IGS電離層產(chǎn)品的時(shí)空特性研究

袁菲,李英冰,2,繆格

(1.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,湖北 武漢 430079,China; 2.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院時(shí)空大數(shù)據(jù)研究中心,湖北 武漢 430079,China)

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IGS電離層產(chǎn)品的時(shí)空特性研究

袁菲1,李英冰1,2,繆格1

(1.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,湖北 武漢 430079,China; 2.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院時(shí)空大數(shù)據(jù)研究中心,湖北 武漢 430079,China)

電離層時(shí)空變化規(guī)律的研究對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航、航空航天等具有重要價(jià)值。本文利用國(guó)際GNSS服務(wù)(IGS)產(chǎn)品,分析了電離層的時(shí)空變化規(guī)律。在時(shí)間尺度上,對(duì)低階球諧系數(shù)(0,0)、(1,0)、(1,1)、(1,-1)進(jìn)行了功率譜分析,對(duì)北京地區(qū)的垂直方向總電子含量(VTEC)進(jìn)行了短時(shí)傅里葉變換分析,對(duì)北京、阿克拉和墨爾本進(jìn)行了季節(jié)性分析,結(jié)果表明，電離層變化具有明顯的年周期和半年周期項(xiàng)。在空間方面,分析了零度子午線、赤道上的電離層延遲隨緯度、經(jīng)度的變化規(guī)律,結(jié)果表明,在緯度方向上具有明顯的單峰效應(yīng),在經(jīng)度方向上的峰值具有延遲變化規(guī)律。

電離層延遲;總電子含量;短時(shí)傅里葉變換;功率譜分析;時(shí)間序列分析

0 引 言

電離層的時(shí)空分布及其變化與地球運(yùn)動(dòng)、太陽(yáng)活動(dòng)、大氣環(huán)境、地磁場(chǎng)變化等諸多因素密切相關(guān)[1],電離層的變化對(duì)導(dǎo)航定位、遠(yuǎn)程通信、航空航天等具有重要影響[2]。要想提高導(dǎo)航定位的精度,需要深入分析電離層的時(shí)空特性及其變化規(guī)律。

IGS利用全球數(shù)百個(gè)GNSS衛(wèi)星跟蹤站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析,自1992年開(kāi)始發(fā)布電離層產(chǎn)品,提供球諧系數(shù)和空間格網(wǎng)兩種格式的數(shù)據(jù),時(shí)間分辨率為2 h,球諧系數(shù)的最大階數(shù)為15×15,空間格網(wǎng)的緯度方向分辨率為2.5°,經(jīng)度方向分辨率為5°,每天的產(chǎn)品保存為一個(gè)文件。

為了便于數(shù)據(jù)分析,開(kāi)發(fā)了電離層產(chǎn)品自動(dòng)下載程序,并將產(chǎn)品內(nèi)容保存到SQL server 數(shù)據(jù)庫(kù)中。從時(shí)間、頻率和空間上進(jìn)行分析,研究IGS電離層產(chǎn)品的時(shí)空變化規(guī)律。

1 電離層產(chǎn)品的時(shí)間序列分析

1.1 低階球諧系數(shù)的時(shí)間序列

對(duì)于電離層球諧數(shù)據(jù)產(chǎn)品,選取了從2000年

1月1日到2016年6月30日每天在(0,0)、(1,0)、(1,1)、(1,-1)的4個(gè)低階系數(shù)的時(shí)間序列進(jìn)行分析,如圖1所示。

從圖中可看出: 1) 序列(0,0)的振幅最大,序列(0,0)、(1,1)、(1,-1)的變化規(guī)律相近,序列(1,0)的振幅與前三者的變化規(guī)律相反;2) 序列(0,0)在這十七年間存在明顯的波動(dòng),總電子含量的變化不平穩(wěn),相反其他三個(gè)點(diǎn)波動(dòng)差異較小,不存在明顯的高低差異; 3) 四個(gè)序列具有明顯的周期性,但主周期不同,序列(1,0)的周期大致為一年,其他三個(gè)點(diǎn)的周期大致為半年; 4) 在一年之內(nèi),總電子含量的最大值一般都出現(xiàn)在年中,而總電子含量的最小值一般是出現(xiàn)在年初或年末。

1.2 低階球諧系數(shù)的功率譜分析

功率譜是信號(hào)功率在頻域內(nèi)的分布狀況[3],對(duì)于一個(gè)有限的時(shí)間序列x(n),n

(1)

式中,ω是信號(hào)頻率。

將圖1的時(shí)間序列,利用公式(1)計(jì)算相應(yīng)的功率譜,結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出: 1) 四條曲線的功率譜圖線走勢(shì)比較接近;主周期為1.017 1,0.493 1,2.324 8; 2) 序列(0,0)的功率譜最大,序列(1,0)的功率譜最小; 3) 四個(gè)序列的功率譜最小值都出現(xiàn)在低頻的部分,四個(gè)序列的功率譜最大值出現(xiàn)在較高頻部分。

1.3 短時(shí)傅里葉變換(STFT)分析

STFT克服傳統(tǒng)傅里葉變換時(shí)間與頻率分離的缺陷,能從時(shí)間、頻譜、信號(hào)功率三維的角度剖析信號(hào)的特征[5]。計(jì)算公式為

(2)

式中:x(m)是時(shí)間序列;W(n)是窗口函數(shù)。STFT通過(guò)沿著時(shí)間軸不斷平移窗口函數(shù)進(jìn)行離

散化處理,最終得到整個(gè)時(shí)間序列的短時(shí)傅里葉變換頻譜圖[6]。

本文選取了北京2013年年積日從1～200天的VTEC數(shù)據(jù)進(jìn)STFT分析,計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

從圖中可以看出:1) 序列的能量隨著時(shí)間的變化是呈現(xiàn)單峰的特性,在年積日150天左右達(dá)到峰值,因?yàn)榇藭r(shí)北京處于夏季,電離層活動(dòng)劇烈,這與實(shí)際情況相符;2) 在高頻和低頻部分所對(duì)應(yīng)的能量值都較高,說(shuō)明序列長(zhǎng)周期項(xiàng)和短周期項(xiàng)明顯。

1.4 季節(jié)性變化分析

季節(jié)性分析是研究某具體地點(diǎn)的VTEC值的日變化及季節(jié)變化[7]。結(jié)合考慮南北、東西半球因素[8],選取了墨爾本、北京、阿克拉三個(gè)地方進(jìn)行分析,在數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出2011年三個(gè)地方3月、6月、9月、和12月的數(shù)據(jù)作為春、夏、秋、冬四個(gè)季度的代表,進(jìn)行電離層的季節(jié)性變化分析。

計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

從圖中可以看出:1) 阿克拉四個(gè)季節(jié)的VTEC值的分布具有很強(qiáng)的相似性,這是與它處于赤道附近有關(guān); 2) 四個(gè)季節(jié),每一天在0點(diǎn)到6點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)的VTEC值偏小,隨后VTEC值慢慢的增加,午時(shí)VTEC值達(dá)到較大的值; 3) 在一天之內(nèi)VTEC的變化值差異性不大,趨勢(shì)較為緩慢; 4) 中緯度地區(qū)VTEC的季節(jié)性差異比較明顯,在四季變化不明顯的地區(qū),VTEC的季節(jié)性變化很微小,在四季分明的地區(qū),VTEC隨著季節(jié)的不同呈現(xiàn)出明顯的差異,這與文獻(xiàn)[9]的結(jié)論一致。

2 電離層產(chǎn)品的空間特性分析

2.1 隨緯度方向的變化分析

分析電離層延遲隨緯度的變化規(guī)律,是通過(guò)固定某具體經(jīng)度,選擇固定的年積日及時(shí)間段,通過(guò)曲線成圖分析。本文中選取子午線上(經(jīng)度為0°),年積日為60天、150天、240天、330天的數(shù)據(jù),選取的時(shí)段分別為6點(diǎn)、12點(diǎn)、18點(diǎn)及24點(diǎn),每一幅圖中都畫(huà)有6條曲線,分別代表2003、2005、2007、2009、2011及2013年,如圖7所示。

圖中橫縱坐標(biāo)是以2.5°為間隔的緯度(單位為°),縱坐標(biāo)Y軸代表相應(yīng)緯度對(duì)應(yīng)的VTEC值(單位是TECU),在每一幅圖中,黑色正方形代表2003年數(shù)據(jù),黑色圓形代表2005年數(shù)據(jù),黑色向上三角形代表2007年數(shù)據(jù),黑色向下三角形代表2009年數(shù)據(jù),黑色菱形代表2011年數(shù)據(jù),黑色六邊形2013年數(shù)據(jù),黑色線條曲線代表6年均值數(shù)據(jù)。

從圖中可以看出:1)VTEC隨著緯度的變化基本上呈現(xiàn)單峰趨勢(shì),在赤道附近VTEC值達(dá)到最大;2) 從南緯到北緯的呈現(xiàn)下降趨勢(shì),出現(xiàn)這種反常的原因主要是所選區(qū)域的南緯地區(qū)橫貫非洲大陸,且大部分地區(qū)屬于干燥的沙漠地區(qū),而在北緯地區(qū),以海洋居多,氣候濕潤(rùn),空氣中的電子密度相對(duì)較小,故VTEC較小;3) 在赤道附近VTEC值會(huì)達(dá)到最大,因?yàn)槌嗟栏浇纳峡针婋x層電子含量較多,故VTEC的值較大,然后隨著緯度的增加,電離層中電子含量逐漸減少,VTEC值出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

2.2 隨經(jīng)度變化的變化分析

分析電離層隨經(jīng)度的變化規(guī)律同隨緯度的變化規(guī)律相似,本文選取了時(shí)段為6點(diǎn)、12點(diǎn)、18點(diǎn)、24點(diǎn)的年積日為60天、150天、240天及330天的數(shù)據(jù),如圖8所示,每幅圖畫(huà)有6條曲線,分別代表2003年、2005年、2007年、2009年、2011年及2013年。圖中橫坐標(biāo)是以5°為間隔的經(jīng)度,縱坐標(biāo)是相應(yīng)經(jīng)度對(duì)應(yīng)的VTEC值(單位: TECU)。

圖中黑色正方形代表2003年數(shù)據(jù),黑色圓形代表2005年數(shù)據(jù),黑色向上三角形代表2007年數(shù)據(jù),黑色向下三角形代表2009年數(shù)據(jù),黑色菱形代表2011年數(shù)據(jù),黑色六邊形2013年數(shù)據(jù),黑色線條曲線代表6年均值數(shù)據(jù)。如圖8所示。

從圖中可以看出:1)VTEC隨著經(jīng)度的變化呈現(xiàn)出多峰,變化趨勢(shì)比較復(fù)雜;2) 在三月中旬早上6時(shí),經(jīng)度為0處達(dá)到最低值,而在6月和9月時(shí)在經(jīng)度為9°左右達(dá)到最大值,造成這種分布的原因所選區(qū)域因海洋和陸地的不同,白天和黑夜的不同,在同一時(shí)間的同一緯度,經(jīng)度相差比較大的兩個(gè)地方,由于光照情況不同,受太陽(yáng)的影響不同,這些導(dǎo)致在電離層上空中的空氣電離程度不同,從而表現(xiàn)出不一樣的VTEC值,這與文獻(xiàn)[10]的結(jié)論一致。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)IGS電離層產(chǎn)品的時(shí)間和空間兩方面進(jìn)行分析,主要工作與成果有:

1) 繪制了低階球諧數(shù)據(jù)的序列圖,并進(jìn)行了功率譜分析;

2) 選擇北京地區(qū)2013年上半年的數(shù)據(jù)進(jìn)行STFT分析,并結(jié)合實(shí)際對(duì)三維圖形進(jìn)行分析;

3) 選取了北京、阿克拉和墨爾本的VTEC時(shí)間序列,給出了各自4個(gè)季度的等值線圖,并進(jìn)行季節(jié)性變化分析;

4) 研究了零度子午線、赤道上的電離層變化隨緯度、經(jīng)度的變化規(guī)律,并進(jìn)行曲線擬合。

[1] 武業(yè)文. 利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星研究電離層總電子含量特性[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013.

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李英冰 (1972-),男,博士,副教授,研究生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)镚NSS軟件開(kāi)發(fā),GNSS工程應(yīng)用與數(shù)據(jù)處理,形變監(jiān)測(cè),固體地球環(huán)境負(fù)荷變化響應(yīng)。

繆格 (1994-),女,碩士生,研究方向?yàn)闀r(shí)空大數(shù)據(jù)分析。

Research on the Spatio-temporal Characteristics of IGS Ionospheric Products

YUAN Fei1,LI Yingbing1,2,MIAO Ge1

(1.WuhanUniversityofSurveyingandMapping,Wuhan430079,China; 2.WuhanUniversityofSurveyingandMappingTimeandSpaceLargeDataResearchCenter,Wuhan430079,China)

The research on the temporal and spatial variation of ionosphere has important value for satellite navigation, aerospace and so on. This article uses international GNSS services (IGS) products, analyze the ionospheric temporal and spatial variation. On the time scale, doing the Power spectrum analysis on the low-order spherical harmonic coefficient of (0,0)、(1,0)、(1,1)、(1,-1), and the short-time Fourier transform of the total vertical electron content (VTEC) in the Beijing area was analyzed. Seasonal analyzes were conducted in Beijing, Accra and Melbourne, the results show that ionospheric changes have obvious annual and semiannual cycles. In the space aspect, the variation rules of the latitude and longitude of the ionosphere delay on the zero meridian and equator are analyzed. The results show that there is a single peak effect in the latitudinal direction, and the peak value in the longitude direction has a delay variation

Ionospheric delay; total electron content; short-time fourier transform; Power spectrum analysis; time series analysis

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.009

2016-10-12

國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):41474006)

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0044-05

袁菲 (1993-),女,碩士生,研究方向?yàn)镚NSS精密數(shù)據(jù)處理理論與方法。

聯(lián)系人： 袁菲 E-mail: 1512391620@qq.com