基于GNSS觀測的核爆相關參數估計研究

孫陽,苗家友,王帥,熊雯,於曉,

(1.96669部隊610分隊,北京 100036;2.火箭軍裝備研究院,北京 100094;3.青島市公路管理局,山東 青島 266000;4.中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

0　引　言

對核爆進行研究的傳統手段包括電磁脈沖、次聲波、水聲、地震波等[1]。隨著研究的深入以及觀測手段的豐富,人們逐漸認識到,核爆會對電離層產生巨大的影響,包括引發行進式電離層擾動[2-3]。早在20世紀70年代,中國電波傳播研究所的焦培南等人就利用在河南新鄉布設的電離層返回散射探測設備,在超視距情況下觀測到了一次核爆炸的電離層效應,計算了附加電離區的大小并估算了附加電離區的平均電子濃度和電離層TID的傳播速度[4]。近年來,GNSS技術日益成熟,與之相關的應用領域發展迅速。劉正彥等人利用地面GPS接收機數據計算TEC,發展了利用差分總電子含量來觀察電離層擾動引起的GPS信號的多普勒頻移效應,并在此基礎上提出了利用GNSS數據研究地震和海嘯引發的行進式電離層擾動的方法[5-7]。

本文通過對2016年1月6日朝鮮地下核試驗期間數個IGS站的觀測數據進行分析,提取出電離層擾動信息,再分別采用影響范圍分析法、射線追蹤法和波束聚集法來確定核爆的爆心位置以及電離層TID的傳播速度,計算結果與實際結果基本一致,表明上述方法確定核爆參量的可行性。

1　方法介紹

基于GNSS觀測數據的核爆爆心定位的方法主要有以下幾種:

1) 影響范圍分析法

以各觀測站為圓心,假定傳播速度已知,以傳播速度與傳播時間的乘積為半徑畫圓,圓形面積的重合區域就是最可能的核爆爆心位置。這種方法實現比較簡單,但只能獲取核爆爆心和TID傳播速度的大致范圍。

射線追蹤法需要先對核爆爆心可能所在的區域進行網格劃分,假定每個網格點都是可能的核爆爆心x0,假定電離層TID的傳播速度為ν0,并由此得到電離層TID的傳播時間Δti

(1)

聯系人: 熊雯E-mail: crirp_xw@163.com

式中:Si為假定的核爆爆心到接收機i對應的電離層穿刺點的距離。將多個觀測站記錄的電離層TID的接收時間ti,減去電離層TID的傳播時間Δti,就可以得到核爆電離層擾動的發生時間t0i.假如觀測到了N個電離層TID,則起始時間的標準差可以表示為

(2)

由于核爆的發生時間只有一個,那么通過多個觀測站的觀測結果反推的核爆發生時間應該要一致。當以某個網格點為假定的核爆爆心反推出來的核爆發生時間的標準差為最小值時,這個網格點的坐標即為正確的核爆爆心坐標。

3) 波束聚集法

波束聚集法假定核爆的爆心位置和發生時間已知。需要先對核爆爆心可能所在的區域進行網格劃分,假定每個網格點都是可能的核爆爆心x0,假定的核爆發生時間為t0,接收機記錄到的電離層TID的接收時間為ti,則電離層TID的傳播時間Δti為

對于行政事業單位來說，強化會計內部控制意識主要是為了發揮會計作用，保證行政事業單位可以依照當前的經濟形勢采取相應的經濟管理措施，促進單位經濟資源的高效利用。上級單位應加強行對行政事業單位領導的內部控制培訓工作，將會計內部控制效果與考核相掛鉤，從而樹立單位領導層的內部控制理念，重視會計內部控制工作，積極主動去深入研究會計內部控制工作及辦法。基層財務管理人員也應積極提高自身的責任意識和會計內部控制意識，多層次多方面提高自身業務管理水平，從而強化會計內部控制工作在實際執行過程中的水平，促進行政事業單位會計內部控制工作有效性提升。

Δti=ti-t0.

(3)

假定核爆爆心x0到其電離層穿刺點xi的距離為Si,可計算每個TID的傳播速度υi:

(4)

對于N個觀測站接收到的電離層TID,傳播速度的標準差可以表示為

(5)

當標準差為最小值時,所假定的t0與x0就是正確的核爆發生時間和位置。

2　計算結果

對2016年1月6日朝鮮地下核試驗期間不同IGS站點(daej、suwn和usud)的觀測數據進行了分析,此次地下核試驗的相關信息以及接收站點的信息如表1所示。分別根據不同的方法得到了不同定位結果。

表1　2016年1月6日朝鮮核爆相關站和爆心的位置信息

1) 影響范圍分析法計算結果

以daej、suwn和usud為圓心,考慮不同的傳播速度并以傳播速度與傳播時間的乘積為半徑畫圓,得到的結果如圖1所示。

當假定信號的傳播速度為200 m/s時,以usud站為圓心的圓與另外兩個圓幾乎沒有重合區域。但隨著傳播速度的增加,到了220 m/s的時候,三個圓開始出現明顯的交匯區域。當速度增加到270 m/s的時候,三個圓交匯在一個點上,且該點位于朝鮮核試驗的試驗地點附近。當速度繼續增加到300 m/s以上時,三個圓圈逐漸沒有共同匯集的區域。用影響范圍分析得到的電離層TID傳播速度范圍約為220～270 m/s.

2) 射線追蹤法計算結果

圖2給出了不同傳播速度條件下,利用射線追蹤法定位到的核爆爆炸點位置。

在射線追蹤法對核爆爆炸點定位的仿真計算中,選取的區域經度范圍是120°E～140°E,緯度范圍是30°N～45°N,經度和緯度方向上的網格精度均為0.5°,最終發現當電離層TID傳播速度取值為280 m/s時,起始時間的標準差最小,表明當電離層TID傳播速度為280 m/s時,對應的仿真結果就是核爆爆心位置。

在仿真分析過程中發現,當電離層TID的傳播速度取200 m/s時,定位結果與核爆真實爆炸點(129.0716°E,40.5°N)的距離大約是400 km. 隨著傳播速度的增加,定位結果逐漸向核爆真實爆炸點靠近,當傳播速度達到280 m/s時,由射線追蹤法計算得到的爆炸點經緯度為127°E,40.5°N,與真實爆炸點的位置相距約247 km. 當傳播速度超過280 m/s以后,定位結果與真實爆炸點之間的偏差也逐漸增加。

3) 波束聚集法計算結果

如圖3所示,在波束聚集法對核爆爆炸點定位的仿真計算中,選取的區域經度范圍是120°E～140°E,緯度范圍是30°N～45°N,經度和緯度方向上的網格精度均為0.5°.最終發現當核爆發生時間取值為01:33UTC時,電離層TID傳播速度的標準差最小,表明當核爆發生時間取值為01:33UTC時,對應的仿真結果就是核爆爆心位置。

在仿真分析過程中發現,當假定核爆的發生時間為01:07UTC時,定位出來的結果與核爆真實爆炸點(129.0716°E,40.5°N)的距離大約是222 km.隨著爆炸時間的后移,定位結果逐漸向核爆真實爆炸點靠近,當核爆的發生時間取01:33UTC時,由波束聚集法計算得到的爆炸點經緯度為128.5°E,40.5°N,與真實爆炸點的位置相距約109 km.當爆炸時間再往后移,定位結果與真實爆炸點之間的偏差也逐漸增加。

3　討論

本文分別利用影響范圍分析法、射線追蹤法和波束聚集法對核爆的爆炸點進行定位,并對電離層TID的傳播速度進行了估計。結果表明:

1) 影響范圍分析法只能確定核爆爆炸點的大致位置。對于射線追蹤法和波束聚集法,定位精度大約為109～247 km,電離層TID傳播速度范圍大致為220～280 m/s;

2) 利用射線追蹤法和波束聚集法對核爆爆炸點位置進行計算時,定位精度很大程度上取決于網格劃分的精度,IGS接收到電離層TID的時間精度和站點分布的幾何構型。未來需要對定位算法進行優化,以提高其定位精度。

目前該方法只能用來估算電離層TID的傳播速度以及確定核爆爆炸點位置,對核爆的其他參量尚不能進行估算。未來可以考慮嘗試根據核爆歷史數據,建立核爆當量/爆高與電離層TID強度之間的經驗關系,如果它們之間存在某種定量關系,則可將其用于對核爆當量/爆高的估算之中。

4　結束語

利用GNSS信號進行遙感探測是GNSS應用的新領域,尤其是利用GNSS的雙頻測量特點,可以實現對電離層環境擾動的探測。

本文利用2016年1月6日朝鮮地下核試驗期間部分IGS站點的觀測數據對核爆爆心位置和電離層TID傳播速度進行了估計,實現了利用GNSS數據對核爆觸發的電離層擾動事件進行探測以及計算核爆參數的目的。

考慮到電離層對核爆探測的有效性,未來可以考慮將電離層探測手段納入到核爆探測體系中。

[1]毛用澤. 衛星(天基)核爆探測技術進展[J]. 世界科技研究與發展,1998. 20 (6): 50-66.

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[3]KANELLAKOS D P. 1967. Response of the ionosphere to the passage of acoustic-gravity waves generated by low-altitude nuclear explosions [J]. J. Geophys. Res., 72, 4559-4576.

[4]焦培南. 利用高頻返回散射技術探測遠地核爆炸電離層效應[J]. 地球物理學報,1986, 29 (5): 425-431.

[5]LIU J Y, LIN C H, TSAI H F,etal. Ionospheric solar flare effects monitored by the ground-based GPS receivers: Theory and observation [J]. J. Geophys. Res., 2004,109, A01307. doi: 10.1029/2003JA009931.

[6]LIU J Y, TSAI H F, LIN C H,etal.Coseismic ionospheric disturbances triggered by the Chi-Chi earthquake [J]. J. Geophys. Res., 2010,115, A08303. doi: 10.1029/2009JA014943.

[7]LIU J Y, CHEN C H, CLIN C H. Ionospheric disturbances triggered by the 11 March 2011 M9.0 Tohoku earthquake [J]. J. Geophys. Res., 2011,116, A06319. doi: 10.1029/2011JA016761.