兩個太陽活動周期的GPS電離層閃爍統計特性分析

田霞,張紅波,盛冬生

(1.電波環境特性及模化技術重點實驗室,中國電波傳播研究所,青島 266107；2.中國電波傳播研究所,青島 266107)

兩個太陽活動周期的GPS電離層閃爍統計特性分析

田霞1,張紅波2,盛冬生2

(1.電波環境特性及模化技術重點實驗室,中國電波傳播研究所,青島 266107；2.中國電波傳播研究所,青島 266107)

基于第23和24太陽活動周積累的長周期GPS電離層閃爍觀測數據開展統計分析,給出了兩個太陽活動周期內的GPS電離層閃爍月發生天數變化規律,分析了太陽活動高年和太陽活動低年的GPS電離層閃爍S4指數隨緯度變化特性,研究結果有助于加深對GPS電離層閃爍隨太陽活動和緯度的變化規律的理解,可促進電離層閃爍有關氣候學模型的建立。

電離層閃爍;太陽活動周;統計特性;衛星導航

0 引 言

電離層閃爍會導致衛星導航接收機的導航定位誤差增大,嚴重時會使其導航定位中斷。由于電離層閃爍嚴重影響了衛星導航系統正常應用和多種高端應用(生命安全服務、高精度大地測量等),研究分析全球定位系統電離層閃爍統計特性有助于人們理解和掌握GPS電離層閃爍發生規律及其可能影響程度,從而在GPS應用系統論證設計、研制和部署時采取有效應對措施,確保GPS導航定位效能不下降。此外,電離層閃爍預報模型研究依賴于GPS電離層閃爍統計分析結果。

許多學者作了大量GPS電離層閃爍統計分析,尚社平、史建魁等利用空間中心海南站GPS閃爍監測儀觀測資料,分析了海南地區L頻段春秋分、太陽活動下降期間電離層閃爍特性[1]。楊升高等開展了太陽活動高、低年赤道電離層閃爍形態對比分析[2]。但兩個太陽活動周的GPS電離層閃爍統計特性分析結論較少。本文利用澳大利亞空間天氣服務(SWS)的1999年至2016年間的GPS電離層閃爍觀測數據開展統計分析,獲得了兩個太陽活動周期內的GPS電離層閃爍月發生天數變化規律,以及太陽活動高年和太陽活動低年的GPS電離層閃爍垂直S4指數隨緯度變化特性,研究結果有助于加深對GPS電離層閃爍隨太陽活動和緯度的變化規律的理解,可促進電離層閃爍有關氣候學模型研究。

1 觀測數據

本文數據來源于澳大利亞SWS提供的Vanimo觀測站(緯度:2.7°S,經度:141.30°E)和Weipa觀測站(緯度:12.63°S,經度:141.88°E)的GPS L頻段經過修正之后的電離層閃爍S4指數。該站使用的監測設備為NovAtel GSV4004B型號的雙頻GPS閃爍監測儀,以50 Hz的采樣速率對接收信號進行采集處理,計算給出修正后的電離層閃爍S4指數。根據太陽活動的年際變化情況,選取第23個太陽活動周Vanimo站(1999-2004,2007-2009)和第24個太陽活動周Weipa站(2009-2016)共計16年GPS電離層閃爍數據開展統計分析。為減小低仰角效應造成的統計誤差,舍棄仰角小于15°的數據。

2 電離層閃爍月發生概率隨太陽活動周變化

2.1 電離層閃爍隨太陽活動周的年變化特性

電離層閃爍月平均發生概率隨著太陽活動周呈現周期性變化,太陽活動高年電離層閃爍月發生概率高,太陽活動低年電離層閃爍月發生概率低。為了準確的表征這種變化,基于16年GPS電離層閃爍S4指數數據進行電離層閃爍月發生天數隨太陽活動周的年變化特性分析。GPS電離層閃爍事件定義為電離層閃爍S4指數連續大于0.2的時間超過20分鐘。GPS電離層閃爍月發生天數是指東經130°至150°,北緯5°至南緯10°區域內,某月出現電離層閃爍事件的天數。月發生天數除以當月總天數,便可獲得電離層閃爍月發生概率,因此,該指標可有效反應該地區出現等離子體泡的概率。圖1為1999年至2016年GPS電離層閃爍月發生天數隨太陽活動周變化的分析結果(2005年和2006年沒有數據),橫軸為年份,左側縱軸為月發生天數,右側縱軸為月平滑太陽黑子數(SSN)。圖中條形圖表示從1999年至2016年間的每一個月的電離層閃爍發生天數,帶有方形標識的實線是月平滑太陽黑子數。

圖1清晰的示出了GPS電離層閃爍年最大月發生天數存在與太陽活動相似的變化規律,即與月平滑太陽黑子數變化趨勢正相關。在從1999年至2009年的第23太陽活動周里,有17個月的月發生天數超過15天,而在高年(2000年和2001年),電離層閃爍月發生天數甚至超過25天,即月發生概率大于80%。在從2009年至2016年的第24太陽活動周內,年最大月發生天數變化規律與第23太陽活動周數據相似,但其它月份月發生天數明顯低于第23太陽活動周。可能是第23和24太陽活動周的太陽活躍程度不同所致,第23太陽活動周是近50多年來最強的一個太陽活動周期。另一個可能原因是2009年以后月發生天數是利用Weipa站觀測數據分析獲得,該站地理緯度較高,位于電離層閃爍最活躍的駝峰區南邊緣,導致觀測到的電離層閃爍事件少,而Vanimo站位于駝峰區內,易于觀測到電離層閃爍事件。從圖1也可以看出同一年的月發生天數又存在著季節變化,春秋分附近的月發生天數要高于其它月份。

圖1 1999年至2016年GPS電離層閃爍月發生天數隨太陽活動周變化的分析結果

2.2 電離層閃爍隨月平滑太陽黑子數的變化特性

GPS電離層閃爍月發生天數與太陽黑子數呈正相關。為了分析其相關趨勢,提取每年的春分(3月和4月)和秋分(8月和9月)附近兩個月的月發生天數和太陽黑子數進行統計相關分析,電離層閃爍最大月發生天數隨太陽黑子數變化規律統計分析方法是將全部月發生天數按照太陽黑子數范圍(0～10,11～-20,…,131～140)組成統計分析數據集,對每一個數據集提取最大月發生天數。電離層閃爍平均月發生天數隨太陽黑子數變化規律統計分析方法是將電離層閃爍指數按照太陽黑子數范圍(0～20, 21～40, …121～140)組成統計分析數據集,對每一個數據集計算其中的全部月發生天數平均值,結果如圖2所示。

圖2 月發生天數和太陽黑子數相關分析結果

圖2中星形標識為觀測數據,虛線為最大月發生天數隨太陽黑子數變化趨勢,實線為平均月發生天數隨太陽黑子數變化趨勢。從圖2可以看出,當太陽黑子數低于40時,月發生天數僅有微小變化,近似于是常數,當太陽黑子數大于40時,最大和平均月發生天數與月平滑太陽黑子數呈現正相關,平均月發生天數與太陽黑子數之間的變化趨勢與半邊高斯函數相近。當太陽黑子數大于120以后,最大和平均月發生天數存在飽和現象。綜上所述,當太陽黑子數低于40和大于120以后時,可認為平均月發生天數為常數;在這之間以高斯函數形態隨太陽黑子數增加而增加。

3 電離層閃爍隨緯度變化特性

3.1 太陽活動高年緯度變化特性

利用Vanimo站的2000年和2001年數據分析太陽活動高年GPS電離層閃爍S4指數隨緯度變化特性。通常GPS電離層閃爍S4指數都是傾斜路徑的S4指數,在分析電離層閃爍S4指數隨緯度變化特性時,為了消除傾斜路徑帶來的不利影響,有必要將傾斜路徑S4指數轉換為垂直S4指數[3]。

S4(aelev=90°)=S4(aelev)sinb(aelev) ,

(1)

式中:aelev為觀測仰角;b依賴GPS電離層閃爍信號強度數據的功率譜指數p,p為電離層閃爍弱散射理論的重要參數之一[4],其取值范圍通常在2.0至4.0之間。經過全范圍p值影響分析發現其對轉換效果影響不大,因此,參考以往取值p=2.6,此時,b=0.9。

首先提取2000年和2001年3月、4月、8月和9月的垂直S4指數及其相應地磁緯度數據,以一度地磁緯度為步進,統計分析該地磁緯度內全部垂直S4指數數據的直方圖,并轉換為概率密度分布;將全部概率密度分布數據以二維輪廓圖形式可視化,結果如圖3和圖4所示。

圖3 2000年垂直S4指數概率密度分布隨地磁緯度變化

圖4 2001年垂直S4指數概率密度分布隨地磁緯度變化

圖3和圖4中的實線是0.87分位數對應的垂直S4指數隨地磁緯度變化趨勢,虛線為垂直S4指數平均值隨地磁緯度變化趨勢。從圖3和圖4中可以清晰的看出,垂直S4指數隨地磁緯度存在高斯函數特性變化趨勢,峰值位置在地磁緯度-12°附近。這與電離層赤道駝峰異常特性相吻合,說明電離層電子密度是影響電離層閃爍強度的重要因素之一。

3.2 太陽活動中年緯度變化特性

利用Vanimo站的2004年數據分析太陽活動中年GPS電離層閃爍S4指數隨緯度變化特性。結果如圖5所示。從圖中可以看出,垂直S4指數隨地磁緯度的駝峰區特征弱化了,但尚能辨識出其輪廓。最大垂直S4指數也比太陽活動高年的低 這可能由電離層駝峰區電子密度普遍比太陽活動高年低所致。而垂直S4指數平均值隨地磁緯度變化特征減弱的另一個原因可能是電離層閃爍事件發生次數少,垂直S4指數平均值趨向背景噪聲值所致。

圖5 2004年垂直S4指數概率密度分布隨地磁緯度變化

3.3 太陽活動低年緯度變化特性

利用Vanimo站的2007年和2009年數據分析太陽活動低年GPS電離層閃爍S4指數隨緯度變化特性。結果如圖6和圖7所示。從圖6可以看出,2007年垂直S4指數平均值隨地磁緯度已沒有明顯變化特征,但在地磁緯度-12°～-6°之間0.87分位數對應的垂直S4指數則能體現出電離層閃爍事件的存在。到了2009年,垂直S4指數平均值隨地磁緯度變化特征更弱,僅在地磁緯度-8°～-5°之間0.87分位數對應的垂直S4指數還能體現出電離層閃爍事件的存在。2009年與2007年存在兩個明顯不同。第一個是2009年電離層閃爍事件出現緯度明顯北移;第二個Vanimo站 (地磁緯度-11.2°)上空垂直S4指數比兩邊都低。第一個現象可能電離層電子密度駝峰區南移所致,也可能是等離子體上升高度低,使得南北映射緯度范圍小所致。第二個可依據電離層閃爍弱散射理論較好地解釋,太陽活動低年,傾斜傳播路徑更容易獲得較高的積分電子密度擾動值,從而得到較大的電離層閃爍S4指數。

圖6 2007年垂直S4指數概率密度分布隨地磁緯度變化

圖7 2009年垂直S4指數概率密度分布隨地磁緯度變化

4 結束語

基于第23和24太陽活動周積累的長周期GPS電離層閃爍觀測數據開展統計分析,給出了兩個太陽活動周期內的GPS電離層閃爍月發生天數變化規律。GPS電離層閃爍年最大月發生天數存在與太陽活動相似的變化規律,當太陽黑子數低于40和大于120以后時,可認為電離層閃爍平均月發生天數為常數;在這之間以高斯函數形態隨太陽黑子數增加而增加。

太陽活動高年垂直S4指數隨地磁緯度存在高斯函數特性變化趨勢,峰值位置在地磁緯度-12°附近。這與電離層赤道駝峰異常特性相吻合,說明電離層電子密度是影響電離層閃爍強度的重要因素。太陽活動中年垂直S4指數隨地磁緯度的駝峰區特征弱化了,但尚能辨識出其輪廓。太陽活動低年,2007年垂直S4指數平均值隨地磁緯度已沒有明顯變化特征,0.87分位數對應的垂直S4指數則能體現出電離層閃爍事件的存在。2009年與2007年存在兩個明顯不同。第一個是2009年電離層閃爍事件出現緯度明顯北移;第二個Vanimo站(地磁緯度-11.2°)上空垂直S4指數比兩邊都低,表明傾斜傳播路徑更容易獲得較高的路徑積分電子密度擾動值,從而得到較大的電離層閃爍S4指數。研究結果有助于加深對GPS電離層閃爍隨太陽活動和緯度的變化規律的理解。

[1] 尚社平,史建魁,郭善兼，等. 海南地區電離層閃爍監測及初步統計分析[J]. 空間科學學報,2005,25(1):23-28.

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[4] RINO C L. A power law phase screen model for ionospheric scintillation 1: weak scatter[J]. Radio Science,1979(14):1135-1145.

[5] CHAKRABORTY S K, HAJRA R, DASGUPTA A. Ionospheric scintillation near the anomaly crest in relation to the variability of ambient ionization[J]. Radio Science, 2012, 47(2), RS2006.doi:10.1029/2011RS004942.

Analysis of the Statistical Charateristics of GPS Ionospheric Scintillation of Two Solar Cycle

TIAN Xia1,ZHANG Hongbo2,SHENG Dongsheng2

(1.NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China;2.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Long term GPS ionospheric scintillation data of solar cycle 23 and 24 are analyzed to obtain their statistical charateristics.The variations of monthly occurrence days of GPS ionospheric scintillations are put forward. The latitudinal variations of the S4 index of GPS ionospheric scintillations during high and low solar activities are presented. The results would be helpful to understand the variations of GPS ionospheric scintillations with the solar activity and latitude, and advance the climatological modeling of ionospheric scintillations.

Ionospheric scintillation; solar cycle; statistical charateristics; satellite navigation

2016-09-24

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.014

TN966

1008-9268(2016)06-0070-05

田霞(1981-),女,工程師,主要研究分析電波環境觀測數據統計特性等。

張紅波 (1979-),男,高級工程師,主要研究方向為電離層閃爍預報預警、衛星導航、衛星通信、雷達系統電離層閃爍減緩等。

盛冬生 (1986-),男,工程師,主要研究方向衛星導航電離層閃爍現報預報研究，電離層電子密度重構等。

聯系人：張洪波 E-mail:ssrs_nklee@163.com