基于SHF的歐洲區(qū)域電離層模型建立概述*

張明澤

遼寧工程技術(shù)大學(xué)測繪與地理科學(xué)學(xué)院 遼寧 阜新 123000

引言

近地空間環(huán)境的組成包括中高層大氣（對流層，平流層）、電離層以及磁層。中高層大氣位于地面至地球上層60km處。電離層是近地空間環(huán)境的重要組成部分。位于地球上層約60～2000km之間大氣中的分子和原子在太陽的紫外線，X射線和高能粒子的作用下發(fā)生電離，形成了等離子體區(qū)域，這個(gè)區(qū)域被稱為電離層[1]。位于電離層頂至數(shù)萬千米處的區(qū)域?yàn)榇艑印ｋ婋x層中的自由電子和離子是電磁波傳播的主要誤差源之一，會(huì)給導(dǎo)航定位帶來延遲誤差。電離層延遲一般在幾米左右，但當(dāng)太陽黑子活動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)，電離層電子密度會(huì)上升，電離層延遲會(huì)增大，達(dá)到10米甚至幾十米[2]。因此，削弱和消除電離層延遲對導(dǎo)航定位的影響成為當(dāng)今全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)領(lǐng)域急需解決的問題[3]。電離層的相關(guān)科學(xué)研究(例如，電離層風(fēng)暴、電離層閃爍和地磁風(fēng)暴、地震和海嘯的異常變化)也需要對電離層狀態(tài)進(jìn)行永久和持續(xù)的監(jiān)測。因此，如何最好地獲得全球范圍內(nèi)具有高空間和時(shí)間分辨率的連續(xù)精確電離層模型是精確定位和空間氣象應(yīng)用的一個(gè)熱門方向[4]。

1 建模方法

進(jìn)行區(qū)域電離層建模時(shí)，實(shí)驗(yàn)采用的十五階球諧函數(shù)模型，因?yàn)槠渚哂袃?yōu)良的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)并能較好地反映總電子含量的時(shí)空分布變化。VTEC球諧函數(shù)模型的表達(dá)式為：

2 數(shù)據(jù)來源以及實(shí)驗(yàn)流程

本文選取時(shí)間為2019年第305天至第334天長達(dá)30天的全球均勻分布的240個(gè)cors站作為基準(zhǔn)站，實(shí)驗(yàn)采用GPS、Glonass、Galileo觀測值進(jìn)行全球電離層建模。觀測數(shù)據(jù)的采樣間隔為30s，衛(wèi)星截止高度角采用10°。電離層薄層高度選擇為450km，時(shí)間分辨率1h，空間分辨率5°×2.5°，廣播星歷為IGS提供。本次實(shí)驗(yàn)中，歐洲區(qū)域電離層建模采用十五階球諧函數(shù)模型，按照標(biāo)準(zhǔn)電離層格網(wǎng)的格式進(jìn)行輸出。

3 電離層穿刺點(diǎn)分析

電磁波源由外空間向地球上某點(diǎn)傳播時(shí)，該電磁波束射入電離層時(shí)的交點(diǎn)被稱為電離層穿刺點(diǎn)。分析IPP的特點(diǎn)以及全球定位系統(tǒng)、GLONASS和伽利略的電離層可觀測值的精度。圖1顯示了2019年11月4日2小時(shí)內(nèi)(UT00:00-02:00)三個(gè)系統(tǒng)的IPP分布。如圖1所示，GPS系統(tǒng)的IPP分布最密集，覆蓋范圍為全球大部分大陸地區(qū)，因?yàn)镚PS系統(tǒng)具有全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座，使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息。并且GPS在全球范圍內(nèi)有大量的跟蹤站，囊括了全球大部分地區(qū)。隨著GLONASS恢復(fù)工作的完成，它在大多數(shù)地區(qū)都有很好的IPP分布，但和GPS系統(tǒng)相比，雖然穿刺點(diǎn)分布大致相同，但密集程度明顯低于GPS系統(tǒng)。這一發(fā)現(xiàn)的主要原因之一是，目前只有13顆運(yùn)行衛(wèi)星，其中5顆是地球靜止衛(wèi)星，無法隨著時(shí)間的推移提高IPP分布的空間分辨率。此外，跟蹤北斗衛(wèi)星的監(jiān)測站相對有限，分布不均勻，導(dǎo)致IPP數(shù)遠(yuǎn)小于GPS。由于受到衛(wèi)星數(shù)量的限制，伽利略系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)比北斗系統(tǒng)擁有更少的獨(dú)立定位衛(wèi)星。毫無疑問，隨著北斗和伽利略衛(wèi)星數(shù)量的增加和IGS跟蹤網(wǎng)絡(luò)的升級，軌道上的MGEX站和北斗和伽利略衛(wèi)星將越來越多；這意味著IPP分布將在世界大部分地區(qū)變得非常密集。此外，電離層監(jiān)測能力也將進(jìn)一步得到加強(qiáng)。

圖1 各系統(tǒng)穿刺點(diǎn)位置

4 VTEC精度分析

對全球CORS站的2019年第305天-334天的GPS,Glonass，Galileo雙頻觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，采用載波相位平滑偽距的方法對電離層延遲觀測量進(jìn)行提取，采用最小二乘估計(jì)，得到各個(gè)時(shí)段球諧系數(shù)作為模型參數(shù)，建立全球電離層模型，并進(jìn)行精度評估與可靠性分析。得到的30天的VTEC平均值如圖2。從圖2可以看出，利用GPS，Glonass，Galileo計(jì)算出的電離層VTEC雖然數(shù)值上略有偏差，但是從趨勢上看，它們的趨勢大致相同。

圖2 多系統(tǒng)VTEC平均值

以CODE提供的電離層產(chǎn)品作為參考值，將建立的全球電離層產(chǎn)品與CODE提供的電離層產(chǎn)品進(jìn)行比較分析，比較后將得到的VTEC差值作為評價(jià)依據(jù)。圖3描繪處年積日為305-334日的全球電離層模型與CODE發(fā)布全球模型VTEC差值統(tǒng)計(jì)。

圖3 多系統(tǒng)VTEC差值分析

從圖上可以看出，用GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行全球電離層建模的精度最高，與CODE提供的電離層產(chǎn)品最為接近。第332天差值的RMS和平均值的絕對值達(dá)到最大，分別是2.52TECU和0.35TECU，第318天差值的RMS和平均值的絕對值最小，分別為1.75TECU和0.05TECU。30天RMS的均值為2.08。GPS、Glonass、Galileo趨勢相同，但Glonass數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，波動(dòng)性較大。

5 結(jié)束語

本文利用2019年326天至332天的歐洲CORS站的GPS雙頻觀測數(shù)據(jù)建立全球電離層模型，并對建立的全球電離層模型進(jìn)行可靠性、穩(wěn)定性分析，得出以下結(jié)論。

GPS系統(tǒng)的IPP分布最為密集，遍布全球大部分陸地。Glonass和GPS系統(tǒng)相比，雖然穿刺點(diǎn)分布大致相同，但密集程度明顯低于GPS系統(tǒng)。Galileo系統(tǒng)穿刺點(diǎn)分布最小。

GPS，Glonass，Galileo計(jì)算出的電離層VTEC雖然數(shù)值上略有偏差，但是從趨勢上看，它們的趨勢大致相同。

GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行全球電離層建模的精度最高，GPS、Glonass、Galileo趨勢相同，但Glonass數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，波動(dòng)性較大。