地磁暴期間電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)及GNSS定位性能分析

桑文剛，婁廣振，張興國(guó)，田茂榮，張國(guó)威

( 1. 山東建筑大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院, 濟(jì)南 250101；2. 濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院, 濟(jì)南 250101；3. 山東省國(guó)土測(cè)繪院, 濟(jì)南 250101 )

0 引言

地磁暴，即地球近空間環(huán)境中的大規(guī)模擾動(dòng)，是由太陽(yáng)活動(dòng)引發(fā)增強(qiáng)的太陽(yáng)風(fēng)及其與磁層-電離層-熱層系統(tǒng)的相互作用引起的[1].熱層狀態(tài)的改變使全球電離層劇烈變化，引發(fā)全球范圍的電離層暴，使穿過(guò)電離層的無(wú)線電信號(hào)振幅、相位等發(fā)生短周期不規(guī)則變化，嚴(yán)重扭曲現(xiàn)有GNSS 的電離層模型[2]，進(jìn)而影響GNSS 信號(hào)的傳播.目前處于太陽(yáng)周期的太陽(yáng)活動(dòng)上升期，磁暴頻發(fā)，電離層擾動(dòng)增多，因此，對(duì)磁暴期間電離層擾動(dòng)及導(dǎo)航定位受擾情況研究分析需求迫切[3].

目前已有大量文獻(xiàn)對(duì)磁暴期間電離層擾動(dòng)和導(dǎo)航定位受擾情況進(jìn)行了分析.Wielgoze 等[4]針對(duì)2003 年10 月29 日的超級(jí)風(fēng)暴進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)載波相位差分技術(shù)(real-time kinematic,RTK)瞬時(shí)模糊度解算成功率由94%降至31%.Jacobsen 等[5]對(duì)2011 年10 月24 日磁暴期間挪威地區(qū)網(wǎng)絡(luò)RTK 定位研究表明磁暴期間網(wǎng)絡(luò)RTK 定位誤差隨電離層電子含量變化率指數(shù)(rate of TEC index，ROTI)呈指數(shù)增加.隨著精密單點(diǎn)定位(precise point positioning,PPP)技術(shù)的發(fā)展，Jacobsen[6]團(tuán)隊(duì)又在2015 年磁暴期間引入了對(duì)挪威地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)RTK 定位與PPP影響的對(duì)比分析，研究發(fā)現(xiàn)，這兩種技術(shù)在磁暴期間均受?chē)?yán)重影響，但PPP 在同等受干擾條件下精度優(yōu)于網(wǎng)絡(luò)RTK.中國(guó)學(xué)者對(duì)電離層擾動(dòng)及導(dǎo)航定位受干擾做的一系列研究起步較晚.2007 年Zhang 等[7]就研究了中國(guó)低緯地區(qū)GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)周跳的發(fā)生與季節(jié)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)周跳發(fā)生與電離層季節(jié)變化有關(guān).Chen 等[8]利用中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(Crustal Movement Observation Network of China，CMONOC)的GNSS 觀測(cè)數(shù)據(jù)反演中國(guó)區(qū)域上空電離層總電子含量(total electron content，TEC)，并利用計(jì)算機(jī)三維層析建模技術(shù)對(duì)2015 年一次大磁暴期間的中國(guó)區(qū)域電離層擾動(dòng)進(jìn)行了建模分析.全林等[9]利用CMONOC的GPS L1 頻點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析了不同磁暴期間的中國(guó)及周邊區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位精度受擾情況，研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)及周邊區(qū)域磁暴期間低緯地區(qū)更易出現(xiàn)定位誤差極值.王格等[10]基于加拿大CHAIN 觀測(cè)網(wǎng)接收機(jī)輸出的GPS L1 波段電離層閃爍指數(shù)及雙頻接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)北半球高緯度地區(qū)電離層閃爍、擾動(dòng)特征及對(duì)導(dǎo)航定位的影響開(kāi)展了分析，研究表明北半球高緯度地區(qū)磁暴期間PPP 誤差顯著增大.Luo 等[11]分析了全球500 余個(gè)國(guó)際GNSS 服務(wù)(International GNSS Service，IGS)站在中、強(qiáng)、超強(qiáng)磁暴期間GPS PPP 定位性能受擾程度及空間分布規(guī)律，并對(duì)磁暴期間觀測(cè)數(shù)據(jù)的周跳進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.Nie 等[12]進(jìn)一步研究了電離層對(duì)太陽(yáng)耀斑的響應(yīng)，從電離層擾動(dòng)對(duì)GNSS 數(shù)據(jù)處理影響的角度，揭示了衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度降低的機(jī)制.

以上已有研究?jī)H對(duì)磁暴對(duì)導(dǎo)航定位影響做了時(shí)空分析，未對(duì)測(cè)站原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量作進(jìn)一步分析，磁暴期數(shù)據(jù)質(zhì)量改善以削弱電離層擾動(dòng)對(duì)GNSS性能的影響缺乏參考.為探究磁暴期電離層TEC 變化與測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量變化及對(duì)GPS PPP 定位性能影響的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為磁暴期GNSS 性能改善提供一定的參考，針對(duì)2018 年8 月26 日地磁暴事件，本文選取部分具有代表性的IGS 觀測(cè)站的GPS 雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)以及全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)地磁暴期間北半球范圍的電離層響應(yīng)及其對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量和精密定位的影響進(jìn)行分析和討論.

1 數(shù)據(jù)與指標(biāo)選取

2018 年為太陽(yáng)活動(dòng)低年，穩(wěn)定的太陽(yáng)輻射條件更易于大磁暴事件的分析.2018 年年積日第232 天，日面爆發(fā)日冕物質(zhì)拋射事件，其與冕洞共同作用引發(fā)了五天后地球磁場(chǎng)的強(qiáng)烈擾動(dòng)，年積日第238—240 天地磁暴水平達(dá)到2018 年的最高值.此次大磁暴過(guò)程如圖1 所示，從上到下分別指出了地磁活動(dòng)指數(shù)Dst、KP，兩根紅色豎線標(biāo)示出此次地磁暴事件.年積日237 天00:00UTC 開(kāi)始，Dst指數(shù)緩慢上升為正值，進(jìn)入初始相階段，此時(shí)KP指數(shù)較低；約在年積日238 天00:00UTC 至07:00UTC，Dst指數(shù)急劇降低，KP指數(shù)增大，磁暴進(jìn)入主相階段；之后KP指數(shù)逐漸下降，Dst指數(shù)呈現(xiàn)恢復(fù)正常狀態(tài)，磁暴進(jìn)入恢復(fù)相階段.

圖1 年積日第233—243 天地磁活動(dòng)指數(shù)變化

磁暴日期確定后，計(jì)算基于衛(wèi)星導(dǎo)航的電離層監(jiān)測(cè)參數(shù)電離層TEC，采用IGS 提供的年積日第237、238 天全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)由CODE、UPC、JPL、ESA 提供的最終電離層產(chǎn)品加權(quán)平均求得，空間經(jīng)緯度分辨率為5°×2.5°，時(shí)間分辨率為2h，具有相對(duì)較高的精度.為詳細(xì)分析磁暴日TEC 的時(shí)空變化特征，基于IGS GIM 數(shù)據(jù)計(jì)算了磁暴日2018 年8 月26 日與磁暴前8 月21 日至24 日磁靜日的TEC 均值差值.?TEC表達(dá)式為[13]

式中：TGIM238為磁暴日238 天全球TEC；為暴靜日233—236 天全球TEC 均值.

磁暴期間不同緯度電離層擾動(dòng)規(guī)律不同，為研究不同緯度區(qū)域GNSS 性能變化，在歐亞板塊高、中、低三個(gè)緯度帶選取代表地區(qū)，在各代表地區(qū)內(nèi)相對(duì)均勻地選取IGS 站，測(cè)站分布如圖2 所示.獲取IGS 站GPS 的標(biāo)準(zhǔn)采樣間隔(30s)觀測(cè)數(shù)據(jù)和廣播星歷信息，用于磁暴期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析和定位精度分析.

圖2 IGS 測(cè)站地理分布

周跳比和數(shù)據(jù)完整率是反映GNSS 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)蓚€(gè)重要的指標(biāo).其中，周跳比是反映接收機(jī)載波相位測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，周跳比越大，觀測(cè)數(shù)據(jù)中周跳越少，其計(jì)算公式為[14]

式中：RS為周跳比；HO為觀測(cè)歷元數(shù)；SO為含周跳歷元數(shù).

由于各測(cè)站周跳比數(shù)值水平不同，直接進(jìn)行數(shù)值對(duì)比無(wú)法體現(xiàn)各測(cè)站周跳比變化，所以選擇計(jì)算周跳比變化率來(lái)反映各測(cè)站周跳比的變化程度.其計(jì)算公式為

式中：Pi為某天的周跳比變化率；RS i為磁暴期間某天的周跳比；為磁靜日233—236 天的周跳比均值.

數(shù)據(jù)完整率反映了觀測(cè)時(shí)段內(nèi)接收機(jī)接收到GPS 數(shù)據(jù)的完整性，如果數(shù)據(jù)完整率太低，會(huì)使定位處理結(jié)果得不到相應(yīng)固定解.數(shù)據(jù)完整率定義為觀測(cè)時(shí)段內(nèi)接收機(jī)觀測(cè)到衛(wèi)星的實(shí)際歷元數(shù)據(jù)量與理論歷元數(shù)據(jù)量的比值，其計(jì)算公式為

式中：RO為數(shù)據(jù)完整率；HO為觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)接收機(jī)生成觀測(cè)文件中實(shí)際記錄觀測(cè)歷元數(shù)量；EO為觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)理論觀測(cè)歷元數(shù).

對(duì)數(shù)據(jù)完整率這一指標(biāo)的處理策略是將各測(cè)站磁靜日233—236 天的數(shù)據(jù)完整率進(jìn)行平均取值，然后將磁暴期間237—239 天完整率與測(cè)站磁靜日均值相減計(jì)算磁暴日與磁靜日較差反映磁暴期間數(shù)據(jù)完整率變化情況.其計(jì)算公式為

式中：R?i為完整率較差；ROi為磁暴期間某天數(shù)據(jù)完整率；為磁靜日數(shù)據(jù)完整率均值.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 TEC 時(shí)空變化分析

圖3 基于全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算了各測(cè)站上空時(shí)間分辨率為1h 的TEC 值，根據(jù)圖3 測(cè)站TEC計(jì)算結(jié)果可知，磁暴日237 天之前各測(cè)站TEC 值變化趨勢(shì)遵循電離層TEC 天變化規(guī)律，未出現(xiàn)異常擾動(dòng).238 天磁暴主相階段，高緯測(cè)站TEC 不再遵循電離層TEC 日變化規(guī)律.首先在夜間發(fā)生正向擾動(dòng)，各測(cè)站TEC 最小值較磁靜日同時(shí)段增大2~4TECU，其中TRO1、SOD3、KIRU 測(cè)站TEC 值甚至出現(xiàn)夜間反常升高；進(jìn)入日半球時(shí)間后，高緯地區(qū)各測(cè)站TEC 值未遵循電離層TEC 日變化規(guī)律隨日照時(shí)間增大，而是出現(xiàn)了TEC 值的不規(guī)律跳變，跳變中TEC 值的劇烈下降，表現(xiàn)出了測(cè)站上空電離層較強(qiáng)的負(fù)相擾動(dòng).通過(guò)對(duì)磁暴期間高緯地區(qū)測(cè)站TEC 值的分析，可以發(fā)現(xiàn)磁暴期間本文研究的高緯地區(qū)各測(cè)站上空電離層擾動(dòng)劇烈，夜間正相擾動(dòng)為主，日半球時(shí)間又表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相擾動(dòng).中低緯地區(qū)各測(cè)站在太陽(yáng)直射和磁暴共同作用下TEC 峰值增大明顯，正相擾動(dòng)明顯，但變化規(guī)律遵循電離層TEC 日變化規(guī)律.

圖3 測(cè)站TEC 值

圖4 給出了磁暴日238 天相較于233—236 天的全球電離層均值TEC 變化.由圖3 可以看出，年積日238 天00:00—04:00UTC 電離層正暴效應(yīng)明顯，大部分區(qū)域電離層TEC 出現(xiàn)一定程度的增加，其中南半球太陽(yáng)直射的低緯度地區(qū)TEC 增加數(shù)值水平較高.從04:00UTC 開(kāi)始，研究選取的高緯測(cè)站所在的高緯地區(qū)負(fù)暴效應(yīng)開(kāi)始顯現(xiàn)，06:00—12:00UTC 負(fù)暴效應(yīng)增強(qiáng)，由高緯地區(qū)向無(wú)太陽(yáng)直射的低緯區(qū)域擴(kuò)展，電離層TEC 下降0~6TECU.與此同時(shí)，隨著地球自轉(zhuǎn)，研究選取的中低緯測(cè)站所在的太陽(yáng)直射的中低緯地區(qū)正暴效應(yīng)持續(xù)增強(qiáng)，最大TEC 變化值在18~25TECU 之間.12:00UTC 之后，磁暴進(jìn)入恢復(fù)相階段，恢復(fù)相階段太陽(yáng)直射區(qū)域正暴效應(yīng)也逐漸消失，其余區(qū)域負(fù)暴效應(yīng)繼續(xù)發(fā)展，且分布規(guī)律在南北半球存在差異，南半球負(fù)暴效應(yīng)分布范圍較大，北半球僅在非太陽(yáng)直射的中低緯地區(qū)存在負(fù)暴效應(yīng)，電離層TEC 下降最為明顯的區(qū)域在南半球中緯地區(qū)，達(dá)到-12TECU.

2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

對(duì)GNSS 觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，選取研究區(qū)域各IGS 站的周跳比變化率、數(shù)據(jù)完整率兩個(gè)指標(biāo)，對(duì)其磁暴前至磁暴期間做一個(gè)時(shí)間序列的變化規(guī)律分析，表1 為數(shù)據(jù)質(zhì)量分析過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置及處理策略.

表1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析參數(shù)設(shè)置及處理策略

圖5 給出了高、中、低緯地區(qū)周跳比數(shù)值變化率.自年積日237 天磁暴急始，高緯度地區(qū)各測(cè)站周跳比開(kāi)始出現(xiàn)下降，年積日238 天磁暴主相日除SOD3 測(cè)站外其余測(cè)站周跳比下降率達(dá)到最大，TRO1 測(cè)站周跳比下降61.84%，程度最為劇烈.年積日239 天磁暴恢復(fù)相期間除SOD3 測(cè)站外其余各測(cè)站周跳比相較于233—236 天磁靜日仍都處于較低水平.磁暴期間中低緯地區(qū)的測(cè)站周跳比并未表現(xiàn)出明顯的下降，低緯地區(qū)HKWS 測(cè)站在磁暴主相年積日238 天出現(xiàn)了周跳比的大幅升高.通過(guò)對(duì)磁暴期間各測(cè)站周跳比變化率的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)高緯地區(qū)測(cè)站周跳發(fā)生率對(duì)電離層擾動(dòng)響應(yīng)明顯，中低緯測(cè)站周跳發(fā)生率與磁暴期間電離層擾動(dòng)相關(guān)性不強(qiáng).結(jié)合Cherniak[15]磁暴發(fā)生時(shí)高緯度地區(qū)電離層擾動(dòng)和閃爍發(fā)生率急劇增加的結(jié)論及王格[10,16]和朱軍桃等[17]對(duì)于本次磁暴期間北半球高緯度地區(qū)電離層擾動(dòng)的研究，推測(cè)圖3 高緯地區(qū)電離層異常擾動(dòng)主要是電離層閃爍引起，而磁暴期間電離層劇烈擾動(dòng)導(dǎo)致對(duì)設(shè)置固定閾值的周跳探測(cè)模型影響增大，固定閾值探測(cè)周跳在電離層擾動(dòng)期間約束過(guò)緊，容易將電離層擾動(dòng)中的電離層閃爍探測(cè)為周跳[18].分析高緯地區(qū)電離層擾動(dòng)對(duì)于周跳的影響機(jī)制，需通過(guò)對(duì)各區(qū)域電離層閃爍作進(jìn)一步研究.

圖5 周跳比變化率統(tǒng)計(jì)

圖6 對(duì)磁暴期間237—239 三天各測(cè)站數(shù)據(jù)完整率與磁靜日均值進(jìn)行較差統(tǒng)計(jì).根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，磁暴急始237 天高緯地區(qū)相較于磁靜日數(shù)據(jù)完整率均值出現(xiàn)不同程度下降，其中TRO1 測(cè)站下降達(dá)15.18%，而中低緯地區(qū)數(shù)據(jù)完整率出現(xiàn)下降的測(cè)站較少且下降幅度較小.年積日238 天相較于磁靜日高緯地區(qū)的數(shù)據(jù)完整率繼續(xù)下降且下降幅度增大，其中TRO1站下降達(dá)38.65%，中低緯地區(qū)測(cè)站除中緯的URUM站和BJFS 站外，其余測(cè)站也開(kāi)始出現(xiàn)數(shù)據(jù)完整率下降的情況.年積日239 天與磁靜日相比全部測(cè)站的數(shù)據(jù)完整率下降0.68%~4.02%，除TRO1、PTGG 兩個(gè)測(cè)站外，所有測(cè)站的下降幅度比年積日237、238 天都略有增大.以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：磁暴期間電離層異常擾動(dòng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率的影響規(guī)律為高緯地區(qū)最先響應(yīng)，中低緯地區(qū)的響應(yīng)存在一定延遲，電離層擾動(dòng)對(duì)全球IGS 觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整率的影響具有一定的持續(xù)性.高緯地區(qū)電離層擾動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)完整率下降迅速且部分測(cè)站下降較大，主要原因可能是電離層擾動(dòng)中頻繁的電離層閃爍；中低緯地區(qū)磁暴期間及磁暴后一天測(cè)站上空TEC 數(shù)值一直處于較高水平，GNSS信號(hào)傳播路徑上自由電子濃度的升高，信號(hào)穿透電離層時(shí)易衰落，可能是該研究區(qū)域內(nèi)測(cè)站數(shù)據(jù)完整率下降的主要原因.電離層擾動(dòng)對(duì)高中低緯測(cè)站的數(shù)據(jù)完整率都有一定影響，電離層擾動(dòng)中數(shù)據(jù)完整率的響應(yīng)規(guī)律及其影響機(jī)制仍需在以后的研究中作進(jìn)一步分析.

圖6 數(shù)據(jù)完整率較差統(tǒng)計(jì)

2.3 磁暴對(duì)精密定位影響分析

基于動(dòng)態(tài)PPP 模式測(cè)試結(jié)果在數(shù)據(jù)質(zhì)量分析基礎(chǔ)上，選取高、中、低緯度地區(qū)部分測(cè)站進(jìn)一步分析磁暴期間電離層異常對(duì)北半球精密定位精度的影響.取磁靜日靜態(tài)PPP 解算結(jié)果均值作為測(cè)站坐標(biāo)真值，分析動(dòng)態(tài)PPP 解算的坐標(biāo)值與真值在東(east，E)、北(north，N)、天頂(up，U)三個(gè)方向上的誤差變化.表2 列出了PPP 解算過(guò)程中各項(xiàng)誤差具體的處理策略.

表2 GPS 精密單點(diǎn)定位處理策略

由圖7 可知，年積日237 天18:00UTC 左右，高緯地區(qū)的NYAL、TRO1、KIRU、SOD3 測(cè)站定位結(jié)果不再收斂，TRO1 測(cè)站觀測(cè)停止.KIRU、SOD3 測(cè)站定位結(jié)果不收斂持續(xù)至238 天21:00UTC 左右，在U 方向誤差達(dá)數(shù)十米.結(jié)合圖3、圖4 電離層擾動(dòng)規(guī)律分析，定位結(jié)果偏差時(shí)段與TEC 異常時(shí)段相對(duì)應(yīng)，且磁靜日高緯測(cè)站動(dòng)態(tài)PPP 解算結(jié)果收斂無(wú)較大誤差，排除其他因素影響，基本可以確定這幾個(gè)測(cè)站的定位誤差較大是由磁暴期間電離層異常引起的.磁暴恢復(fù)相239 天NYAL、TRO1、KIRU 測(cè)站仍然存在不收斂的時(shí)段，SOD3 測(cè)站定位結(jié)果收斂，相較于年積日237、238 天磁暴主相日高緯測(cè)站定位結(jié)果有明顯改善.磁暴主相期間中低緯地區(qū)及高緯地區(qū)MAR6測(cè)站定位結(jié)果收斂.

圖7 年積日237—239 天各測(cè)站E、N、U 三個(gè)方向誤差時(shí)間序列

圖8 給出了研究區(qū)域內(nèi)三個(gè)緯度帶各測(cè)站在磁暴期間(237—239 天)定位誤差的均方根(root mean square,RMS)，表明磁暴期間中低緯地區(qū)測(cè)站定位性能未受明顯影響.由圖8(a)可知，高緯度區(qū)域測(cè)站KIRU、SOD3、SVTL 測(cè)站U 方向RMS 值接近1m，結(jié)合圖7 的收斂誤差可以看出，年積日237 天高緯度以上測(cè)站受到磁暴影響導(dǎo)致RMS 值偏大，高緯地區(qū)GPS 定位性能受電離層擾動(dòng)開(kāi)始變差.由圖8(b)可以看出，高緯度地區(qū)NYAL、TRO1、KIRU、SOD3 四個(gè)測(cè)站在年積日238 天定位誤差RMS 達(dá)到峰值，E 方向最大值達(dá)0.48m，N 方向上最大值達(dá)0.74m，U 方向上最大值達(dá)1.78m.四個(gè)測(cè)站E 方向RMS 值增長(zhǎng)2.18~2.62 倍，平均增長(zhǎng)2.45 倍；N 方向增長(zhǎng)1.11~2.82 倍，平均增長(zhǎng)2.2 倍；U 方向增長(zhǎng)2.29~4.25 倍，平均增長(zhǎng)2.88 倍.通過(guò)對(duì)以上RMS 計(jì)算分析可看出，在施加精密改正信息下磁暴導(dǎo)致的電離層擾動(dòng)仍大幅度降低了高緯度四個(gè)測(cè)站的GPS 定位精度，且對(duì)U 方向定位結(jié)果影響最大.根據(jù)圖8(c)可以看出，在年積日239 天磁暴恢復(fù)相期間高緯地區(qū)所有測(cè)站RMS 相較于年積日238 天大幅下降，印證了磁暴期間電離層擾動(dòng)對(duì)高緯地區(qū)GPS 定位性能的實(shí)時(shí)影響.中低緯地區(qū)HKWS 測(cè)站在E、U 方向上RMS 明顯增大，U 方向RMS 超過(guò)0.5m.結(jié)合圖5 周跳比及圖6數(shù)據(jù)完整率分析，電離層劇烈擾動(dòng)下由于過(guò)多周跳引起的模糊度參數(shù)頻繁初始化造成模糊度難以固定，以及衛(wèi)星信號(hào)穿越電離層時(shí)的衰減及丟失，造成GPS PPP 性能下降.

圖8 年積日237—239 天測(cè)站定位均方差

3 結(jié)論

本研究利用IGS 提供的全球電離層TEC 格網(wǎng)數(shù)據(jù)以及北半球地區(qū)IGS 站觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)GPS 觀測(cè)受電離層擾動(dòng)進(jìn)行分析.本文通過(guò)電離層TEC 計(jì)算，觀測(cè)數(shù)據(jù)周跳比，數(shù)據(jù)完整率，以及GNSS 精密定位結(jié)果的分析，主要結(jié)論如下:

1)磁暴引起的全球電離層異常呈現(xiàn)出緯度差異性，高緯地區(qū)當(dāng)?shù)貢r(shí)間為夜間時(shí)正相擾動(dòng)，之后表現(xiàn)出了負(fù)相擾動(dòng)，并向磁暴期非太陽(yáng)直射中低緯區(qū)域中低緯發(fā)展.磁暴期太陽(yáng)直射的中低緯地區(qū)表現(xiàn)為正向擾動(dòng)，磁暴日TEC 峰值增高，電離層TEC 最大異常值約15TECU，出現(xiàn)在赤道及低緯度區(qū)域；電離層異常對(duì)磁暴的響應(yīng)時(shí)間不一致，高緯地區(qū)最先響應(yīng)，中低緯地區(qū)滯后約2h.

2)電離層異常造成周跳現(xiàn)象增多，周跳現(xiàn)象存在緯度差異，高緯地區(qū)響應(yīng)迅速，變化程度劇烈，周跳比數(shù)值最大下降61.84%，中低緯地區(qū)周跳現(xiàn)象并未明顯增多，電離層異常主要導(dǎo)致高緯地區(qū)衛(wèi)星失鎖現(xiàn)象增多.

3)電離層異常造成北半球衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率下降，高緯地區(qū)數(shù)據(jù)完整率最先下降，然后隨著時(shí)間的推移趨勢(shì)向中低緯地區(qū)蔓延，在磁暴后一日造成了全球性的數(shù)據(jù)完整率下降，下降0.68%~4.02%不等.

4)電離層異常嚴(yán)重影響了高緯度地區(qū)GPS 定位性能，這種定位精度的變化是由電離層擾動(dòng)發(fā)生時(shí)接收機(jī)接收到信號(hào)幅度和相位的快速變化或失鎖引起的，且對(duì)U 方向定位結(jié)果影響最大.