海口地區擴展F和GPS電離層閃爍發生時間相關性分析

李靜靜,盛冬生,張紅波

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

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海口地區擴展F和GPS電離層閃爍發生時間相關性分析

李靜靜,盛冬生,張紅波

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

對2012年8月至2013年7月太陽活動高年海口地區擴展F和GPS L1頻段電離層閃爍進行了發生時間相關性分析。結果表明,該地區的GPS電離層閃爍與擴展F具有較好的相關性,二者發生的相關系數為0.95.受太陽活動高年低緯電離層不均勻體發展演化特性和設備觀測方式的影響,觀測到的電離層閃爍起始時間稍早于擴展F。擴展F結束時間比電離層閃爍結束時間有所滯后,分析認為,在低緯電離層不均勻體的消亡階段,1 km以下中小尺度的不均勻體首先消失。

擴展F;電離層閃爍;不均勻體;相關分析

0 引 言

全球定位系統(GPS) L頻段電離層閃爍會導致衛星導航接收機偽距抖動、相位發生周跳,造成導航定位誤差增大,嚴重時導致接收機失鎖,導航定位中斷。生命安全服務、高精度大地測量等多種高端衛星導航應用對衛星導航精度和完好性要求較高,電離層閃爍事件成為一種不能忽視的現象。擴展F和GPS電離層閃爍均是電離層不均勻體的無線電觀測現象,前者是電離圖上表現出頻域、區域的回波信號彌散,后者則是地面接收的GPS信號發生強的衰落。統計分析擴展F和電離層閃爍相關性有助于理解GPS電離層閃爍發生和演化機制,以及掌握GPS電離層閃爍發生前兆信息,對GPS電離層閃爍預警減緩措施研發具有一定意義。

近幾十年來,諸多學者開展了擴展F與電離層閃爍的對比研究工作。Medeiros等[1]在統計分析了巴西兩個觀測站的VHF頻段電離層閃爍數據和擴展F數據后,發現兩者在發生概率和持續時間上存在較好的一致性。龍其利等[2]統計分析了1989年12月至1990年12月期間VHF頻段電離層閃爍數據和擴展F數據后發現擴展F起始時間早于電離層閃爍。Iyer等[3]根據分析印度兩個觀測站監測的1987至1989年期間VHF頻段閃爍和擴展F數據發現,二者只在太陽活動高年具有很好的相關性。朱太平等[4]分析1990年8月至9月期間的電離層閃爍和擴展F發生概率發現,4 GHz頻段電離層閃爍和擴展F的相關性弱于VHF頻段電離層閃爍和擴展F的相關性。近年來,王國軍等[5]分析了強區域擴展F發生概率和GPS L1頻段電離層閃爍發生概率隨時間的變化趨勢。史建魁等[6]分析了三亞地區2003年至2007年期間強區域擴展F和GPS L1頻段電離層閃爍月發生概率的相關系數。本文主要研究太陽活動高年海口地區擴展F和GPS L1頻段電離層閃爍在起始和結束時間方面的相關性,以探究電離層不均勻體在不同發展演化階段對GPS L1頻段電離層閃爍影響。

1 觀測數據

目前,國際上一般將擴展F劃分為頻域擴展F、區域擴展F、混合擴展F和強擴展F.對海口站(20.0°N,110.3°E)電離層垂測儀觀測的擴展F數據和GPS L1頻段電離層幅度閃爍數據進行統計分析發現,在彌散點超過6.6 MHz時,擴展F和電離層閃爍具有較好的相關關系,因此本文僅選取彌散點超過6.6 MHz的擴展F作為分析對象,不再作類型區分。擴展F選取標準如圖1所示。

圖1 擴展F選取標準

本文使用數據的采集時間為2012年8月1日至2013年7月31日夜間(10:00UT至0:00UT,本地時=UT+7.0)。擴展F的采樣間隔為15 min.

部署在海口站的GPS閃爍監測儀,以20 Hz的采樣速率對接收信號進行采集處理,實時計算電離層閃爍S4指數,采樣間隔為1 min.為避免多徑干擾和低仰角引起的其他效應,僅選取衛星仰角在25°以上的數據。電離層閃爍事件識別準則為S4指數大于0.3,且持續時間超過15 min的事件。

2 結果與討論

2.1 事件相關性

圖2示出了2012年8月至2013年7月夜間的擴展F和電離層閃爍事件月發生天數統計結果。從圖2可以看出,春分和秋分月份的擴展F和電離層閃爍的月發生概率最高,冬季較少發生,夏季次之。在365天的統計數據中,共有89天電離層閃爍和擴展F均出現,有19天只有擴展F出現,僅有1天只有電離層閃爍出現。基于相關性統計分析得到兩者同時發生的相關系數為0.95.該結果說明絕大部分電離層閃爍事件均會伴隨擴展F現象。

圖2 2012年8月至2013年7月期間擴展F和電離層閃爍事件

2.2 起止時間相關性

對2012年8月至2013年7月89次同日出現的擴展F和電離層閃爍事件的起止時間進行進一步的分析。圖3示出了兩類事件起始時間的相關分析結果,其中虛線為14:00UT之前數據的線性擬合結果,實線為全部數據的線性擬合結果。圖4示出了兩類事件結束時間的相關分析結果,實線為全部數據的線性擬合結果。

從圖3、圖4中可以看出,擴展F和電離層閃爍事件的起始時間相關系數為0.71,結束時間相關系數為0.62.兩者在起始時間和結束時間具有較好的一致性。在起始時間方面,14:00UT之前,兩者的相關系數為0.87,說明在21:00LT之前兩者幾乎同時出現,且電離層閃爍出現事件(平均起始時間19.4LT)稍早于擴展F(平均起始時間19.5LT)。在結束時間方面,擴展F結束時間比電離層閃爍結束時間略有滯后,平均滯后時間約為1.2 h.

圖3 擴展F和電離層閃爍事件起始時間相關分析結果

圖4 擴展F和電離層閃爍事件結束時間相關分析結果

3 討論

通過分析發現,我國海口地區擴展F和電離層閃爍事件具有較好的相關性,但在起始時間和結束時間存在一定差異。這可能是電離層垂測儀和GPS L1頻段電離層閃爍儀所觀測到的電離層不均勻體尺度和范圍不同所致,也與電離層不均勻體發展演化過程有關。

首先,電離層不均勻體發展演化過程以及觀測手段的局限性,會影響到觀測到的擴展F和電離層閃爍事件的起止時間。GPS L1頻段的電離層閃爍監測是通過接收多顆GPS衛星信號實現的,根據衛星鏈路與電離層不均勻體的穿刺點在地面投影的位置計算公式:

angle= π/2-α-arcsin[(R·cosα)/

(R+h)],

(1)

φ= arcsin[sinφj·cos(angle)+

cosφj·sin(angle)·cosαz]

(2)

λ=λj+arcsin[sin(angle)·sinαz/cosφ],

(3)

其中: 假定不均勻體高度h為350 km[7];R為地球半徑(6 371 km);α為衛星仰角;αz為衛星方位角;(λj,φj)為觀測站位置(110.3°E,20.0°N); (λ,φ)分別為穿刺點的經緯度。當電離層閃爍監測設備觀測的衛星截止仰角為25°時,其監測范圍的最大半徑為640 km.而電離層垂測儀的工作模式為同站址垂直發射與接收,綜合F層電離圖回波描跡的高度數據,認為電離層垂測儀對電離層不均勻體的觀測半徑遠小于200 km.甄衛民等[8]通過分析多站的GPS信號發現,我國低緯地區電離層不均勻體源于赤道電離層不均勻體的北向擴展。此外,電離層不均勻體的東向漂移也是海口站觀測到不均勻體的原因之一。由于在14:00UT以前擴展F和GPS電離層閃爍的起始時間相差甚少,推測14:00UT之前我國低緯地區電離層不均勻體源于赤道電離層不均勻體的北向擴展。考慮到GPS電離層閃爍的觀測范圍更大,可能是導致GPS電離層閃爍起始時間略早于電離層垂測儀觀測到擴展F的主要原因。

其次,根據第一菲涅耳半徑公式計算可知,引起L1頻段電離層閃爍的不均勻體尺度小于1 km[9],而電離層垂測儀工作頻段為短波頻段,其可觀測的電離層不均勻體尺度遠大于1 km.鑒于擴展F和GPS電離層閃爍在14:00UT以前的起始時間幾乎相同,表明太陽活動高年的赤道電離層不均勻體在發展起始階段便包含低于1 km的中小尺度電離層不均勻體。

最后,大部分擴展F結束時間滯后于電離層閃爍的結束時間,平均滯后時間約為1.2 h,表明在不均勻體發展演化的結束階段,中小尺度的電離層不均勻體首先消失。甄衛民等[10]根據海口地區VHF信號功率譜斜率在閃爍初期和末期不同,認為赤道電離層不均勻體在消亡階段,1 km以下中小尺度的不均勻體首先耗散消失。本文統計結果也同樣支持該結論。

4 結束語

對2012年8月至2013年7月太陽活動高年海口地區擴展F和GPS L1頻段電離層閃爍觀測數據進行了相關性分析,發現我國海口地區擴展F和電離層閃爍事件具有較好的相關性,但在起始時間和結束時間存在一定差異。在21:00LT以前,GPS電離層閃爍平均起始時間比擴展F稍早,可能是該時段的電離層不均勻體源于赤道電離層不均勻體的北向擴展,且起始階段便包含低于1 km的中小尺度電離層不均勻體所致。擴展F結束時間比電離層閃爍結束時間略有滯后,平均滯后時間約為1.2 h,可能是在電離層不均勻體消亡階段,1 km以下中小尺度的不均勻體首先耗散消失所致。后續將利用更長周期的觀測數據來深入分析二者的相關性及其隨季節、太陽活動周期等的變化特征。

[1] MEDEIROS R T, DE ABDU M A, KANTOR I J. A comparative study of VHF scintillation and spread F events over natal and fortaleza in Brazil[J].Journal of Geophysical Research 1983(88):6253-6258.

[2] 龍其利,馬健敏. 海口VHF信號幅度閃爍觀測結果[J]. 電波與天線,1996,11(2):1-4.

[3] IYER K N, JIVANII M N, PATHAN B M,etal. Equatorial spread F: Statistical comparison between ionosonde and scintillation observations and longitude dependence[J]. Advances in Space Research, 2003, 31(3):735-740.

[4] 朱太平,龍其利. 低緯電離層閃爍與擴散[J].電波科學學報,1995,10(3):69-71.

[5] WANG G J,SHI J K,SHANG S P,etal. Correlations between strong range spread-F and GPS L-band scintillations observed in Hainan in 2004[J]. Chinese Physics Letters, 2009, 26(1):375-378.

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[7] BéNIGUEL Y, ADAM J -P, JAKOWSKI N. Analysis of scintillation recorded during the PRIS measurement campaign.[J].Radio Science 2009, 44, RS0A30.doi:10.1029/2008RS004090.

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[9] BéNIGUEL Y. Global ionospheric propagation model (GIM): A propagation model for scintillations of transmitted signals[J].Radio Science, 2002, 37(3): 1032-1044.

[10]甄衛民,龍其利,馬健敏,等. 磁赤道異常區電離層F區不均勻體發展過程中的閃爍譜研究[J].空間科學學報,1995,15(2):143-147.

Correlation Analysis on Occurrence Time of Spread F and Ionospheric Scintillations in Haikou Region

LI Jingjing,SHENG Dongsheng,ZHANG Hongbo

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Using spread F observations and GPS L1-band ionospheric scintillation observations recorded by ionosonde and GPS L1-band Ionospheric Scintillation monitor respectively in Haikou region during August 2012 and July 2013, we carried out correlation analysis on the occurrence time of each other. It’s found that there is a good correlation between the occurrences of Spread F and GPS L1-band ionospheric scintillation. The correlation coefficient is 0.95.Due to development and evolution characteristics of low-latitude ionospheric irregularities during solar maximum and different observing modes of equipments, the average starting time of GPS ionospheric scintillations is a little earlier than that of Spread F, and the average end time of the latter is somewhat lagged. Analysis from the statistical results also showed that small scale irregularities less than 1km died off firstly in the decay phase of ionospheric irregularities.

Spread F; ionospheric scintillation; irregularity; correlation analysis

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.009

2016-12-12

TN966

A

1008-9268(2017)02-0040-04

李靜靜 (1984-),女,工程師,主要研究方向為電波環境數據處理與電波傳播預測技術。

盛冬生 (1986-),男,工程師,主要研究方向為電離層閃爍及其影響評估技術。

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。

聯系人: 李靜靜E-mail:lijingjing2009@yeah.net