CSES/FY3C掩星與數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)電離層特征參數(shù)比較分析

胡嘉宇，甘呈坤，辜聲峰,2

CSES/FY3C掩星與數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)電離層特征參數(shù)比較分析

胡嘉宇1，甘呈坤1，辜聲峰1,2

（1. 武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，武漢 430079；2. 湖北省珞珈實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079）

為了進(jìn)一步提高當(dāng)前風(fēng)云三號(hào)系列衛(wèi)星（FY3C）以及張衡一號(hào)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星（CSES）等具備北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）及全球定位系統(tǒng)（GPS）無(wú)線電掩星（RO）觀測(cè)能力的低軌衛(wèi)星所得電離層峰值參數(shù)的反演精度，提出一種以數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)數(shù)據(jù)為參考，采用多種時(shí)空匹配窗口對(duì)掩星反演結(jié)果進(jìn)行電離層特征參數(shù)驗(yàn)證分析的方法：實(shí)驗(yàn)結(jié)合2018-7-20—2018-8-20共計(jì)20551次掩星事件，及6094個(gè)數(shù)字測(cè)高儀觀測(cè)電子密度廓線數(shù)據(jù)，從峰值密度、峰值高度及臨界頻率等多方面對(duì)FY3C與CSES衛(wèi)星掩星觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析；同時(shí)為避免由于不同觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空不一致引入的差異，分析不同時(shí)空匹配窗口對(duì)掩星與數(shù)字測(cè)高儀觀測(cè)結(jié)果比對(duì)的影響。結(jié)果表明：低軌衛(wèi)星掩星所得峰值參數(shù)與數(shù)字測(cè)高儀觀測(cè)資料在不同匹配準(zhǔn)則下的比較結(jié)果存在差異；當(dāng)空間（時(shí)間）窗口不變時(shí)，隨著時(shí)間（空間）窗口增大，無(wú)論是低軌衛(wèi)星掩星同數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)數(shù)據(jù)的比較，還是低軌衛(wèi)星自身之間的比較，其電離層峰值參數(shù)數(shù)據(jù)匹配的相關(guān)性（一致性）都將下降，進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)與擬合精度的減??；在相同的時(shí)空匹配窗口中，CSES與FY3C掩星反演出的電離層峰值密度相關(guān)性較強(qiáng)，而電離層峰值高度相關(guān)性較弱；CSES衛(wèi)星更適合于低緯地區(qū)低高度與中高緯地區(qū)低中高度的電離層掩星探測(cè)，而FY3C衛(wèi)星則適合于低緯地區(qū)中高高度與中高緯地區(qū)高于CSES衛(wèi)星軌道高度的電離層掩星探測(cè)。

無(wú)線電掩星；風(fēng)云三號(hào)（FY-3）；張衡一號(hào)（Zhang Heng-1）電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星（CSES）；數(shù)字測(cè)高儀；電子密度廓線

0 引言

電離層是近地高空大氣層的重要組成部分。隨著世界各國(guó)對(duì)于地外空間探測(cè)活動(dòng)的日益頻繁，以及衛(wèi)星通信導(dǎo)航遙感的應(yīng)用普及，人類對(duì)電離層結(jié)構(gòu)特征及其時(shí)空變化規(guī)律的監(jiān)測(cè)反演需求日益增強(qiáng)，同時(shí)電離層監(jiān)測(cè)反演對(duì)于理解其各層結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制也具有重要的科學(xué)意義。

電離層探測(cè)是獲取電離層基本信息和結(jié)構(gòu)特征的重要手段，其中數(shù)字測(cè)高儀是將觀測(cè)設(shè)備安裝在地基臺(tái)站上定點(diǎn)觀測(cè)，可獲得峰值高度以下的電子密度剖面。目前全球一共有100多個(gè)數(shù)字測(cè)高儀站點(diǎn)，為人們了解和認(rèn)識(shí)電離層基本規(guī)律提供了豐富的觀測(cè)信息。不同學(xué)者對(duì)數(shù)字測(cè)高儀數(shù)據(jù)使用了不同的分析方法：文獻(xiàn)[1]使用了目前空間數(shù)值天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域常用的同化數(shù)據(jù)技術(shù)來(lái)對(duì)電離層進(jìn)行分析，從而逐步形成了一個(gè)較為完善、協(xié)調(diào)的高層大氣電離層區(qū)域分析場(chǎng)；文獻(xiàn)[2]通過(guò)對(duì)查普曼-科莫高洛夫方程（Chapman Kolmogorov equation）外推電離層頂部電子密度的方法進(jìn)行重構(gòu)，得到一種基于經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（empirical orthogonal function，EOF）來(lái)推算電離層頂部電子密度廓線的方法。得益于東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)子午鏈（子午工程）的建設(shè)，目前我國(guó)境內(nèi)正常工作的數(shù)字測(cè)高儀站臺(tái)共計(jì)30個(gè)，然而其觀測(cè)時(shí)空分辨率仍難以滿足電離層中不均勻體等小尺度結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)需求。

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）的建立和逐漸完善，自全球定位系統(tǒng)氣象學(xué)（global positioning system meteorology，GPS/MET）項(xiàng)目論證了利用GNSS掩星技術(shù)探測(cè)電離層的可行性后[3]，基于GNSS的電離層掩星探測(cè)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。其中典型的如美國(guó)同中國(guó)臺(tái)灣省合作發(fā)射的氣象、電離層和氣候的星座觀測(cè)（constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate，COSMIC）衛(wèi)星計(jì)劃，其日均可以探測(cè)2400余個(gè)大氣密度廓線與3500余個(gè)電離層掩星事件，在一定程度上可用于彌補(bǔ)常規(guī)觀測(cè)方法在荒漠地區(qū)、海洋中心、地球兩極的不足[4]。文獻(xiàn)[5]將COSMIC反演的電子密度剖面（electron density profile，EDP）應(yīng)用于熱層-電離層耦合模型，有效提高了電離層F2層的峰值密度（F2-layer peak electron density，NmF2）、峰值高度（F2-layer height of the peak electron density，HmF2）及臨界頻率（F2 layer critical frequency，f0F2）等相關(guān)特征參數(shù)精度。此外，世界各國(guó)也相繼建立了德國(guó)亥姆霍茲波茨坦中心、德國(guó)地學(xué)中心的信息系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心、美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)大學(xué)大氣研究聯(lián)盟的COSMIC等掩星數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)中心。

我國(guó)十分重視GNSS電離層掩星探測(cè)，風(fēng)云3C（FY-3 series satellites，F(xiàn)Y3C）是我國(guó)風(fēng)云三號(hào)系列衛(wèi)星的5顆氣象衛(wèi)星之一，搭載了GNSS掩星探測(cè)器（GNSS occultation sounder，GNOS）。2014年下半年，F(xiàn)Y3C開(kāi)始提供掩星反演產(chǎn)品，平均每天可提供約200個(gè)掩星事件的觀測(cè)資料[6]。在風(fēng)云三號(hào)系列衛(wèi)星電離層電子密度產(chǎn)品評(píng)估方面，有學(xué)者進(jìn)行了C星GNOS與全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）電子密度的誤差評(píng)估，證實(shí)了C星GNOS電子密度反演的可靠性[7]。在電離層掩星產(chǎn)品的研究與應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[8]利用C星電子密度數(shù)據(jù)開(kāi)展了對(duì)2015年圣帕特里克節(jié)地磁暴事件的研究，并指出NmF2參數(shù)對(duì)事件級(jí)磁暴的良好響應(yīng)能力。

張衡一號(hào)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星（Zhang Heng-1 China seismo-electromagnetic satellite，CSES）是我國(guó)地球物理場(chǎng)探測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃的首發(fā)星，于2018年2月2日成功發(fā)射。對(duì)CSES在軌測(cè)試期間數(shù)據(jù)分析表明，其GRO掩星電離層反演結(jié)果合理、趨勢(shì)正確，每天能夠探測(cè)600個(gè)左右的掩星事件，將張衡一號(hào)掩星接收機(jī)3個(gè)月的數(shù)據(jù)與數(shù)字測(cè)高儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，NmF2和HmF2的全球分布相似，且隨著緯度的變化，屬于F2及以上層的峰值密度在某特定平面方向上相差不大，并有明顯的赤道異常[9]。

顯然，地基數(shù)字測(cè)高儀和星基掩星觀測(cè)融合數(shù)據(jù)處理與交叉驗(yàn)證是提高電離層特征參數(shù)反演精度與可靠性的有效手段。然而，由于掩星事件的時(shí)空分布的動(dòng)態(tài)性，同時(shí)數(shù)字測(cè)高儀只能獲取測(cè)站天頂電離層數(shù)據(jù)，因此在比較2種電離層探測(cè)技術(shù)獲取的觀測(cè)結(jié)果時(shí)，必須對(duì)所用數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間和空間上的匹配，以得到更為科學(xué)準(zhǔn)確的比較結(jié)果。在目前已有的研究中，文獻(xiàn)[10]比較了2006年7月COSMIC 掩星任務(wù)和31個(gè)全球分布的垂測(cè)站探測(cè)的電離層峰值密度NmF2，基于經(jīng)緯度偏差小于2°的匹配準(zhǔn)則，得到二者相關(guān)系數(shù)為0.85。文獻(xiàn)[11]選用了（30 min，600 km，600 km）作為時(shí)間、緯度、經(jīng)度時(shí)空匹配窗口，比較了2006年7月至2007年12月期間COSMIC掩星數(shù)據(jù)和垂測(cè)儀探測(cè)資料分別獲取的電離層峰值密度，發(fā)現(xiàn)二者相對(duì)誤差的中誤差保持在20%以下。文獻(xiàn)[12]基于2006年7月—2007年2月期間的COSMIC掩星數(shù)據(jù)和60個(gè)全球分布的垂測(cè)站觀測(cè)資料，在（30 min，1°，1°）的時(shí)空匹配窗口下發(fā)現(xiàn)基于COSMIC掩星數(shù)據(jù)反演的峰值密度NmF2普遍存在低估，而峰值高度HmF2普遍存在高估。文獻(xiàn)[13]在分析2006～2008年共計(jì)3 a的COSMIC掩星數(shù)據(jù)和Paulista站（22.7° N，45.0° W）和Fortaleza 站（3.8° S，38.0° W）2個(gè)垂測(cè)儀站的觀測(cè)資料時(shí)，采用（7.5 min，2.5°，2.5°）作為時(shí)空匹配窗口。

綜上所述，當(dāng)前基于不同時(shí)空匹配窗口的CSES和FY3C掩星事件對(duì)比分析尚未系統(tǒng)深入展開(kāi)。為此，本文圍繞CSES、FY3C掩星任務(wù)電離層產(chǎn)品及數(shù)字測(cè)高儀觀測(cè)資料的質(zhì)量評(píng)估及相關(guān)性分析等方面開(kāi)展實(shí)驗(yàn)與研究，旨在更加科學(xué)地解釋各項(xiàng)比較結(jié)果。

1 基本原理

下面分別對(duì)數(shù)字測(cè)高儀與掩星電離層探測(cè)基本原理進(jìn)行介紹。

1.1 數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)原理

數(shù)字測(cè)高儀又名垂測(cè)儀，實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)短波脈沖雷達(dá)，通常由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線、頻率合成器、顯示記錄器、程序控制器等組成。測(cè)高儀從地面垂直向上發(fā)射脈沖調(diào)制的高頻無(wú)線電波，并在同一地點(diǎn)接收它的反射信號(hào)，測(cè)量出頻率連續(xù)改變的電波往返傳播的時(shí)間（時(shí)延），從而獲得電離層相關(guān)參數(shù)[14]。

在這種被動(dòng)接收探測(cè)方法中，所采集的信號(hào)是來(lái)自空間中直接或經(jīng)過(guò)電離層傳播而到達(dá)的各種頻率的空間信號(hào)，為了找到各個(gè)頻率點(diǎn)信號(hào)能量的累積效應(yīng)，從而得到臨界頻率與信號(hào)能量的相關(guān)關(guān)系，在這里引入干擾重心頻率的概念，即

1.2 電離層掩星反演原理

基于無(wú)線電波直線傳播假設(shè)，可利用總電子含量（total electron contant，TEC）數(shù)據(jù)反演電子密度。通常通過(guò)雙頻載波相位組合，得到相對(duì)TEC；利用非掩星的輔助TEC觀測(cè)數(shù)據(jù)，消除低軌衛(wèi)星（low Earth orbit，LEO）軌道高度以上的電離層影響，得到校正TEC；在電子密度局部球?qū)ΨQ假設(shè)和信號(hào)直線傳播的假設(shè)條件下，通過(guò)阿貝爾積分（Abelian integral）變換可以得到電子密度垂直廓線[17]。

掩星幾何關(guān)系示意圖如圖1所示。

圖1 掩星幾何關(guān)系

通過(guò)積分變換可得

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

下面分別收集FY3C、CSES掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及子午工程數(shù)據(jù)中心數(shù)字測(cè)高儀數(shù)據(jù)，采用不同時(shí)空匹配窗口對(duì)電離層特征參數(shù)反演結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

本文實(shí)驗(yàn)時(shí)段為2018年7月20日至2018年8月20日，針對(duì)共計(jì)20551次掩星事件，及6094個(gè)數(shù)字測(cè)高儀觀測(cè)電子密度廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中FY3C掩星數(shù)據(jù)為國(guó)家衛(wèi)星氣象中心的風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)中心提供的GNOS電子密度廓線產(chǎn)品；CSES相關(guān)數(shù)據(jù)為中國(guó)地震局衛(wèi)星地震應(yīng)用中心提供的GNSS掩星接收機(jī)1級(jí)產(chǎn)品與接收機(jī)無(wú)關(guān)的交換格式數(shù)據(jù)（receiver independent exchange format，RINEX），并結(jié)合武漢大學(xué)國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)組織（International GNSS Service，IGS）數(shù)據(jù)中心（http://www.igs.gnsswhu.cn/）BDS和GPS衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，反演計(jì)算得到對(duì)應(yīng)時(shí)段的電離層掩星電子密度剖面；數(shù)字測(cè)高儀數(shù)據(jù)由國(guó)家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心下屬子午工程數(shù)據(jù)中心提供，觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為15 min。數(shù)字測(cè)高儀臺(tái)站分布如表1所示，分別位于低緯和中高緯度地區(qū)。

表1 數(shù)字測(cè)高儀臺(tái)站基本信息

本文服務(wù)端相位偏差、低軌衛(wèi)星掩星電離層參數(shù)解算及對(duì)比等都基于武漢大學(xué)FUSING軟件平臺(tái)展開(kāi)，目前FUSING已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)實(shí)時(shí)濾波定軌、精密衛(wèi)星鐘差、電離層與對(duì)流層建模、大氣延遲建模與檢測(cè)以及多源協(xié)同精密定位等功能。

由于觀測(cè)噪聲和反演過(guò)程中局部球?qū)ΨQ假設(shè)帶來(lái)的影響，反演所得的電子密度廓線可能存在粗差，因此在比較掩星數(shù)據(jù)和數(shù)字測(cè)高儀觀測(cè)資料前，有必要對(duì)反演得到的掩星數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行檢核，本文按照如表2中所列的質(zhì)量控制參數(shù)（quality control parameters，QCPS）進(jìn)行檢核。

表2 掩星數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

2.2 結(jié)果分析

在本節(jié)中，為了分析不同衛(wèi)星及數(shù)字測(cè)高儀對(duì)于電離層峰值參數(shù)探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性及相關(guān)關(guān)系，本文通過(guò)使用多個(gè)特定的時(shí)空匹配窗口，結(jié)合控制變量法來(lái)對(duì)CSES與FY3C衛(wèi)星掩星所得到的探測(cè)結(jié)果同數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2 武漢左嶺鎮(zhèn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)與CSES反演電離層峰值密度與臨界頻率參數(shù)相關(guān)性分析

圖3 漠河站觀測(cè)資料與CSES反演電離層參數(shù)峰值密度與臨界頻率參數(shù)相關(guān)性分析

而后將圖2與圖3的所有結(jié)果進(jìn)行綜合分析，在所有的時(shí)空窗口匹配中，低軌衛(wèi)星掩星與數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)二者所獲取的電離層峰值參數(shù)之間存在一定的相關(guān)性且為正相關(guān)，說(shuō)明二者對(duì)于電離層的探測(cè)具有一致性；此外，對(duì)于多種時(shí)空窗口比較而言，當(dāng)空間（時(shí)間）窗口不變時(shí)，隨著時(shí)間（空間）窗口的增大，無(wú)論是在武漢站還是漠河站，2顆低軌衛(wèi)星掩星所得的結(jié)果同數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，其電離層峰值參數(shù)數(shù)據(jù)匹配的相關(guān)性（一致性）都將下降，進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)與擬合精度的減小。

而后綜合圖4可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)FY3C與CSES這2個(gè)低軌衛(wèi)星掩星反演所得的電離層F2層峰值參數(shù)進(jìn)行比較分析，CSES與FY3C掩星反演出的電離層峰值密度相關(guān)性較強(qiáng)，而電離層峰值高度相關(guān)性較弱。

為了進(jìn)一步分析CSES衛(wèi)星與FY3C衛(wèi)星掩星反演所得的電離層峰值參數(shù)在不同地理緯度處的準(zhǔn)確程度，本文經(jīng)數(shù)據(jù)篩選后，通過(guò)對(duì)2018年7月20日—8月20日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分割與處理，形成了7月20日—31日、8月1日—10日、8月11日—20日共3組數(shù)據(jù)，這3組數(shù)據(jù)是通過(guò)將CSES衛(wèi)星掩星、FY3C衛(wèi)星掩星、數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)在這3個(gè)時(shí)間段內(nèi)所得的電離層峰值參數(shù)進(jìn)行平均與數(shù)據(jù)匹配而得。而后利用CSES與FY3C的掩星反演事件同武漢站與漠河站數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。如圖5所示，分別以武漢左嶺鎮(zhèn)站和黑龍江漠河站數(shù)字測(cè)高儀觀測(cè)計(jì)算得到電子密度廓線垂直剖面為參考，展示不同時(shí)間段內(nèi)CSES與FY3C掩星事件所反演出的電離層電子密度廓線垂直剖面，從而更加直觀地對(duì)2顆衛(wèi)星掩星所得數(shù)據(jù)及數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

圖5 不同探測(cè)方法電子密度廓線垂直剖面對(duì)比結(jié)果

而后針對(duì)由CSES與FY3C掩星事件反演得到的電離層電子密度廓線、武漢左嶺鎮(zhèn)站和黑龍江漠河站數(shù)字測(cè)高儀觀測(cè)所得的電子密度廓線進(jìn)行相關(guān)性分析，如表3所示給出了不同時(shí)間段、不同高度范圍內(nèi)CSES衛(wèi)星與FY3C衛(wèi)星掩星反演所得結(jié)果同2個(gè)數(shù)字測(cè)高儀臺(tái)站探測(cè)所得結(jié)果之間的平均絕對(duì)誤差。

表3 不同探測(cè)方法所得電子密度廓線數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

結(jié)合圖5及表3可以看出，當(dāng)數(shù)字測(cè)高儀臺(tái)站選擇武漢站時(shí)，在垂直高度低于300 km處，由CSES反演所得的電子密度廓線相較于FY3C反演所得的電子密度廓線而言，與數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)所得的電子密度廓線偏差普遍更小，相關(guān)性更強(qiáng)；而當(dāng)垂直高度介于300～600 km之間時(shí)，由FY3C反演所得的電子密度廓線相較于CSES反演所得的電子密度廓線而言，與數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)所得的電子密度廓線偏差普遍更小，相關(guān)性更強(qiáng)。而選擇漠河站作為參考的數(shù)字測(cè)高儀臺(tái)站時(shí)，在垂直高度低于600 km時(shí)，由CSES反演所得的電子密度廓線相較于FY3C反演所得的電子密度廓線而言，與數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)所得的電子密度廓線偏差普遍更小，相關(guān)性更強(qiáng)；當(dāng)垂直高度超過(guò)一定高度后，三者所探測(cè)得到的電子密度都趨近于0，符合電離層電子密度垂直剖面分布規(guī)律。

此外，考慮到CSES衛(wèi)星的軌道高度為500 km，F(xiàn)Y3C衛(wèi)星的軌道高度為836 km，而通過(guò)低軌衛(wèi)星掩星反演難以得到高于其軌道高度的電離層峰值參數(shù)，故結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè)，在低緯度地區(qū)CSES衛(wèi)星更適合于低高度電離層掩星探測(cè)，F(xiàn)Y3C衛(wèi)星則適合于中高高度電離層掩星探測(cè)；而在中高緯度地區(qū)CSES衛(wèi)星則更適合低中高度的電離層掩星探測(cè)，F(xiàn)Y3C衛(wèi)星則適合用于高于CSES衛(wèi)星軌道高度的電離層掩星探測(cè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于CSES和FY3C掩星反演數(shù)據(jù)和2個(gè)位于不同緯度區(qū)域的數(shù)字測(cè)高儀臺(tái)站觀測(cè)資料，討論了多種控制變量時(shí)空范圍的匹配準(zhǔn)則對(duì)2種探測(cè)技術(shù)及2顆衛(wèi)星掩星所獲取的電離層峰值參數(shù)比較結(jié)果的影響特征，主要結(jié)論如下：

1）CSES衛(wèi)星與FY3C衛(wèi)星掩星反演所得峰值參數(shù)與數(shù)字測(cè)高儀觀測(cè)資料在不同的匹配準(zhǔn)則下的比較結(jié)果存在差異；而CSES和FY3C掩星反演的峰值密度m同峰值高度m之間的相關(guān)性具有較大差異，CSES與FY3C掩星反演出的電離層峰值密度相關(guān)性較強(qiáng)，而電離層峰值高度相關(guān)性較弱。

2）結(jié)合2種低軌衛(wèi)星的軌道高度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在低緯度地區(qū)CSES衛(wèi)星更適合于低高度電離層掩星探測(cè)，F(xiàn)Y3C衛(wèi)星則適合于中高高度電離層掩星探測(cè)；而在中高緯度地區(qū)CSES衛(wèi)星則更適合低中高度的電離層掩星探測(cè)，F(xiàn)Y3C衛(wèi)星則適合用于高于CSES衛(wèi)星軌道高度的電離層掩星探測(cè)。

3）在所有的時(shí)空窗口匹配中，CSES掩星、FY3C掩星、數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)三者所獲取的電離層峰值參數(shù)之間都存在一定的相關(guān)性且為正相關(guān)，說(shuō)明三者對(duì)于電離層的探測(cè)具有一致性；然而對(duì)于多種時(shí)空窗口比較而言，當(dāng)空間（時(shí)間）窗口不變時(shí)，隨著時(shí)間（空間）窗口的增大，無(wú)論是低軌衛(wèi)星掩星同數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)數(shù)據(jù)的比較，還是CSES衛(wèi)星與FY3C衛(wèi)星自身之間的比較，其電離層峰值參數(shù)數(shù)據(jù)匹配的相關(guān)性（一致性）都將下降，進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)與擬合精度的減小。

雖然本文在進(jìn)行時(shí)空匹配前已經(jīng)進(jìn)行了粗差剔除，但仍有部分點(diǎn)與擬合的線性回歸直線偏差較大，結(jié)合數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)與低軌衛(wèi)星掩星反演的原理推測(cè)，可能是由于太陽(yáng)活動(dòng)、磁暴等自然現(xiàn)象而導(dǎo)致電離層峰值參數(shù)匹配誤差較大，還有待進(jìn)一步研究。

[1] 林兆祥, 張雨田, 吳祺, 等. 利用單站電離層測(cè)高儀與GPS數(shù)據(jù)的同化反演試驗(yàn)[J]. 中南民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014, 33(2): 85-88.

[2] 王林, 萬(wàn)衛(wèi)星, 樂(lè)新安, 等. 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)估算頂部電離層電子密度剖面[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2019, 62(5): 1582-1590.

[3] WARE R, EXNER M, FENG D, et al. GPS sounding of the atmosphere from low Earth orbit: Preliminary results[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 1996, 77(1): 19-40.

[4] YUE X A, GUO Y H, ZENG Z, et al. GNSS radio occultation technique for near-Earth space environment detection[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2016, 59(4): 1161-1188.

[5] LEE I T, MATSUO T, RICHMOND A D, et al. Assimilation of FORMOSAT-3/COSMIC electron density profiles into a coupled thermosphere/ionosphere model using ensemble Kalman filtering[J]. Journal of Geophysical Research, 2012, 117(A10).

[6] 李文文, 李敏, 趙齊樂(lè), 等. FY3C衛(wèi)星星載BDS與GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與融合定軌[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2018, 47(S1): 9-17.

[7] 楊晶晶, 黃江, 徐杰, 等. 基于FY3C掩星數(shù)據(jù)偶發(fā)E層的研究[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 36(3): 305-311.

[8] BAI W, SUN Y, XIA J, et al. Validation results of maximum S4 index in F-layer derived from GNOS on FY3C satellite[J]. GPS Solutions, 2019, 23(1): 1-14.

[9] GAN C, HU J, LUO X, et al. Sounding of sporadic E layers from CSES radio occultation and comparing with ionosonde measurements[J]. Annales Geophysicae Discussions, 2022(40): 463-474.

[10] LEI J, SYNDERGAARD S, BURNS A G, et al. Comparison of COSMIC ionospheric measurements with ground-based observations and model predictions: Preliminary results[J]. Journal of Geophysical Research, 2007, 112(A7): 211-231.

[11] WU X, HU X, GONG X, et al. Analysis of inversion errors of ionospheric radio occultation[J]. GPS Solutions, 2009, 13(3): 231-239.

[12] CHU Y H, SU C L, KO H T. A global survey of COSMIC ionospheric peak electron density and its height: A comparison with ground-based ionosonde measurements[J]. Advances in Space Research, 2010, 46(4): 431-439.

[13] ELY C V, BATISTA I S, ABDU M A. Radio occultation electron density profiles from the FORMOSAT-3/COSMIC satellites over the Brazilian region: A comparison with Digisonde data[J]. Advances in Space Research, 2012, 49(11): 1553-1562.

[14] 朱正平, 寧百齊, 孫奉?yuàn)? 等. 電離層數(shù)字測(cè)高儀被動(dòng)接收觀測(cè)模式研究[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2009 (4): 389-396.

[15] MCNAMARA L F, THOMPSON D C. Validation of COSMIC values of f0F2 and M(3000) F2 using ground-based ionosondes[J]. Advances in Space Research, 2015, 55(1): 163-169.

[16] ARRAS C, WICKERT J. Estimation of ionospheric sporadic E intensities from GPS radio occultation measurements[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2018, 171: 60-63.

[17] 羅佳, 王涵, 徐曉華. 2014—2016年FY-3C與COSMIC掩星電離層特征參數(shù)的比較[J]. 國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 40(4): 181-186.

[18] 林劍, 吳云, 劉經(jīng)南. 電離層GPS掩星反演技術(shù)研究[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2009, 52(8): 1947-1953.

[19] LUO J, WANG H, XU X, et al. The influence of the spatial and temporal collocation windows on the comparisons of the ionospheric characteristic parameters derived from COSMIC radio occultation and digisondes[J]. Advances in Space Research, 2019, 63(10): 3088-3101.

[20] NAGELKERKE N J D. A note on a general definition of the coefficient of determination[J]. Biometrika, 1991, 78(3): 691-692.

Comparative analysis of ionospheric characteristic parameters detected by CSES/FY3C occultation and ionosonde

HU Jiayu1, GAN Chengkun1, GU Shengfeng1,2

（1. GNSS Research Center, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 2. Hubei Luojia Laboratory, Wuhan 430079, China）

In order to further improve the retrieval accuracy of ionospheric peak parameters obtained by low-orbit satellites with the observation capability of Beidou navigation satellite system (BDS) and global positioning system (GPS) radio occultation (RO), such as current FY-3 series satellites (FY3C) and Zhang Heng-1 China seismo-electromagnetic satellite (CSES), the paper proposed a method of verifying and analyzing the ionospheric characteristic parameters of the occultation inversion results by using the ionosonde observation electron density profile data as a reference with multiple time-space matching windows: through the experiment, 20551 occultation events of BDS and GPS occultation receivers of FY3C and CSES satellites, and 6094 ionosonde observation electron density profile data from the ionosonde observation during July 20, 2018 to August 20, 2018 were combined, and a comparative analysis of the occultation observations of FY3C and CSES satellites was carried out in terms of peak density, peak height, critical frequency and so on; moreover, in order to avoid the time-space inconsistency between different data of occultation events and the ionosonde observation, the impact of different time-space matching windows on the comparison of occultation and ionosonde observation was analyzed. Results showed that there would be differences between the peak parameters obtained from the occultation of low-orbit satellites and the observation data of the ionosonde under different matching criteria; and when the spatial (time) window is unchanged, the correlation (consistency) of ionospheric peak parameter data matching would decrease with the increase of the temporal (space) window, whether comparing the LEO satellite occultation with the ionosonde detection data or comparing the CSES satellite with the FY3C satellite, which could lead to the decrease of the correlation coefficient and fitting accuracy; meanwhile, in the same spatial and temporal matching window, the correlation between the peak ionospheric density of CSES and FY3C occultation inverse performance would be stronger, while the correlation between the peak ionospheric heights would be weaker; in general, CSES satellites could be more suitable for ionospheric occultation detection at low altitudes in low latitudes and low to medium altitudes in mid to high latitudes, while FY3C satellites could be suitable for ionospheric occultation detection at mid to high altitudes in low latitudes and above the orbital altitude of CSES satellites in mid to high latitudes

radio occultation; FY-3 series satellites (FY3C); Zhang Heng-1 China seismo-electromagnetic satellite (CSES); ionosonde; electron density profile

胡嘉宇, 甘呈坤, 辜聲峰. CSES/FY3C掩星與數(shù)字測(cè)高儀探測(cè)電離層特征參數(shù)比較分析[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2023, 11(4): 120-129.（HU Jiayu, GAN Chengkun, GU Shengfeng. Comparative analysis of ionospheric characteristic parameters detected by CSES/FY3C occultation and ionosonde[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(4): 120-129.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230417.

P228

A

2095-4999(2023)04-0120-10

2022-07-07

胡嘉宇（2001—），男，山西長(zhǎng)治人，碩士研究生，研究方向?yàn)楦呔菺NSS數(shù)據(jù)處理與分析。

辜聲峰（1986—），男，湖北武漢人，教授，研究方向?yàn)楦呔菺NSS數(shù)據(jù)處理、電離層延遲建模與多源融合導(dǎo)航。