Swarm衛(wèi)星星載接收機(jī)GPS信號中斷統(tǒng)計(jì)特征分析

胡洋, 熊超,2*, 尹凡, 萬欣, 鄭宇豪, 黃宇陽, 劉裔文, 朱藝洵, 王豐玨

1 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院, 武漢 430072 2 湖北珞珈實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430079 3 中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院, 廣東珠海 519082 4 中山大學(xué)熱帶大氣海洋系統(tǒng)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東珠海 519082 5 上饒師范學(xué)院, 江西上饒 334001

0 引言

電離層是地球大氣層距離地面50 km至1000多公里的區(qū)域.受太陽極紫外輻射以及宇宙射線的影響,電離層中含有大量電離的自由電子和離子.這些電子和離子的存在會影響跨電離層傳播的無線電波信號,比如與現(xiàn)代人類生活息息相關(guān)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)的廣播信號.從全球來看,GNSS信號在赤道和高緯度地區(qū)更容易受到電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的影響(Basu et al., 1988;Salles et al.,2021).

GNSS衛(wèi)星信號穿過電離層時,電離層的不規(guī)則體會使信號的振幅和相位發(fā)生快速變化,這種變化被稱之為電離層閃爍.當(dāng)閃爍比較嚴(yán)重時,可能會導(dǎo)致接收到的GNSS信號頻繁地出現(xiàn)周跳,甚至是信號中斷(Conker et al., 2003; Xiong et al., 2016).Damaceno等(2020)對巴西上空第24太陽活動周的地基GNSS信號中斷事件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)中斷事件大部分出現(xiàn)在夏、秋兩季的日落后時段,特別是赤道電離層異常(Equatorial Ionization Anomaly, EIA)的南峰側(cè).同時,中斷事件的相對出現(xiàn)率與表征閃爍的強(qiáng)度的 ROTI(rate of TEC index)指數(shù)之間具有一定的相關(guān)性;這種相關(guān)性在EIA南峰區(qū)最強(qiáng),而在赤道附近則并不明顯(Damaceno et al., 2020).Srinivasu等(2022)利用位于印度的地基GNSS站點(diǎn),發(fā)現(xiàn)在高和中等太陽活動期地磁寧靜夜晚?xiàng)l件下,中斷事件在遠(yuǎn)離赤道的EIA區(qū)域上增加,且其隨著電離層穿刺點(diǎn)高度角的增加而減少,與強(qiáng)閃爍有關(guān).他們的進(jìn)一步分析認(rèn)為在仰角較低且電子密度擾動與背景電子密度的比值隨緯度變化的情況下,超過路徑長度的多相位折射與較低天線增益相結(jié)合可以產(chǎn)生更嚴(yán)重的閃爍,進(jìn)而導(dǎo)致了更高的中斷事件發(fā)生率(Srinivasu et al., 2022).值得注意的是相位閃爍一般由信號的折射和衍射效應(yīng)共同導(dǎo)致,而振幅閃爍則主要由信號穿過電離層時的衍射效應(yīng)導(dǎo)致.相比于中低緯度地區(qū),高緯度地區(qū)的等離子體漂移速度通常超出一個或兩個數(shù)量級,這會導(dǎo)致高緯度地區(qū)出現(xiàn)更強(qiáng)的相位閃爍以及更高頻率的振幅閃爍(Forte and Radicella, 2002).同時,電離層不規(guī)則體與閃爍發(fā)生的強(qiáng)弱也依賴于地磁活動,Zheng等(2022)利用挪威地區(qū)的地基GNSS接收機(jī),分析了高緯度地區(qū)磁暴期間電離層的折射效應(yīng)與衍射效應(yīng),發(fā)現(xiàn)高緯度地區(qū)磁暴期間折射效應(yīng)伴隨著更明顯的衍射效應(yīng),并且小尺度的不規(guī)則體密度有著明顯的增強(qiáng)(Zheng et al., 2022),這導(dǎo)致閃爍事件更為明顯;Zakharenkova和Astafyeva(2015)利用CHAMP(Challenging Minisatellite Payload)、DMSP(Defense Meteorological Satellite Program)衛(wèi)星以及地基GNSS接收機(jī)臺網(wǎng)的觀測資料,研究了2004年8月29—31日地磁暴主相期間頂部電離層不規(guī)則體的出現(xiàn)情況(Zakharenkova and Astafyeva,2015),發(fā)現(xiàn)在地磁暴期間,GNSS信號的中斷事件發(fā)生率增大,并且這些中斷事件主要發(fā)生在低緯度和高緯度的GPS站點(diǎn)(Astafyeva et al.,2014).

除了地基GNSS信號的閃爍與周跳,前人也對星載GNSS接收機(jī)的數(shù)據(jù)開展了分析.Yue等(2016)利用2007—2011年COSMIC衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù),對其掩星接收機(jī)出現(xiàn)的周跳事件進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在E層高度掩星信號周跳主要由偶發(fā)E層(Sporadic E, Es)引起,而在F層高度掩星信號周跳的發(fā)生主要與低緯地區(qū)的赤道電離異常(及赤道等離子體泡(Equatorial Plasma bubble,EPB)有關(guān)(Yue et al., 2016).利用Swarm衛(wèi)星高分辨率的星載Global Positioning System(GPS)接收及原位等離子體密度觀測數(shù)據(jù),Xiong等(2016)分析了Swarm衛(wèi)星GPS信號中斷事件的分布規(guī)律及其與背景等離子體密度起伏之前的關(guān)系.其中,發(fā)生在低緯的信號中斷事件主要出現(xiàn)在在磁赤道附近±5°與±20°之間,呈兩條帶狀區(qū)域;這些低緯信號中斷事件往往伴隨著比較大的赤道等離子泡絕對密度起伏.同樣,在高緯度地區(qū),尤其是極光橢圓內(nèi),GNSS信號中斷也與背景電子密度梯度有關(guān)(Xiong et al., 2018a; De Michelis et al.,2022; Pezzopane et al.,2021).

相比于低緯與高緯地區(qū),中緯度地區(qū)出現(xiàn)電離層不規(guī)則體及閃爍的概率相對較低,因此對于中緯度地區(qū)的閃爍,特別是星載GNSS信號中斷事件的研究較少.Xiong等(2018a)主要對發(fā)生在高緯地區(qū)的Swarm星載接收機(jī)出現(xiàn)GPS信號中斷的事件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,但如其圖2所示,Swarm三顆衛(wèi)星在位于中緯度的中國東部地區(qū)觀測到GPS信號中斷事件數(shù)均高于同緯度其他經(jīng)度扇區(qū).同時Xiong等(2018a)只利用了Swarm衛(wèi)星三年(2014—2016)的觀測數(shù)據(jù),但Swarm星載接收機(jī)的鎖相環(huán)帶寬曾做過數(shù)次調(diào)整(Van den Ijssel, 2015,2016),該調(diào)整對Swarm星載接收機(jī)GPS信號中斷的影響并未有文獻(xiàn)做過詳細(xì)討論.所以,本研究利用Swarm衛(wèi)星的近9年(2014年1月—2022年9月)的觀測數(shù)據(jù),重點(diǎn)對發(fā)生在中緯度地區(qū)的GPS衛(wèi)星信號中斷事件進(jìn)行了詳盡的分析,并討論了其與背景電子密度起伏之間的關(guān)系.

1 觀測數(shù)據(jù)及處理方法

1.1 Swarm衛(wèi)星及觀測數(shù)據(jù)

Swarm是歐空局的地磁場觀測星座計(jì)劃,由三顆相同的衛(wèi)星組成,分別命名為Alpha, Bravo和Charlie,簡稱為A、B和C.該衛(wèi)星于2013年11月22日發(fā)射進(jìn)入近圓、近極軌道.經(jīng)過調(diào)軌之后,Swarm A和C并排飛行(經(jīng)度相距約為1.4°),初始飛行高度約為460 km,軌道傾角為87.35°;而Swarm B初始飛行高度約為510 km,傾角為87.75°.由于衛(wèi)星軌道的進(jìn)動,同時考慮升、降軌道,Swarm A/C需要約133天可以覆蓋所有地方時,而Swarm B則需要約141天可以覆蓋所有地方時(Xiong et al., 2018b).

每顆Swarm衛(wèi)星均搭載六種主要的科學(xué)載荷,用于精確測量地磁場及頂部大氣層(包含電離層)的強(qiáng)度、空間與時間變化等.Swarm衛(wèi)星積累的近10年觀測數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于地球主磁場建模(Finlay et al., 2020)、地幔電導(dǎo)率建模(Yao et al., 2023)、電離層電子密度建模(Bilitza and Xiong, 2021)及空間環(huán)境對低軌道衛(wèi)星平臺電位的影響等研究(Jiang et al., 2023).本研究主要使用了其星載GPS接收機(jī)及朗繆爾探針的觀測數(shù)據(jù).GPS接收機(jī)為奧地利RUAG Space公司制造的雙頻接收機(jī),可以同時接收GPS衛(wèi)星L1和L2的載波,主要用于Swarm衛(wèi)星的精密定軌.但由于其只配備了8個通道,最多只可同時接收8顆GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(Van den Ijssel et al., 2015; Xiong et al., 2016).Swarm星載朗繆爾探針主要用于測量衛(wèi)星軌道上等離子體密度、電子溫度、及衛(wèi)星平臺電位,時間分辨率為2 Hz.值得指出的是,在Swarm早期的等離子體密度數(shù)據(jù)產(chǎn)品中,朗繆爾探針提供的是電子密度,但在算法改進(jìn)后其提供的是離子密度(假定為氧離子),所以本文中用到是改進(jìn)算法后的離子密度數(shù)據(jù).關(guān)于星載朗繆爾探針數(shù)據(jù)的反演及相關(guān)算法的改進(jìn),可以參見Catapano等(2022)、Xiong等(2022).

1.2 GPS信號中斷事件的判定

Swarm星載GPS信號有時會出現(xiàn)短暫的信號中斷或丟失.在本文中,我們采用與Xiong等(2016,2018a)相同的方法從Swarm Level-1B數(shù)據(jù)產(chǎn)品GPSx_RO_1B(RINEX 3.00)中判定GPS信號中斷事件是否發(fā)生.對某一偽隨機(jī)噪聲(pseudo-range noise, PRN)編號的GPS衛(wèi)星,當(dāng)其信號被接收機(jī)接收到時,稱之為在此接收機(jī)視野內(nèi),此衛(wèi)星被稱為可見衛(wèi)星.對于可見的GPS衛(wèi)星,Swarm接收到其信號出現(xiàn)短時中斷時,即視為該GPS衛(wèi)星信號中斷事件.此外,由于Swarm衛(wèi)星所在高度比GPS衛(wèi)星高度要低,Swarm衛(wèi)星在地面投影的速度相對較快.這種由于相對運(yùn)動導(dǎo)致GPS衛(wèi)星離開Swarm衛(wèi)星的視野時, Swarm衛(wèi)星也無法再繼續(xù)捕獲該P(yáng)RN信號.注意到GPS衛(wèi)星離開Swarm視野持續(xù)時間約為半個Swarm軌道周期(45 min).因此,為了區(qū)分其與GPS衛(wèi)星短時信號中斷事件,在本研究中我們只考慮GPS信號中斷的持續(xù)時間少于30 min的事件.實(shí)際上在后續(xù)的統(tǒng)計(jì)中我們也發(fā)現(xiàn),絕大多數(shù)的GPS信號短時中斷事件持續(xù)的事件都少于1 min.

值得注意的是,在衛(wèi)星任務(wù)初期Swarm衛(wèi)星的RINEX文件時間分辨率為10 s,但自2014年7月15日 8點(diǎn)15分59秒后其時間分辨率提升至了1 s.此外,Swarm衛(wèi)星在2014年4月11日對其RINEX文件的格式進(jìn)行了變更(Xiong et al., 2018a).在此之前,如果L1或L2頻率上存在無效值,RINEX文件中將不會記錄該歷元;變更之后,如果僅在兩個載波頻率之一中發(fā)現(xiàn)無效值,該歷元仍將記錄在RINEX文件中,但對于該載波頻率的無效值被記為零.對于更新之后的RINEX文件,如果僅在某一個載波頻率上出現(xiàn)零值,在本研究中也被記錄為GPS信號中斷事件.

由于GPS周跳是發(fā)生在載波相位上的一種現(xiàn)象,且周跳和中斷事件有一定關(guān)聯(lián).故本文統(tǒng)計(jì)的中斷事件包含了部分周跳(周跳時信號出現(xiàn)短時中斷的情況),但不是全部的周跳都被統(tǒng)計(jì)在內(nèi).

以Swarm C星為例,圖1提供了2014年1月至2022年9月期間,Swarm C衛(wèi)星GPS信號中斷事件持續(xù)時間的發(fā)生頻次.從圖中可以看出絕大多數(shù)的失鎖事件持續(xù)時間都在1 min以內(nèi).經(jīng)過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),在Swarm衛(wèi)星的同一個軌道中,對于同一個PRN有時會連續(xù)(1 min內(nèi))發(fā)生好幾次信號中斷.為了更好地統(tǒng)計(jì)失鎖事件的空間分布特征,對于某一固定的PRN,如果在1 min內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)多次中斷,這些中斷在后繼的統(tǒng)計(jì)中將被合并,只記錄為一次中斷事件.對于每一個中斷事件,其時間記錄為中斷開始和終止的中間值,中間值時刻衛(wèi)星所在的位置記錄為該次中斷事件所在的位置.

圖1 Swarm星載接收觀測到的GPS信號中斷事件持續(xù)時間的百分比分布Fig.1 Occurrence ratio of GPS signal loss duration received by Swarm borne receiver

2 GPS信號中斷事件統(tǒng)計(jì)特征分析

2.1 Swarm星載接收機(jī)相位鎖相帶寬調(diào)整及其影響

采用上述方法,我們對2014年1月至2022年9月期間Swarm三顆衛(wèi)星GPS信號中斷事件分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì).由于Swarm三顆衛(wèi)星GPS信號中斷事件的統(tǒng)計(jì)特征基本相似,在本文中主要給出Swarm C衛(wèi)星的觀測結(jié)果.

圖2展示的是Swarm C衛(wèi)星每天所有GPS衛(wèi)星出現(xiàn)中斷次數(shù)的總和.可以發(fā)現(xiàn)其中斷事件的次數(shù)在2016年8月11日前后出現(xiàn)了明顯的不同.在此日期之前,中斷事件表現(xiàn)出了比較明顯的年與季節(jié)特性,其最大值出現(xiàn)在春、秋分,冬至季節(jié)次之,最小值出現(xiàn)在夏至前后.同時相比于2014年年初附近與2016年年初附近,中斷事件在2015年年初時期的總發(fā)生頻次偏高.但在2016年8月11日之后,Swarm C衛(wèi)星GPS信號中斷的頻次出現(xiàn)的明顯的增加,但是并沒有表現(xiàn)出和之前一致的年與季節(jié)特征.

圖2 GPS信號中斷事件的日頻數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.2 Daily number of GPS signal loss events

圖3進(jìn)一步展示了Swarm C衛(wèi)星GPS信號中斷事件次數(shù)隨磁緯(Magnetic latitude)與日期的分布.可以看出在2015年5月6日之前,GPS信號中斷主要出現(xiàn)在磁緯60°以上及磁緯25°以內(nèi),并且磁緯60°以上的事件在兩個半球均主要出現(xiàn)在冬至季節(jié),低于25°的事件主要出現(xiàn)在春秋分.Xiong等(2018a)指出了GPS信號中斷事件的磁緯和季節(jié)特征分別與極區(qū)及低緯電離層小尺度不規(guī)則體出現(xiàn)的季節(jié)性一致,也同時對比了Swarm星載朗繆爾探針的等離子體密度觀測數(shù)據(jù),證明了2015年5月6日之前的GPS信號中斷主要由小尺度電離層不規(guī)則體引起.如圖2所示,在2015年5月6日與2016年8月11日之間,GPS信號中斷事件出現(xiàn)了明顯的降低,但并未表現(xiàn)出顯著的季節(jié)和磁緯分布特征.在2016年8月11日之后,GPS信號中斷事件出現(xiàn)了明顯的增加,這些中斷事件近似均勻地分布在所有的緯度,但是未表現(xiàn)出明顯的季節(jié)特性.

圖3 GPS信號中斷事件隨磁緯與日期的分布Fig.3 Magnetic latitude and date distribution of the GPS signal loss events

如Xiong等(2018a)指出,Swarm衛(wèi)星GPS信號中斷在2016年8月11日前后表現(xiàn)出不同的時空分布特征,可能與Swarm星載接收機(jī)的相位鎖相環(huán)路(Phase Lock Loop, PLL)的帶寬增加有關(guān).Swarm衛(wèi)星接收機(jī)相位鎖相環(huán)路帶寬的調(diào)整主要是為了提高接收機(jī)在電離層閃爍條件下跟蹤鎖定GPS衛(wèi)星信號的穩(wěn)定性.當(dāng)GPS衛(wèi)星信號穿過電離層不規(guī)則體時,其載波會出現(xiàn)快速的相位起伏,并產(chǎn)生多普勒頻移.當(dāng)產(chǎn)生的頻移超過接收機(jī)載波相位鎖相環(huán)路帶寬時,接收機(jī)將無法繼續(xù)跟蹤GPS信號.Swarm星載接收機(jī)L2頻段的有限帶寬是導(dǎo)致磁赤道附近載波相位誤差增加、精密定軌及重力場反演產(chǎn)生相關(guān)偽影的原因(Van den Ijssel et al., 2016).但值得注意的是增大接收機(jī)相位鎖相環(huán)路帶寬的同時會增加載波相位觀測的熱噪聲.表1提供了Swarm三顆衛(wèi)星接收機(jī)的相位鎖相環(huán)路帶寬調(diào)整的時間表.

表1 Swarm 各衛(wèi)星的L2波段載波相位調(diào)整表Table 1 L2 band carrier phase adjustment table of Swarm satellites

Van den Ijssel等(2016)對Swarm衛(wèi)星2016年8月11日之前的數(shù)據(jù)分析表明,當(dāng)接收機(jī)相位鎖相環(huán)路帶寬從0.25 Hz增加至0.75 Hz時,可以有效提高接收機(jī)在電離層閃爍情況下的穩(wěn)定性,這與圖3中2015年5月6日與2016年8月11日之間GPS信號中斷事件出現(xiàn)明顯的降低結(jié)果一致.但在2016年8月11日可以看出Swarm C衛(wèi)星的接收機(jī)相位鎖相環(huán)路帶寬從0.75 Hz增加到了1.0 Hz之后,其接收機(jī)GPS信號中斷事件出現(xiàn)明顯增加,并且這些事件并未表現(xiàn)出和電離層小尺度不規(guī)則體一致的時空分布.這一結(jié)果表明當(dāng)接收機(jī)相位鎖相環(huán)路帶寬增加至1.0 Hz時,其帶來的載波相位觀測熱噪聲導(dǎo)致接收機(jī)產(chǎn)生了一些隨機(jī)的短時信號中斷.

2.2 GPS信號中斷事件的時空分布特征

由于Swarm C衛(wèi)星GPS信號中斷事件在其相位鎖相環(huán)路帶寬增加前后表現(xiàn)出不同的特征,因此在以下的統(tǒng)計(jì)中,我們將事件以2016年8月11日為界分成了前后兩個時期.需要指出的是雖然從2015年5月6日到2016年8月11日,其接收機(jī)的相位鎖相環(huán)路帶寬從0.25 Hz增加至0.75 Hz,但從圖3中可以看出,2015年5月6日至2016年8月11日期間GPS信號中斷事件很少,因此我們將這段時間與2015年5月6日之前進(jìn)行合并.

圖4展示了Swarm C衛(wèi)星GPS信號中斷事件在全球的發(fā)生率.我們先將兩段時期內(nèi)信號中斷事件按地理緯度和經(jīng)度進(jìn)行網(wǎng)格化(2°×5°),然后將衛(wèi)星在兩段時間內(nèi)的軌道數(shù)按照同樣的方式進(jìn)行網(wǎng)格化,這樣可以得到每個網(wǎng)格內(nèi)GPS信號中斷事件數(shù)與軌道總數(shù),進(jìn)而計(jì)算出每個網(wǎng)格內(nèi)信號中斷事件的發(fā)生率.從圖4a中可以看出,2014—2016年8月11日的信號中斷事件主要集中在極區(qū)及磁赤道兩側(cè)的電離層赤道異常區(qū)峰區(qū).該分布與Xiong等(2018a)的研究結(jié)果一致,這些信號中斷事件主要是由小尺度電離層不規(guī)則體引起.值得注意的是在中國東部地區(qū)也有一定的信號中斷事件發(fā)生,而同緯度的其他經(jīng)度扇區(qū)并未發(fā)現(xiàn)類似的情況.我們也將在本文的后面對發(fā)生在中國東部地區(qū)的信號中斷事件做進(jìn)一步的分析.

圖4 兩個時期的中斷事件的全球概率分布Fig.4 Global probability distribution of GPS signal loss events in two periods

圖4b展示了2016年8月11日之后的中斷事件在全球的發(fā)生率.從圖中可以看出中斷事件在北半球的發(fā)生率整體上要高于南半球,在北半球中緯度主要集中在美洲中東部、歐洲東部、和中國東部地區(qū),其中后兩個地區(qū)的發(fā)生率略高于美洲中東部地區(qū).其次在±55°及在±15°地理緯度,出現(xiàn)了四條發(fā)生率較高的緯度帶,其中±55°緯度的發(fā)生率略高于±15°緯度.2016年8月11日之后的中斷事件分布并未表現(xiàn)出明顯的地磁緯度依賴.此外,COSMIC-1衛(wèi)星在2007—2019年掩星觀測數(shù)量表現(xiàn)出了顯著的地理緯度依賴,其在±20°、±50°附近觀測值的數(shù)量均明顯高于其他緯度帶(Smirnov et al., 2021).這與圖4b中Swarm接收機(jī)信號中斷的緯度依賴特征一致.故Swarm接收機(jī)信號中斷在第二個時期內(nèi)對緯度的依賴也受到GPS衛(wèi)星軌道分布的影響.

圖5進(jìn)一步展示了Swarm C衛(wèi)星在兩個時期內(nèi)GPS信號中斷事件發(fā)生率隨磁緯與磁地方時的分布.對于前一個時期(圖5a),信號中斷主要出現(xiàn)在極區(qū)和低緯地區(qū).極區(qū)的中斷事件在兩個半球均出現(xiàn)在所有的地方時,但總體發(fā)生率在南半球略高于北半球;低緯地區(qū)的中斷事件主要出現(xiàn)在18—24磁地方時.該分布規(guī)律也與極區(qū)等離子體云塊(polar cap patch)及日落后低緯地區(qū)出現(xiàn)的赤道等離子體泡(Equatorial plasma bubble)隨地方時的發(fā)生規(guī)律一致.這一結(jié)果從統(tǒng)計(jì)上定性地證明了Swarm C衛(wèi)星在前一個時期內(nèi)GPS信號中斷的發(fā)生主要由電離層不規(guī)則體引起,與Xiong等(2018a)觀測結(jié)果一致.

圖5 中斷的磁緯磁地方時分布Fig.5 The distribution of magnetic latitude and magnetic local time of GPS signal loss events

在后一個時期內(nèi)(圖5b所示),信號中斷事件主要分布北半球中緯地區(qū),在南半球主要出現(xiàn)在磁緯0°～20°以及40°～60°.從地方時上看,信號中斷事件在兩個半球均主要出現(xiàn)在正午(12地方時)及午夜(0地方時)前后,而在黎明(06地方時)與黃昏(18)地方時發(fā)生率略低.在極區(qū)磁緯度約為±65°～±75°之間,GPS信號中斷事件分布呈現(xiàn)極小值.與圖4b相同,Swarm接收機(jī)信號中斷在第二個時期內(nèi)對磁緯的依賴也受到GPS衛(wèi)星軌道分布的影響.

圖6展示了兩個時期內(nèi)GPS信號中斷事件隨磁緯和太陽天頂角的變化.從圖中可以看出,在前一個時期信號中斷事件主要分布在高緯的太陽天頂角50°～120°以及低緯地區(qū)的太陽天頂角110°～160°范圍內(nèi).對比圖5a中斷事件在高緯地區(qū)覆蓋所有地方時,但其主要發(fā)生于太陽天頂角為50°～120°范圍內(nèi)(南北半球分布略有不同),表明這些中斷事件主要發(fā)生在當(dāng)太陽光線與Swarm衛(wèi)星近似在一水平面時(此時,太陽天頂角為90°).在低緯地區(qū),110°～160°的太陽天頂角意味著Swarm衛(wèi)星處于夜側(cè),大致對應(yīng)圖5a中的19—22地方時,再次表明該太陽天頂角范圍內(nèi)的中斷事件主要與日落后的赤道等離子體泡有關(guān).

圖6 中斷的太陽天頂角分布Fig.6 The distribution of solar zenith angle for GPS signal loss events

在后一個時期內(nèi)(圖6b),信號中斷事件的發(fā)生率在不同的緯度范圍表現(xiàn)出不同的分布特征.比如在高緯地區(qū)(大于±60°磁緯),中斷事件在兩個半球均主要發(fā)生在50°～120°的太陽天頂角范圍內(nèi),該分布特征與前一時期內(nèi)(圖6a)高緯地區(qū)中斷事件一致.但在中緯和更低緯度,信號中斷事件隨著緯度靠近磁赤道而出現(xiàn)在更低或更高的太陽天頂角,比如在磁赤道上,中斷事件主要出現(xiàn)在10°與170°太陽天頂角,使得信號中斷事件的發(fā)生率在磁緯與太陽天頂角的坐標(biāo)下呈現(xiàn)出一個菱形.

圖6b中展示的分布特征表明在后一個時期內(nèi),GPS信號中斷的發(fā)生與太陽天頂角有較強(qiáng)的關(guān)系.考慮到在不同的季節(jié),受運(yùn)行軌道限制,Swarm衛(wèi)星在同一緯度的太陽天頂角會有不同,信號中斷事件隨磁緯和太陽天頂角的分布可能存在季節(jié)依賴.我們進(jìn)一步將后一個時期內(nèi)所有的GPS信號中斷事件按照不同的月份劃分,結(jié)果如圖7所示.可以看出在磁緯和太陽天頂角坐標(biāo)下,信號中斷事件發(fā)生率在3月和9月份呈現(xiàn)近乎對稱的菱形,而在其他月份則呈現(xiàn)出平行四邊形分布,且平行四邊形的傾斜方向與季節(jié)有很強(qiáng)的依賴.比如在極區(qū),相比于當(dāng)?shù)氐亩?中斷事件在當(dāng)?shù)叵募靖鼉A向于出現(xiàn)在較小太陽天頂角;而在低緯度地區(qū),夏季半球的中斷事件所在的緯度則更低.

對比圖6a和圖7,我們發(fā)現(xiàn)在前一個時期內(nèi)也有少量的信號中斷事件隨磁緯與太陽天頂角呈現(xiàn)出相似的菱形分布.同時對比該時期內(nèi)高緯地區(qū)南北半球信號中斷事件,發(fā)現(xiàn)南半球事件所在的太陽天頂角比北半球事件所在的太陽天頂角略低,說明在前一個時期內(nèi)這些少量的信號中斷事件主要出現(xiàn)在冬至季節(jié)(參見圖7).

圖8進(jìn)一步展示了信號中斷事件隨GPS衛(wèi)星相對于Swarm衛(wèi)星的仰角及方位角的分布.其中圓心表示仰角為90°,GPS衛(wèi)星的仰角越低則距離圓心越遠(yuǎn);0°,90°,180°和270°方位角分表代表GPS衛(wèi)星處于Swarm衛(wèi)星的正北、正東、正南和正西方向.從圖中可以看出,信號中斷主要發(fā)生在GPS衛(wèi)星仰角較低時(小于20°).當(dāng)仰角較低時,GPS信號在電離層中穿越的距離較長,受到電離層影響更大;同時由于仰角較低時接收機(jī)接收到GPS信號的強(qiáng)度相對較低,因此其相對于高仰角的GPS信號更容易出現(xiàn)中斷.從方位角上來看,前一個時期信號中斷事件主要集中在120°～210°以及280°～320°.后一個時期主要分布在30°～150°以及210°～330°.

圖8 仰角方位角分布Fig.8 Elevation and azimuth distribution for the GPS signal loss events

我們進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了前后兩個時期的信號中斷事件在不同的GPS衛(wèi)星(對應(yīng)不同的PRN)上所發(fā)生的總次數(shù).從圖9中可以看出信號中斷事件的總數(shù)在第二個時期要遠(yuǎn)高于第一個時期,在兩個時期內(nèi)信號中斷主要發(fā)生在PRN編號為11、13、14、16、18、20、21和28的GPS衛(wèi)星(在第二個時期內(nèi)更明顯).通過進(jìn)一步查詢GPS衛(wèi)星的相關(guān)信息,我們發(fā)現(xiàn)這些信號丟失總數(shù)最多的GPS衛(wèi)星主要為Block ⅡR和Block ⅡA類型,是GPS系列衛(wèi)星里發(fā)射較早的一批.該結(jié)果表明越早發(fā)射的GPS衛(wèi)星更容易出現(xiàn)GPS信號中斷.

圖9 中斷事件prn分布Fig.9 Prn distribution of GPS signal loss events

2.3 中國東部地區(qū)

在2.2節(jié),我們主要介紹了Swarm C衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)GPS信號中斷事件的時空分布特征,并將這些信號中斷事件按照星載接收機(jī)鎖相環(huán)路帶寬增加前后分成了兩個時期.在前一個時期中(如圖4a所示),發(fā)生在高緯和電離層赤道異常區(qū)附近的GPS信號中斷事件與極區(qū)等離子體云塊以及赤道等離子體泡的時空發(fā)生規(guī)律一致.Xiong等(2018a)對這些事件作了詳細(xì)的分析,但是其并未對發(fā)生在中國東部地區(qū)的事件做深入的探討.從圖4a和圖4b中可以看出在前后兩個時期內(nèi),中國東部地區(qū)都是Swarm衛(wèi)星GPS信號中斷的高發(fā)區(qū)之一.因此,在本小節(jié)我們將重點(diǎn)討論發(fā)生在中國東部地區(qū)的GPS信號中斷事件.在這里,我們?nèi)匀粚⑿盘栔袛嗍录殖闪饲昂髢蓚€時期.

圖10a和圖10b展示了Swarm衛(wèi)星發(fā)生在中國東部地區(qū)GPS信號中斷事件隨年積日的分布.可以發(fā)現(xiàn),前一個時期的中斷事件主要分布在6—8月份,對應(yīng)北半球的夏季.后一個時期的中斷事件發(fā)生數(shù)明顯增多,兩至季節(jié)的事件數(shù)略高于春秋分.圖10c和圖10d展示了這些信號中斷事件隨磁地方時分布.顯然前一個時期的中斷事件呈現(xiàn)更為顯著的磁地方時依賴,即傾向于發(fā)生在正午,而后一個時期則近似均勻分布在所有的地方時.

圖10 中國東部地區(qū)中斷事件分析Fig.10 Analysis of GPS signal loss events in eastern China

圖10e和圖10f給出中國東部區(qū)域中斷事件的仰角方位角分布與全球中斷事件的仰角分布情況一致,兩個時期信號中斷事件主要分布在低仰角范圍內(nèi).從方位角來看,前一個時期中斷事件主要集中在方位角50°～70°、110°～150°以及290°～320°.后一個時期中斷事件主要分布在40°～70°、110°～150°以及260°～320°.兩個時期中斷事件的方位角依賴大致相同.

日落后的赤道等離子體泡在水平二維平面上經(jīng)常表現(xiàn)出傾斜的“倒C型”結(jié)構(gòu)(“anti-C” shell structure, Kil et al., 2009).然而,如 Huba等(2009)所指出的那樣,取決于背景緯向風(fēng)的方向與大小,赤道等離子體泡的殼型結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出不同的傾斜角度,比如“C型”.當(dāng)GPS衛(wèi)星至Swarm衛(wèi)星連線與赤道等離子體泡的傾斜方向平行時,信號受等離子體泡影響最大.對于“倒C型”結(jié)構(gòu)的赤道等離子體泡,信號中斷事件將主要出現(xiàn)在西北和西南方向;而對于“C型”結(jié)構(gòu)的赤道等離子體泡,信號中斷事件將主要出現(xiàn)在東北和東南方向.

在中緯度,該地區(qū)存在的典型電離層不規(guī)則體為中尺度行進(jìn)式電離層擾動(MSTID),已有的觀測表明在北半球MSTID的波陣面?zhèn)鞑シ较蛞仓饕獮闁|北-西南方向.當(dāng)GPS衛(wèi)星至Swarm衛(wèi)星信號傳播路徑與MSTID的波陣面?zhèn)鞑シ较蚱叫袝r,Swarm衛(wèi)星接收到的GPS信號更容易出現(xiàn)中斷.

綜上所述,Swarm衛(wèi)星接收機(jī)信號中斷概率的方位角分布可能與電離層不規(guī)則體的三維形態(tài)有關(guān).

圖10g和圖10h描述的是這些中斷事件隨GPS衛(wèi)星PRN分布情況.可以明顯地看出,后一個時期的中斷事件明顯增多.前后兩個時期的中斷事件皆主要發(fā)生在PRN編號為11、13、14、16、18、20、21和28的GPS衛(wèi)星.這一特征與全球范圍的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致,說明運(yùn)行年限較長的GPS衛(wèi)星更容易發(fā)生中斷事件.

3 GPS信號中斷與等離子體密度起伏梯度的關(guān)系

Xiong等(2018a)指出了Swarm衛(wèi)星星載接收機(jī)出現(xiàn)GPS信號中斷與衛(wèi)星軌道上出現(xiàn)的等離子體密度起伏的絕對梯度有直接的關(guān)系,但其只使用了本研究中第一階段的數(shù)據(jù).相比于第一個時期,第二個時期內(nèi)Swarm星載接收機(jī)GPS信號中斷出現(xiàn)的頻次更高;另外,Xiong等(2018a)并未討論發(fā)生在中國東部地球的中斷事件與背景等離子體密度起伏的關(guān)系.因此在本小節(jié)中,我們將主要對發(fā)生在中緯地區(qū),特別是發(fā)生在中國東部地區(qū)的GPS信號中斷事件進(jìn)行分析.

圖11a和圖11b給出兩個發(fā)生在中國東部地區(qū)GPS信號中斷的典型事例.圖11a表明在北緯50°附近,電子密度呈現(xiàn)急劇擾動,而GPS接收機(jī)在某些通道上出現(xiàn)了同步的信號中斷;圖11b在緯度40°—50°處出現(xiàn)相似的密度擾動及GPS信號中斷.該結(jié)果表明發(fā)生在中緯地區(qū)的GPS信號中斷事件與背景電子密度起伏間可能存在一定的聯(lián)系.

對圖5中顯示的南北半球中緯度地區(qū)和中國東部地區(qū)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì).其中對南北半球中緯度地區(qū)的中斷事件,只分析后一個時期的情況.由于中國東部地區(qū)是主要研究區(qū)域,故統(tǒng)計(jì)兩個時期的中斷事件的情況.

我們首先對發(fā)生在北半球中緯地區(qū)的GPS信號中斷事件進(jìn)行分析.將中斷軌道和未中斷軌道的電子密度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分析兩個時期內(nèi)兩類電子密度數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)上的差異.每類電子密度數(shù)據(jù)在北緯15°—60°的緯度范圍內(nèi),將緯度以0.1°為間隔分為451個緯度點(diǎn),并計(jì)算電子密度在每個緯度點(diǎn)上的四分位數(shù)線.圖12a和圖12b分別顯示了該地區(qū)有、無GPS信號中斷事件的軌道其對應(yīng)電子密度的四分位數(shù)線.將圖12進(jìn)行放大后發(fā)現(xiàn),圖12a的三條四分位數(shù)線比圖12b的要粗糙一些.圖12b的三條四分位數(shù)線比圖12a的光滑一些.但這并不是很明顯,所以接下來對兩類軌道對應(yīng)的電子密度四分位數(shù)線的波動程度做進(jìn)一步分析,以驗(yàn)證這一結(jié)論.

圖12 電子密度四分位數(shù)線Fig.12 Quartile plot of electron density

我們定義一個變量Z,用來描述曲線的波動程度.將四分位數(shù)線上的451個四分位數(shù)組成的向量做一階差分,得到一階差分向量.對差分向量的分量進(jìn)行處理,當(dāng)分量與前一個分量異號時,取該分量的絕對值.計(jì)算所有滿足條件的分量絕對值之和,并除以一階差分向量的維數(shù).此商即為波動指數(shù)Z.具體計(jì)算過程如下:

X=[x1,x2,…,xn],

(1)

Δxi=xi+1-xi,i=1,2,…,n-1,

(2)

ΔX=[Δx1,Δx2,…,Δxn-1],

(3)

(4)

(5)

式(1)中,X為一條四分位數(shù)線在451個緯度點(diǎn)處的四分位數(shù)組成的向量.式(3)中的ΔX為對X做一階差分得到的一階差分向量.式(4)為一個自設(shè)的系數(shù)函數(shù),可作用于ΔX的分量,如式(5)所示.當(dāng)ΔX的分量與前一個分量異號,或前一個分量為0時,計(jì)入此分量的絕對值.波動指數(shù)Z為計(jì)入的絕對值總和對差分向量維數(shù)的平均值.變量Z可以在一定程度上描述曲線的平均波動程度.

對圖12中兩類軌道的電子密度四分位數(shù)線的一階差分進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì),并結(jié)合變量Z進(jìn)行進(jìn)一步分析.圖13的a、b和c給出后一時期的兩類電子密度數(shù)據(jù)的四分之一分位數(shù)線、中位數(shù)線、和四分之三分位數(shù)線的一階差分的頻率分布直方圖.以圖13a為例,上半部分為中斷軌道電子密度四分之一分位數(shù)線的一階差分頻率直方圖,下半部分為非中斷軌道對應(yīng)的一階差分頻率直方圖.從圖中可以看出中斷軌道的電子密度一階差分值的分布比未中斷軌道的范圍大,且更為分散.未中斷軌道的一階差分值較為集中地分布在一個更小的范圍內(nèi).并且中斷軌道電子密度四分之一分位數(shù)線的波動指數(shù)Z=271.173,而未中斷軌道的波動指數(shù)Z=4.8558.這充分地表明了中斷事件與電子密度波動有極強(qiáng)的關(guān)系.圖13的(b)和(c)與(a)的情況相同,對于出現(xiàn)GPS信號中斷的軌道,其對應(yīng)的電子密度各分位數(shù)線均呈現(xiàn)出更加劇烈的起伏.

圖13 存在GPS信號丟失事件的軌道(上)與不存在GPS信號丟失事件的軌道(下)所對應(yīng)的電子密度其一階差分頻率直方圖Fig.13 Occurrence histogram of the first order difference of electron density measured by Swarm for the orbits (top) with and (bottom) without GPS signal loss events

采用相同的方法,我們分別對后一個時期出現(xiàn)在南半球中緯度地區(qū)、及中國東部地區(qū)(選取北緯30°—60°且經(jīng)度100°E—135°E)的中斷事件進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在兩個區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)GPS信號中斷軌道對應(yīng)的電子密度四分之一位數(shù)、四分之三位數(shù)和中位數(shù)線的波動比未出現(xiàn)GPS信號中斷軌道對應(yīng)的電子密度分位數(shù)起伏的要劇烈.由于這些結(jié)果與圖12和圖13中展示的結(jié)果一致,這里不再重復(fù).

綜合上述分析,對于后一個時期發(fā)生在南、北半球中緯地區(qū)(包括中國東部和歐洲中緯度地區(qū)),Swarm衛(wèi)星觀測到的星載接收機(jī)GPS信號中斷事件與背景電子密度的絕對起伏程度有關(guān).該結(jié)果與前一個時期Swarm衛(wèi)星在低緯與高緯地區(qū)出現(xiàn)GPS信號中斷的原因一致(Xiong et al., 2016, 2018a).

4 結(jié)論

本文利用Swarm衛(wèi)星近9年(2014年1月至2022年9月)的觀測數(shù)據(jù),重點(diǎn)研究發(fā)生在中緯度地區(qū)的GPS信號中斷事件發(fā)生規(guī)律及其與背景等離子體密度起伏間的關(guān)系.主要發(fā)現(xiàn)總結(jié)如下:

(1)Swarm衛(wèi)星在其接收機(jī)鎖相環(huán)帶寬從0.75 Hz調(diào)整至1.0 Hz前后,GPS信號中斷事件表現(xiàn)出不同的時空分布特征.在前一個時期,2014年1月1日至2016年8月11日,GPS信號中斷事件主要分布在低緯磁赤道附近和高緯極區(qū)附近,少量中斷事件分布在中國東部地區(qū);而在后一個時期,2016年8月12日至2022年9月30日,GPS信號中斷事件的則出現(xiàn)在了所有的緯度,同時表現(xiàn)出顯著的經(jīng)度差異.前一個時期內(nèi)GPS信號中斷事件表現(xiàn)出了明顯的季節(jié)依賴,而后一個時期內(nèi)的GPS信號中斷事件則出現(xiàn)了無季節(jié)特性的彌散狀分布.該結(jié)果表明當(dāng)Swarm星載接收機(jī)鎖相環(huán)帶寬調(diào)整至1 Hz時,雖然提升了其應(yīng)對電離層閃爍條件下多普勒頻移的能力,但同時也增加了接收機(jī)載波相位觀測的熱噪聲,進(jìn)而導(dǎo)致接收機(jī)產(chǎn)生了一些隨機(jī)的短時信號中斷.

(2)兩個時期內(nèi)發(fā)生在中緯度地區(qū)的GPS信號中斷事件表現(xiàn)出了相似的仰角及方位角依賴性.比如,這些信號中斷事件主要均集中在低仰角區(qū)域(<20°),而在方位角主要出現(xiàn)在40°～70°、110°～150°和260°～320°附近.在后一個時期內(nèi),GPS信號中斷事件也表現(xiàn)出了明顯的太陽天頂角依賴,該依賴關(guān)系與緯度和季節(jié)有關(guān).

(3)Swarm衛(wèi)星GPS信號中斷事件也表現(xiàn)出了對GPS衛(wèi)星本身的依賴.在兩個時期內(nèi),這些信號中斷主要發(fā)生在發(fā)射較早的Block ⅡR和Block ⅡA類型GPS衛(wèi)星上.該結(jié)果暗示了隨著發(fā)射年限的增加與星載設(shè)備的老化,GPS衛(wèi)星的穩(wěn)定性會逐漸降低.

(4)通過進(jìn)一步對比分析Swarm衛(wèi)星出現(xiàn)與未出現(xiàn)GPS信號中斷軌道對應(yīng)的原位電子密度觀測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)GPS信號中斷的軌道其對應(yīng)的電子密度波動更劇烈,表明背景等離子體密度的梯度強(qiáng)度也是引起中緯地區(qū)出現(xiàn)Swarm星載接收機(jī)GPS信號中斷的重要原因.

致謝本研究受湖北珞珈實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)基金(220100011),國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(42174191)及中歐龍計(jì)劃項(xiàng)目(59236)聯(lián)合資助.文中使用的Swarm 衛(wèi)星的數(shù)據(jù)來自https:∥earth.esa.int/web/guest/swarm/data-access.