一種掩星數據處理中輔助模式的研究

解琨,張慧慧,梁子亮

(1.江蘇省基礎地理信息中心,南京 210013;2.上海建科工程咨詢有限公司,上海 200032)

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一種掩星數據處理中輔助模式的研究

解琨1,張慧慧2,梁子亮1

(1.江蘇省基礎地理信息中心,南京 210013;2.上海建科工程咨詢有限公司,上海 200032)

摘要：由于某些掩星系統自身軌道高度限制及遇到其他特殊情況,造成了部分低高度數據無法獲取或獲取質量不佳等缺陷,對反演過程和應用造成一定困難。為此,本文引入Chapman輔助模式方法,并通過實例進行反演。結果表明:與COSMIC、經典IRI模型對比,在一定高度下利用Chapman模式輔助反演,數據均勻完整,收斂速度快。

關鍵詞：掩星技術;GPS;輔助模式

0引言

隨著GPS研究不斷完善,掩星系統持續更新發展,掩星技術日益受到人們關注,其應用領域也在不斷拓展。尤其是2006年COSMIC掩星系統成功組網后,在基礎理論研究、大氣反演、地質災害預報等方面迅速受到國內外學者的關注。周義炎等[1]在深入研究了掩星技術反演的原理并通過計算和對比后指出該技術在地質災害預警方面有廣闊的應用前景;李國翠等[2]通過研究地基GPS加權平均溫度的模型反演出華北地區的水汽分布,從而預報降雨;楊劍等[3]利用GPS掩星技術研究了2006年11月15日日本千島群島Ms8.0級地震和2007年2月25日青海Ms5.3級地震臨震前震區上空附近電子密度的異常變化,驗證了掩星技術在震前電離層異常探測方面的可行性。

隨著應用的深入,研究人員對數據模型的選擇以及結果質量要求更高。目前,數據處理的模型方法主要是改正TEC反演方法,該法雖然簡單實用,且能夠有效反演軌道高度較低的LEO衛星的電離層掩星數據。但是,對于有些掩星系統因為自身軌道高度受限導致低高度電離層數據采集有缺失的情況,如CHAMP掩星,改正TEC反演方法無法直接使用[4]。此外,軌道高度較高的LEO衛星在進行掩星觀測也會出現觀測不夠完整的情況,如最高探測切點高度只到500 km左右,這樣的掩星事件包含了主要的電離層信息,所以要盡可能的加以利用。

對于上述兩種情況的掩星數據,稱為類掩星電離層掩星數據[5-6]。類掩星數據的計算一般利用經典IRI輔助模式方法,但是該方法結果中包含了許多低高度(D、E層)精度差的數據,所以導致該法總體精度不穩定,收斂速度慢[1，7-8]。針對上述情況,本文將引入Chapman輔助模式方法,通過實例計算,研究針對這類掩星數據的反演處理。

1反演方法介紹

1.1改正TEC反演算法[7]

掩星平面是由GPS衛星、LEO衛星和地球球心三者所決定的平面。本文假設LEO軌道近似為圓軌道,并且LEO軌道平面和掩星平面重合(即GPS衛星在LEO軌道平面內運動),如圖1所示,A、C之間的電子總含量(TEC)為

TECAC=∫Neds

(1)

圖1　類掩星反演示意圖

聯系人： 解琨E-mail:excellentkun@163.com

式中:TECAC為A、C間電子總含量;Ne為電子密度; r為積分路徑上的地心到點的距離; ro為地心到掩星切點的距離; rLEO,rGPS分別為LEO衛星和GPS衛星到地心的距離。B點高度與C點高度相對應,若采用電子密度分布局部球對稱模型則

TECBC=TECAC-TECAB

(2)

由式(2)可得

(3)

1.2類掩星電離層掩星數據反演方法

對于TECCC′和TECAB′主要通過電離層模式電子密度積分獲得,可以通過以下兩種方式實現。

1) 利用Chapman模式輔助反演

利用一個指數衰減的等離子體層模式,可以在Chapman公式基礎上構成一個簡單的電離層模式(簡稱Chapman模式),表達式為[5]

Ne(h)=

(4)

式中: NmF為電離層峰值電子密度; hmF為電離層峰值高度; Hs為電離層標高; hpo為等離子體層開始高度; Hp為等離子體標高; Npo為hpo處電子密度。其中,hpo、Hp為特定值,可視不同情況設定。本文hpo取值800km,Hp取值10 000km,利用過程中的不斷迭代可使其他參數在反演中持續更新直至NmF的相對變化量在0.05%之內,則反演過程結束,最后將電子密度反演結果輸出。

2) 利用IRI模式輔助反演

①Abel變換法介紹

掩星觀測時,由于受到電離層的折射作用,GPS衛星發射的電波信號到達LEO衛星之前電波路徑會發生不同程度的彎曲。電離層的折射率梯度決定其彎曲角的大小。由測量得到的電波多普勒頻移以及衛星的位置和速度,可計算出電波路徑彎曲角,再由Abel積分反演公式反推出折射率,最后由折射率計算出電離層電子密度等物理參量[4]。

②IRI模式輔助反演

設由IRI模式計算TECCC′和TECAB′分別為TECIRICC′和TECIRIAB′,NeCIRI為IRI模式中C點電子密度;而NeC為該點的實際電子密度,其初值可由TEC估算,則表達式[6]為

TECIRICC′) .

(5)

設r為LEO衛星軌道距離地心的距離,其中,ro和r1為最高的兩個掩星切點距地心距離(ro>r1),對應的TEC分別為TEC0和TEC1,則[6]

(6)

獲得NeC初值后,即可根據式(5)進一步獲得TECB′C′,再運用上述改正TEC反演方法,經一次反演后,用得到的NeCIRI代替式(5)中的NeC,再進行反演,多次迭代,直至前后兩次電離層峰值電子密度反演結果相對變化在0.05%范圍內。

2反演實例

本次反演數據為2015年2月14日12:00時COSMIC掩星系統OCC#1衛星的雙頻觀測數據,采樣間隔為1 s.該衛星2月14日在全球范圍內共發生掩星665次;其中,選取了1次類掩星事件,反演高度42.35~540.2 km,持續時間近20分鐘,LEO衛星軌跡和LEO-GPS路徑上的斜TEC如圖2示。LEO與GPS高度角在20°~-20°之間，符合觀測條件,如圖3所示。

圖2　反演區域上空LEO-GPS路徑上斜TEC含量

圖3　LEO-GPS衛星高度角

3結果分析

2015年2月14日14:00時Chapman模式計算結果、IRI2007計算結果與公布的COSMIC結果對比如圖4所示。從圖中看出以下幾點:

圖4　三種輔助模式結果對比

1) 受掩星星座分布以及LEO-GPS軌道運行局限性,利用Chapman模式沒有反演出低于100 km內的電離層電子含量及電子密度,有效的反演高度111.9~540.2 km;IRI模式則沒有這種局限性,其有效反演高度為42.35～483.7 km; COSMIC數據反演高度為39.7～490.6 km.由此可看出Chapman模式在低高度應用不占優勢。當然,由于Chapman模型受hpo高度影響,所以低高度范圍內反演存在一定的局限性,導致起始高度值偏高。但是,從反演密度來看,Chapman模式反演結果密度分布均勻,線性較好接近于COSMIC數據;而IRI模式在100 km高度下密度分布不均勻,結果有待完善。

2) 從數據結果上來看主要有2點不同:① 從圖中對比曲線可看出,200～400 km之間三者差別不大(不包括NmF2峰值),曲線基本吻合;90～150 km IRI數據與COSMIC數據曲線大致相同,兩者之差在20 000 el.cm-3以內,該高度IRI模型反演結果可以作為數據參考使用; 400 km以上三者差超過20 000 el.cm-3,因此反演結果不能作為具體反演結果使用。② NmF2峰值密度有一點差異,Chapman模式為4.02×105el.cm-3,IRI模型為4.14×105el.cm-3,COSMIC為4.25×105el.cm-3,峰值相差不超過20 000 el.cm-3[7],因此兩者反演結果也可以作為具體結果使用。

3) 從收斂速度來所,由于高度越低反演效率越低,且誤差越大。IRI模式在低于100 km范圍內收斂速度明顯放緩,而Chapman法自始至終較為均勻。

4結束語

本文針對類掩星事件,提出了用電離層模式輔助反演的方法,具體給出了利用Chapman模式和IRI模式來輔助反演的實現步驟,并應用于掩星數據的反演。

模擬仿真反演結果表明,與COSMIC數據相比,低高度配合IRI模式數據的情況下,利用Chapman模式輔助反演,切實可行;且在一定范圍之內,不但最大限度的保留了類掩星數據,而且很好的解決了IRI法在低高度精度差的問題。

綜上所述,Chapman法反演切實可行,數據結果更穩定,線性更加勻稱。

參考文獻

[1]周義炎,吳云,喬學軍，等.GPS掩星技術和電離層反演[J].大地測量與地球動力學，2005,25(2):29-35.

[2]李國翠,李國平，劉鳳輝，等.華北地區水汽總量特征及其與地面水汽壓關系[J].熱帶氣象學報，2009:25(4)：488-494.

[3]楊劍，吳云，周義炎，等.利用GPS無線電掩星數據研究震前電離層異常[J]. 大地測量與地球動力學，2008,28(1)：16-22.

[4]郭鵬.無線電掩星技術與CHAMP掩星資料反演[D].上海:中國科學院上海天文臺,2005.

[5]曾楨,胡 雄,張訓械,等.電離層GPS 掩星觀測反演技術[J].地球物理學報,2004,47(4):578-583.

[6]金雙根,章紅平,朱文耀.GPS實時監測和預報電離層電子含量[J].天文學報,2004,45(2):213-219.

[7]吳小成,胡 雄,張訓械等.電離層GPS掩星觀測改正TEC反演方法[J].地球物理學報,2006,49(2):328-334.

[8]吳小成.電離層無線電掩星技術研究[D].北京:中國科學院,2008.

解琨(1986-)，男，碩士，工程師，主要從事GPS定位與導航的研究和工作。

張慧慧(1986-)，女，碩士，工程師，主要從事工程測量與施工的研究和工作。

梁子亮(1988-)男，碩士，助理工程師，主要從事GPS定位與導航的研究和工作。

A Research of Auxiliary Mode on OccultationData Processing

XIEKun1,ZHANG Huihui2,LIANG Ziliang1

(1.ProvincialFundamentalGeomaticsCenterofJiangsu,Nanjing210013,China;

2.ShanghaiJiankeEngineeringConsultingCo.,Ltd,Shanghai200032,China)

Abstract:Due to some occultation system orbit height restrictions and other situations, it makes some low-altitude data can not obtained or accessed. In order to solve above-mentioned problem,this paper introduced a new auxiliary mode, Chapman method. Contrast with classic IRI mode,it shows that it can work well and get complete data with using Chapman mode.

Key words:Occulation technology; GPS; auxiliary mode

作者簡介

收稿日期：2015-03-10

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2015)06-0072-04

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.015