全球電離層GNSS 星座監(jiān)測與仿真

茍曉晨，于錫崢，李 磊*，吳小成

1 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 空間天氣學(xué)國家重點實驗室，北京 100190

2 中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京 100190

3 中科莘縣聯(lián)合研發(fā)中心，山東 252400

0 引言

眾所周知，太陽活動產(chǎn)生的高速太陽風(fēng)沖擊地球磁層，可能引起全球范圍的地磁場劇烈擾動——地磁暴.電離層和磁層通過對流電場、沉降粒子和場向電流緊密耦合，磁暴期間，耦合作用更為強烈.高緯電離層先受到強烈擾動，接著中、低緯電離層出現(xiàn)響應(yīng)，主要表現(xiàn)為電子密度分布、總電子含量、電離層F 峰高及電離層電流體系大范圍的改變，直到磁暴進(jìn)入恢復(fù)相而逐漸恢復(fù)（Appleton and Ingram,1935; Balan et al.,2011）.統(tǒng)計表明，地磁暴引起的電離層擾動發(fā)生在磁暴主相開始1～4小時之后，最長可以持續(xù)幾天（李涌濤等，2018；白曉濤等，2020）.一般地，電離層總電子含量（TEC）與F2 層臨界頻率（f0F2）有可能增加，表現(xiàn)為電離層正暴；也有可能降低，表現(xiàn)為電離層負(fù)暴.例如，在2015 年3 月17 日磁暴期間，中低緯區(qū)域總電子含量與F2 層臨界頻率增加，為電離層正暴；高緯區(qū)域總電子含量與F2 層臨界頻率降低，為電離層負(fù)暴（袁建剛等，2019）.這些電離層擾動不僅能夠干擾通訊電波，影響衛(wèi)星導(dǎo)航，造成航天器帶電加速衛(wèi)星老化，甚至?xí)p害宇航員的身體健康.因此電離層的監(jiān)測、研究及預(yù)報對保障人類正常的生產(chǎn)和生活具有十分重要的意義.

目前，電離層地基監(jiān)測主要有全球國際GNSS網(wǎng)（IGS）、中國陸態(tài)網(wǎng)（CMONOC）、美國的電離層閃爍輔助決策監(jiān)測網(wǎng)SCINDA、我國的子午工程一期監(jiān)測網(wǎng)（二期在建）、加拿大北極圈電離層監(jiān)測網(wǎng)CHAIN 等，此外還有一些地區(qū)性的電離層監(jiān)測網(wǎng)絡(luò).電離層地基監(jiān)測的優(yōu)勢在其數(shù)據(jù)傳輸和存儲不受限制，在陸地區(qū)域可以達(dá)到較高的空間分辨率，觀測電離層精細(xì)結(jié)構(gòu).以全球國際GNSS 網(wǎng)（IGS）為例，其時間分辨率可以達(dá)到1 小時，同時實現(xiàn)2.5°×5°的全球區(qū)域覆蓋.但是，地基電離層監(jiān)測也存在一定的局限性，比如，不能測量F 層峰以上高度、南半球大洋區(qū)域覆蓋不足等.這些局限性可以通過天基監(jiān)測來彌補.

目前，電離層天基監(jiān)測是以單顆或多顆衛(wèi)星原位的觀測為主，如CHAMP、Swarm、張衡一號衛(wèi)星等，并且對500 km 高度以下監(jiān)測較少.500 km以上大多是極軌或大傾角軌道衛(wèi)星，缺少赤道面附近的小傾角衛(wèi)星，不足以同步監(jiān)測不同緯度和經(jīng)度的差異（尤其是南半球中低緯度）.隨著電離層探測技術(shù)的不斷發(fā)展，基于GNSS 信號的無線電掩星探測技術(shù)近年來已經(jīng)成為電離層遙感的主要手段.GNSS 掩星探測具有高精度、高垂直分辨率、全天候、低成本等特點，其電離層探測數(shù)據(jù)對電離層模式研究與空間天氣監(jiān)測及預(yù)報具有重要價值.然而，目前應(yīng)用最多的COSMIC-2 掩星星座也僅包含6顆衛(wèi)星，軌道傾角為24°，中高緯地區(qū)覆蓋嚴(yán)重不足，無法滿足全球電離層監(jiān)測的需求.

另外，研究表明，天基GNSS 掩星覆蓋率將直接影響電離層模型的數(shù)據(jù)同化及預(yù)報精度.當(dāng)掩星衛(wèi)星數(shù)量較多且觀測數(shù)據(jù)的覆蓋性較好時，僅通過同化掩星TEC 觀測數(shù)據(jù)，就可以獲得準(zhǔn)確的TEC和電子密度現(xiàn)報和短期預(yù)報結(jié)果（歐明等，2021）.因此，實現(xiàn)掩星觀測數(shù)據(jù)的全球覆蓋，并提高其空間和時間分辨率，對于電離層空間天氣現(xiàn)報和預(yù)報具有重要意義.

本文將針對全球電離層及暴時變化的監(jiān)測需求，提出新的全球電離層GNSS 星座監(jiān)測方案，并通過仿真驗證其監(jiān)測效果.

1 電離層監(jiān)測星座組網(wǎng)設(shè)計與優(yōu)化

在磁暴和亞暴期間，磁層—電離層通過對流電場、粒子沉降和場向電流等緊密耦合，引起電離層擾動，形成電離層正（負(fù)）暴（Appleton and Ingram,1935; Balan et al.,2011）.統(tǒng)計表明，正電離層暴和負(fù)電離層暴隨地方時、季節(jié)和緯度等因素的變化.不論在哪個季節(jié)，中緯度區(qū)域的磁暴主相一般發(fā)生在午夜區(qū)域，更容易引起負(fù)電離層暴.然而，在冬季和兩分季節(jié)，磁暴主相發(fā)生在晨側(cè)區(qū)域，緯度范圍大約在±20°～±30°，更容易引起正電離層暴，并且中緯度響應(yīng)時間延遲要比低緯度時間延遲短（Balan et al.,1990）.電離層暴期間電離層的響應(yīng)，及其晨昏、南北不對稱性等特征，需要在全球范圍內(nèi)開展同步測量，電離層GNSS 掩星探測是實現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳選擇.

首先，我們把衛(wèi)星軌道預(yù)先設(shè)為1 020 km 高度的圓軌，以實現(xiàn)1 000 km 以下電離層全覆蓋監(jiān)測.然后，參考?xì)W洲定軌中心利用北斗數(shù)據(jù)獲得的全球電離層圖（GIM）、全球IGS 網(wǎng)等電離層地基監(jiān)測時間分辨率（1～2 小時），設(shè)定GNSS 星座組網(wǎng)監(jiān)測時間分辨率為2 小時.同時，結(jié)合目前電離層地基監(jiān)測網(wǎng)（如IGS 網(wǎng)）數(shù)據(jù)空間分辨率（2.5°×5°）以及電離層數(shù)據(jù)融合需求，與地基電離層監(jiān)測相配合，GNSS 掩星星座組網(wǎng)監(jiān)測水平分辨率優(yōu)于200 km（約2°）.其次，選擇小衛(wèi)星的組網(wǎng)形式，采用不同的軌道面和衛(wèi)星數(shù)量，仿真計算不同衛(wèi)星星座GNSS 掩星點在全球的覆蓋率，根據(jù)結(jié)果反復(fù)迭代、優(yōu)化.最后，我們采用8×8 顆太陽同步軌道微小衛(wèi)星構(gòu)成星座網(wǎng)，同時與31 顆GPS 衛(wèi)星和35 顆北斗衛(wèi)星開展GNSS 電離層掩星觀測（圖1所示），以較少衛(wèi)星數(shù)量，同時兼顧時間分辨率和空間覆蓋率，滿足全球電離層大尺度同步監(jiān)測需求.

圖1 電離層（LEO）微小衛(wèi)星星座（彩色）與BD 衛(wèi)星（黃色）、GPS 衛(wèi)星（綠色）掩星示意圖，紅色錐形表示掩星天線視場Fig.1 The ionospheric microsatellite constellation (multicolor),BeiDou satellites (yellow) and GPS satellites(green),red cone represents the occultation field of view

統(tǒng)計結(jié)果顯示，在2°×2°網(wǎng)格下，全球覆蓋率優(yōu)于1/3（其中低緯度覆蓋率不低于～31.83%），基本能夠滿足全球電離層監(jiān)測需求.另外，大傾角極軌衛(wèi)星可增加中高緯度電離層掩星觀測的覆蓋率，與COSMIC 低傾角掩星星座相配合，彌補其中高緯的覆蓋不足，提高電離層掩星的全球覆蓋率.

微小衛(wèi)星的軌道高度為1 020 km，軌道傾角為99.56°，星座共有8 個軌道面，每個軌道面間的升交點赤經(jīng)差約為45°，每個軌道面有8 顆衛(wèi)星，星與星之間的相位差是45°.每個衛(wèi)星均搭載掩星接收機(jī)，采樣頻率為0.1～50 Hz，天線視場角為40°×40°（半角）.根據(jù)64 顆低軌（LEO）衛(wèi)星的仿真軌道，31 顆GPS 衛(wèi)星及35 顆北斗衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)，統(tǒng)計顯示，2 小時內(nèi)可發(fā)生掩星事件約7 000 次，每次掩星時間約為400～700 s.2018 年8 月26 日UTC 12:00～14:00 所有掩星事件的切點在300 km 高度上的分布如圖2 所示，其中藍(lán)色方塊表示LEO 與BD 衛(wèi)星的掩星切點，粉色圓點表示LEO 與GPS衛(wèi)星的掩星切點.如將300 km 高度球面劃分為2°×2°網(wǎng)格，2 小時內(nèi)低、中、高緯度掩星點的覆蓋率分別為31.83%、49.84%、75.25%（如表1），另外，2 小時內(nèi)，全球300 km 高度相鄰掩星點間最大水平距離（水平分辨率）小于800 km，全球約70%的區(qū)域水平分辨率優(yōu)于200 km（如圖3、4所示）.

圖2 2018 年8 月26 日，UTC 12:00～14:00，2 小時內(nèi)300 km 高度全球電離層掩星切點分布圖，其中藍(lán)色表示LEO 與BD 衛(wèi)星的星切點，粉色表示LEO 與GPS 衛(wèi)星的掩星切點Fig.2 Distribution of ionospheric occultation tangent points at an altitude of 300 km.The blue dots represent the point between LEO and BD.The magenta dots represent the point between GPS and LEO

表1 300 km 高度，不同網(wǎng)格密度下電離層掩星點在低、中、高緯度的覆蓋Table 1 Coverage percentages of ionospheric occultations at low,middle and high latitudes binned with different grid sizes at an altitude of 300 km

圖3 300 km 高度相鄰掩星點間水平距離（水平分辨率）統(tǒng)計圖Fig.3 Horizontal distances (horizontal resolution) between adjacent occultation points at 300 km altitude

圖4 300 km 高度掩星點數(shù)量隨掩星點間水平距離的分布Fig.4 Histogram of the horizontal distances between adjacent occultation points at 300 km altitude

2 電離層監(jiān)測效果仿真

2.1 電離層全球監(jiān)測效果

為了演示電離層星座的監(jiān)測效果，我們進(jìn)行了仿真.實際電離層掩星通常需要結(jié)合無線電掩星Abel 反演算法獲得電離層電子密度、總電子含量（TEC）等電離層參數(shù)（曾楨等，2004）.本文的目的是展示掩星星座的監(jiān)測效果，因此，假設(shè)電離層電子密度為已知參量（由IRI 模型確定），根據(jù)GNSS 星座掩星點位置，由IRI 模型直接計算電子密度等參數(shù)，不涉及Abel 反演算法.

根據(jù)電離層掩星星座軌道，我們對全球100～1 000 km 高度的電子密度，300 km 高度的電折射率、日側(cè)（紅色）和夜側(cè)（黑色）總電子含量（TEC）、日側(cè)（紅色）和夜側(cè)（黑色）彎曲角等參數(shù)進(jìn)行了仿真計算.

首先，我們根據(jù)64 顆GNSS 衛(wèi)星和35 顆BD衛(wèi)星及31 顆GPS 衛(wèi)星的仿真軌道數(shù)據(jù)，計算了2018 年8 月26 日UTC 12:00～14:00 期間全球掩星點的位置，然后，由IRI 模型計算掩星點的電子密度，獲取全球100～1 000 km 不同高度掩星點處的電子密度剖面圖（如圖5a）.從電子密度分布看，電子密度在高度300 km 左右達(dá)到峰值，并且在磁赤道兩側(cè)表現(xiàn)出明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，結(jié)果符合預(yù)期.

根據(jù)全球不同高度掩星點處的電子密度，由公式：

f為無線電波頻率，GPS 信號L1 頻率為1.575 4×109Hz，計算全球電離層折射指數(shù)n，如圖5b.

然后，根據(jù)GNSS 掩星仿真結(jié)果，分別選取日側(cè)（LT=12:06，Lat=20.7°）和夜側(cè)（LT=23:54，Lat=38.5°）的兩次掩星事件，掩星切點覆蓋100～1 000 km 高度.沿LEO 與GPS 或BD 衛(wèi)星的連線方向，對掩星事件期間的電子密度進(jìn)行路徑積分，獲得日側(cè)和夜側(cè)斜路徑TEC 隨高度變化的曲線（圖5c）.最后，通過TEC，利用公式：

h為掩星切點高度，計算日側(cè)和夜側(cè)彎曲角的變化曲線（圖5d）.

圖5 仿真結(jié)果說明，在2 小時內(nèi)，該星座能夠?qū)崿F(xiàn)磁暴期間100～1 000 km 高度全球電子密度、總電子含量（TEC）、折射率、彎曲角等電離層多參數(shù)的同步監(jiān)測.

圖5 2018 年8 月26 日磁暴期間，電離層GNSS 掩星星座觀測結(jié)果（仿真），UTC 12:00～14:00.（a）100～1 000 km 高度全球電離層電子密度分布；（b）300 km 高度全球電離層折射指數(shù)分布；（c）日側(cè)（紅）和夜側(cè)（黑）電離層總電子含量（TEC）廓線；（d）日側(cè)（紅色）和夜側(cè)（黑色）電離層彎曲角變化曲線Fig.5 Ionospheric GNSS occultation constellation observations (simulation) during the magnetic storm of August 26,2018,12:00～14:00 UTC.(a) The global ionospheric electron density maps at altitudes of 100 to 1 000 km;(b) The ionospheric refractive index map at 300 km height;(c) The ionospheric total electron contents (TEC) on day side (red) and night side(black);(d) The bending angles on day side (red) and night side (black)

2.2 暴時電離層的監(jiān)測

針對全球覆蓋組網(wǎng)監(jiān)測2 小時的時間分辨率，接下來我們進(jìn)一步考察掩星星座是否能監(jiān)測2 小時內(nèi)暴時電離層響應(yīng)的平均變化.

我們依然采用IRI 模型來描述電離層.IRI 模型包含暴時電離層經(jīng)驗修正模式（Storm-Time Empirical Ionospheric Correction Model）.該模式可對不同地磁活動條件Ap 下的電離層峰值電子密度（NmF2）、F2 層臨界頻率（foF2）等參數(shù)進(jìn)行修正，每小時一次.研究表明，該模式對磁暴期間電離層峰值電子密度、F2 層臨界頻率等的預(yù)測偏差與季節(jié)和緯度明顯相關(guān).磁暴期間，6～9 月在高緯地區(qū)的偏差約65%，低緯約45%（Fuller-Rowell et al.,2001; Araujo-Pradere et al.,2002; Timo?in et al.,2018）.雖然IRI 模式只能反映電離層的平均狀態(tài)，即便經(jīng)過暴時修正可能也無法反映擾動的細(xì)節(jié)，但本文的目的是在電離層背景下，定性演示衛(wèi)星組網(wǎng)對電離層大尺度時空變化的監(jiān)測能力，而非定量展示電離層響應(yīng)的細(xì)節(jié).此外，IRI-STORM 模式對暴時電離層參數(shù)修正的頻次為1 次/小時，滿足掩星星座2 小時的時間分辨率要求.

2018 年8 月25～31 日，首先，按暴前（2018年8 月24 日）平靜狀態(tài)Dst 等條件，利用IRI 模型和星座掩星仿真數(shù)據(jù)，獲取全球電子密度峰值作為參照值，沿120°W 經(jīng)度線，80°S～80°N 電子密度峰值如圖6 虛線所示.8 月25 日傍晚磁暴開始，以2 小時為時間間隔，GNSS 掩星星座觀測的不同緯度電子密度峰值的變化，如圖6 實線.根據(jù)圖6結(jié)果，電離層不同緯度對地磁暴的響應(yīng)不同，在北半球中高緯地區(qū)為電離層負(fù)暴（電子密度峰值降低），南半球中高緯地區(qū)為電離層正暴（電子密度峰值升高）.同時，響應(yīng)時間存在緯度延遲，擾動由高緯逐漸向低緯傳播；并且隨緯度降低，電子密度擾動幅度出現(xiàn)衰減，高緯地區(qū)響應(yīng)最早，且電子密度峰值下降幅度較大，低緯地區(qū)響應(yīng)滯后且電子密度峰值下降幅度較小，跟觀測一致（Balan et al.,1990; Li et al.,2018; 袁建剛等,2019）.此外，在南北半球低緯度地區(qū)均表現(xiàn)為弱的電離層正暴（電子密度峰值升高）.

圖6 2018 年8 月25～31 日磁暴期間，GNSS 掩星星座觀測結(jié)果（仿真）.120°W，從北緯80°到南緯80°電離層電子密度峰值（黑色實線）較平靜期（黑色虛線）的變化.黑色豎線代表不同緯度區(qū)域，電離層開始響應(yīng)磁暴的時間Fig.6 GNSS occultation constellation observations (simulations) along longitude 120°W,from 80°N to 80°S,during the magnetic storm from August 25 to 31,2018.The peak electron density is shown as a solid black line and the quiet period is shown as a dashed black line.The black vertical lines mark the beginning of ionospheric storm at different latitudes

3 討論

電離層預(yù)報對電離層探測數(shù)據(jù)有時效性要求，然而，目前大多數(shù)衛(wèi)星，無論是原位還是遙感探測衛(wèi)星，其數(shù)據(jù)都很難滿足實時性需求.因此，為保證GNSS 電離層掩星數(shù)據(jù)的時效性，可考慮增設(shè)地面接收臺站，或采用星間鏈路（中繼星）數(shù)據(jù)下傳方式，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性.若采用星間鏈路下傳數(shù)據(jù)，需要把64 顆星的數(shù)據(jù)匯總到要過境的衛(wèi)星（中繼星）上，通過中繼星星地鏈路下傳，根據(jù)地面站現(xiàn)有能力和星上可以提供的數(shù)傳通道[4 W的微波發(fā)射功率，功耗30 W，星地傳輸速率50 Mbps，編碼效率（1/2）]，大約需要4×64×8/(50×1/2)=1.3 min 就可以把整個星座的數(shù)據(jù)下載下來.然而，采用星間鏈路方式雖然可以較快將2 小時內(nèi)的掩星數(shù)據(jù)下傳，但需要結(jié)合星座軌道對星間通訊鏈路進(jìn)行規(guī)劃，由于掩星星座衛(wèi)星數(shù)量較多，鏈路規(guī)劃相對復(fù)雜.因此，考慮到人力和技術(shù)成本，可采用增設(shè)地面接收站提高數(shù)據(jù)下傳時效性.

目前國內(nèi)用于空間科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡孛娼邮照局饕忻茉普尽⒖κ舱竞腿齺喺?對于電離層GNSS 掩星星座，單星在2 小時內(nèi)存儲的掩星數(shù)據(jù)約為4 MB，以密云站數(shù)據(jù)接收為例，單顆掩星衛(wèi)星與密云站的平均可視時間約為13.4 min，整個LEO 星座共計64 顆，從第一顆星過站到最后一顆星過站，大約需要9 小時.如全部采用中國境內(nèi)地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最后一顆星需要9 小時后才能過站，不滿足2 小時實時性約束，故需要利用中國境外的地面站協(xié)助進(jìn)行數(shù)據(jù)下傳.

如果要保證實時性下傳，可以增加國外商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站，提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時效性.考慮到星座演化趨勢和衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳實時性要求，國外的地面站選址在經(jīng)度上與中國所在區(qū)域（經(jīng)度）盡量拉開，如選用南非的開普敦（Cape Town）和委內(nèi)瑞拉的卡斯拉斯（Caracas），協(xié)助進(jìn)行數(shù)傳.經(jīng)計算，星座數(shù)據(jù)下傳延遲最多約為1.9 小時，可以保證GNSS 衛(wèi)星星座數(shù)據(jù)2 小時的實時性要求.

另外，本文的目的是為開展全球電離層監(jiān)測提供可行方案，然而，方案的實施仍需綜合考慮衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)、成本等因素.隨著商業(yè)航天的發(fā)展，各種用途的低軌衛(wèi)星星座不斷涌現(xiàn)，如通信衛(wèi)星星座，其空間覆蓋基本可以滿足本方案的要求，通過搭載，也可實現(xiàn)全球電離層的監(jiān)測.

4 結(jié)論

本文以全球電離層監(jiān)測為目標(biāo)，通過軌道仿真與優(yōu)化，提出采用8×8 顆軌道高度為1 020 km 的太陽同步軌道微小衛(wèi)星構(gòu)成電離層GNSS 星座.該掩星星座能夠?qū)θ螂娮用芏?、總電子含量（TEC）、折射率、彎曲角等電離層參數(shù)開展同步監(jiān)測.

（1）仿真結(jié)果顯示，2 小時內(nèi)，采用2°×2°網(wǎng)格，300 km 高度掩星點低、中、高緯度空間覆蓋率可達(dá)31.83%、49.84%、75.25%，水平分辨率優(yōu)于800 km，其中70%以上區(qū)域優(yōu)于200 km.

（2）利用IRI 模型，模擬全球電離層電子密度分布，同時，結(jié)合掩星星座軌道仿真數(shù)據(jù)，對該掩星星座的監(jiān)測效果進(jìn)行了仿真.結(jié)果顯示，該星座具有很好的垂直分辨能力，全球水平分辨率優(yōu)于800 km（70%以上區(qū)域優(yōu)于200 km），能夠監(jiān)測全球電離層，尤其可以填補海洋區(qū)域的監(jiān)測空白；時間分辨率為2 小時，可監(jiān)測暴時全球電離層的響應(yīng)趨勢及時空演化特征.

因此，利用以上電離層GNSS 掩星星座組網(wǎng)，能夠在2 小時時間尺度上實現(xiàn)對全球電離層的監(jiān)測，為研究磁層—電離層耦合及電離層暴的全球大尺度時空演化特性提供新的視野，為空間環(huán)境預(yù)報提供數(shù)據(jù)支撐.

數(shù)據(jù)與來源

本文所用電離層參數(shù)輸入來自國際電離層參考（IRI）模型，數(shù)據(jù)網(wǎng)址：http://omniweb.gsfc.nasa.gov/vitmo/iri2012_vitmo.html.GPS 和BD 數(shù)據(jù)下載 網(wǎng)址：http://celestrak.com/NORAD/elements/.