條件的影響,因此并非所有掩星事件都能成功反演.由于本文使用的反演算法與掩星任務(wù)官方的反演流程在具體細(xì)節(jié)上并不完全相同,因此兩者反演成功并符合要求的廓線數(shù)量也存在細(xì)微差異.對(duì)本文使用的數(shù)據(jù)而言,COSMIC的原始掩星事件共841次,其官方提供的EDP反演產(chǎn)品共728條,本文成功反演的EDP共648條;FY-3C的原始掩星事件共184次,其官方提供的EDP反演產(chǎn)品共95條,本文成功反演的EDP共81條.對(duì)所有成功反演的EDP的電離層峰值參數(shù)與官方產(chǎn)品提供的電離層峰值參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如圖7所示.
圖7 2014年12月31日COSMIC與FY-3C掩星電離層峰值參數(shù)反演結(jié)果與官方產(chǎn)品的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)
由圖7可見,本文反演的電離層峰值參數(shù)與官方產(chǎn)品幾乎所有的匹配數(shù)據(jù)組均集中在y=x參考線附近.圖7a和7b表明,對(duì)于COSMIC掩星任務(wù),在648組反演結(jié)果中,NmF2和 hmF2反演值與官方產(chǎn)品的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.999和0.991,各自對(duì)應(yīng)的回歸直線斜率分別為0.994和1.017.由圖7c和7d可見,對(duì)于FY-3C掩星任務(wù),在81組反演結(jié)果中,NmF2和 hmF2反演值與官方產(chǎn)品的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.998和0.946,各自對(duì)應(yīng)的回歸直線斜率分別為0.971和0.928.上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明本文反演的電離層峰值參數(shù)與兩個(gè)掩星任務(wù)官方產(chǎn)品提供的電離層峰值參數(shù)之間具有很高一致性,但COSMIC掩星數(shù)據(jù)反演結(jié)果與官方產(chǎn)品的相關(guān)性整體上優(yōu)于FY-3C.且對(duì)于兩個(gè)掩星任務(wù)而言,NmF2反演結(jié)果的相關(guān)性均優(yōu)于hmF2.進(jìn)一步對(duì)峰值參數(shù)反演結(jié)果與官方產(chǎn)品之間的偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到兩個(gè)掩星任務(wù)峰值密度NmF2和峰值高度hmF2反演結(jié)果相對(duì)于官方產(chǎn)品的絕對(duì)偏差均值、相對(duì)偏差均值以及相應(yīng)中誤差,結(jié)果如表2所示.
表2中各統(tǒng)計(jì)參數(shù)絕對(duì)值越小,表明本文反演結(jié)果與官方產(chǎn)品之間的一致性越好.由表2可見,對(duì)于兩個(gè)掩星任務(wù)而言,NmF2與hmF2反演結(jié)果的偏差均值基本都在0附近.對(duì)于COSMIC任務(wù),NmF2反演結(jié)果的絕對(duì)偏差中誤差和相對(duì)偏差中誤差分別為0.182×105el/cm3和3.162%,hmF2的絕對(duì)偏差中誤差和相對(duì)偏差中誤差分別為6.984 km和3.162%;對(duì)于FY-3C任務(wù),NmF2反演結(jié)果的絕對(duì)偏差中誤差和相對(duì)偏差中誤差分別為0.243×105el/cm3和6.325%,hmF2的絕對(duì)偏差中誤差和相對(duì)偏差中誤差分別為14.830 km和5.477%.兩個(gè)掩星任務(wù)的偏差中誤差均較小,但COSMIC峰值參數(shù)反演結(jié)果的偏差中誤差低于FY-3C.
表2 2014年12月31日COSMIC與FY-3C峰值參數(shù)反演結(jié)果與官方產(chǎn)品的偏差統(tǒng)計(jì)
本文利用基于TEC的掩星電離層反演方法,在實(shí)現(xiàn)整個(gè)反演流程的基礎(chǔ)上,對(duì)2014年12月31日的COSMIC和FY-3C電離層掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.由兩個(gè)掩星任務(wù)的電離層相位產(chǎn)品出發(fā)反演電子密度廓線,并進(jìn)而得到NmF2和hmF2連個(gè)電離層峰值參數(shù).利用CDAAC與NSMC分別提供的官方產(chǎn)品對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)對(duì)兩個(gè)掩星任務(wù)的數(shù)據(jù)處理細(xì)節(jié)進(jìn)行比較.所得結(jié)論如下:
1)采用基于TEC的反演算法對(duì)FY-3C和COSMIC掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,所得結(jié)果與官方產(chǎn)品一致性均較好.其中COSMIC反演結(jié)果與CDAAC官方產(chǎn)品的一致性略好于FY-3C反演結(jié)果與NSMC官方產(chǎn)品的一致性,且NmF2的反演質(zhì)量普遍好于hmF2的反演質(zhì)量.
2) CDAAC提供的COSMIC電離層相位數(shù)據(jù)產(chǎn)品本身已經(jīng)過濾波處理,因此在反演過程中,對(duì)COSMIC數(shù)據(jù)的反演可不進(jìn)行相位平滑;但對(duì)NSMC提供的FY-3C電離層相位數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行反演處理之前有必要進(jìn)行濾波平滑預(yù)處理.
3)對(duì)于COSMIC掩星數(shù)據(jù),基于非掩星時(shí)段的TEC對(duì)掩星時(shí)段TEC進(jìn)行改正后所反演的電子密度廓線與CDAAC官方產(chǎn)品符合程度更高;而對(duì)于FY-3C掩星數(shù)據(jù),由于各掩星事件非掩星時(shí)段的相位數(shù)據(jù)量太少,TEC改正會(huì)引入較大誤差,因此反演過程中不建議對(duì)TEC進(jìn)行改正.
致謝:感謝CDAAC和NSMC分別提供的COSMIC和FY-3C掩星數(shù)據(jù).