司南電離層監(jiān)測機(jī)精度分析

王譽錚，周禧田

（1.北京建筑大學(xué) 測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616；2.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300308）

電離層是高度約為60~1000km 范圍內(nèi)的離子化大氣層，大量的自由電子和正離子存在于該區(qū)域內(nèi)[1]。當(dāng)GNSS 衛(wèi)星信號穿過電離層時，會發(fā)生反射、折射、散射和吸收等現(xiàn)象，使信號產(chǎn)生傳播時延、色散效應(yīng)和多普勒效應(yīng)等[2]。電離層電子密度不均性會影響無線電波的速度及傳播質(zhì)量，使信號發(fā)生的振幅、相位以及偏振方向快速隨機(jī)起伏現(xiàn)象被稱為電離層閃爍。統(tǒng)計表明，電離層閃爍有明顯的日變化，并受當(dāng)?shù)氐胤綍r、季節(jié)、經(jīng)緯度、太陽活動和地磁活動所影響[3-4]。在太陽活動比較劇烈的時候，電離層閃爍比平時更加劇烈[5]。在不同緯度，電離層閃爍的程度也不一樣，一般在中緯度地區(qū)電離層閃爍主要發(fā)生在夜間且閃爍程度大，而白天很少有閃爍發(fā)生[6]。

電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)是引起電離層閃爍的原理。在20 世紀(jì)50 年代中期以前，關(guān)于電離層結(jié)構(gòu)及物理特性的探討主要使用地面電離層測高儀。在20 世紀(jì)50 年代后，隨著地球衛(wèi)星的研發(fā)成功，電離層探測進(jìn)入了一個從地面到空間的觀測時代。除了電離層測高儀，大功率雷達(dá)（相干和非相干雷達(dá)）是后來發(fā)展起來的探測手段。雷達(dá)的頻率范圍有數(shù)十兆到數(shù)百兆之間，探測頻率是大于電離層的最大頻率，收到的是不規(guī)則結(jié)構(gòu)或者電子的散射波。利用非相干散射雷達(dá)可以獲得有關(guān)電離層中不規(guī)則結(jié)構(gòu)的漂移速度、相應(yīng)的電場或漂移等信息[7]。

但是由于非相干散射雷達(dá)造價和運營的成本昂貴，難以推廣。同時，全天空光學(xué)圖像也被應(yīng)用于等離子體泡的觀測與研究[8]。

另一類探測技術(shù)主要是依據(jù)電離層對電波傳播的效應(yīng)。即當(dāng)衛(wèi)星信號穿過電離層的時候，其相位路基、群路基和信號強度都會受電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的影響，造成多普勒頻移或偏振面旋轉(zhuǎn)等，這樣就可以得到沿傳播路徑的積分效應(yīng)（電離層電子含量）[9]。

隨著大量電離層閃爍探測設(shè)備的發(fā)明和探索數(shù)據(jù)的大量積累，國際上很多機(jī)構(gòu)建立了區(qū)域或全球電離層閃爍經(jīng)驗?zāi)Ｊ剑糜陔婋x層閃爍的預(yù)報。NWRA（Northwest Research Associates）組織根據(jù)電離層等離子不規(guī)則的結(jié)構(gòu)和穿過電離層的電波傳播效應(yīng)，提出了一種電離層閃爍模型WBMOD。WBMOD 可以通過結(jié)合實時電子密度不規(guī)則結(jié)構(gòu)和電離層閃爍資料，比較準(zhǔn)確地估算出當(dāng)前的電離層閃爍情況。Grovesetat 將WBMOD 模型應(yīng)用在SCINDA（Scintillation Network Decision Aid）系統(tǒng)上，可以向用戶實時提供區(qū)域性的電離層閃爍狀況預(yù)報[10]。

為此，國內(nèi)對電離層閃爍的監(jiān)測進(jìn)行了大量研究，本文將國內(nèi)的司南電離層監(jiān)測機(jī)與Spetentrio PolaRx5s 電離層監(jiān)測機(jī)進(jìn)行比較。

1 電離層閃爍指數(shù)

在電離層閃爍過程中，通過計算幅度閃爍指數(shù)和相位閃爍指數(shù)來衡量電離層閃爍造成的影響，其中幅度閃爍指數(shù)尤為重要[11]。GNSS 接收機(jī)收到的信號可以用以下簡化模型表達(dá)

式中：r（t）是接受的信號，p 是收到的信號功率（watts），w 是載波頻率（rad/s），s（t）為歸一化后的傳輸信號，n（t）為信號造成，φ 為接收機(jī)接受的載波相位。

電離層閃爍引起的幅度或相位擾動以及閃爍下的信號可以用以下模型表示

式中：δφ 為接收機(jī)接受的載波相位誤差。

1.1 幅度閃爍指數(shù)

幅度閃爍一般由尺度在數(shù)十米至數(shù)百米的不規(guī)則體引起的，確切地說是小于第一非涅爾半徑的不規(guī)則體。S4 是表征電離層閃爍強度的一個重要指標(biāo)，定義為每分鐘信號強度的標(biāo)準(zhǔn)差除以接收功率的平均值[12]。但為更精確確定幅度變化情況，信號強度還需要剔除信號源運動和多路徑效應(yīng)等對接受信號的影響，在本文中主要通過濾波的方式剔除[13-14]。

式中：＜*＞表示*的數(shù)學(xué)期望，SI 表示信號的強度。S4越大，則表示電離層閃爍得越強，當(dāng)達(dá)到1 時閃爍達(dá)到了飽和。

1.2 相位閃爍指數(shù)

相位閃爍也是衡量電離層閃爍強弱的重要指標(biāo)之一，表示接受信號的相位變化情況。通常是由尺度數(shù)百米至數(shù)千米的不規(guī)則體引起的，用phi 表示相位閃爍指數(shù)，定義為載波相位的標(biāo)準(zhǔn)差[15-18]。

式中：φ 為接收機(jī)接受的載波相位。由于幅度和相位閃爍指數(shù)對頻率不同的依賴性，導(dǎo)致相位閃爍指數(shù)比幅度閃爍指數(shù)更為敏感。

2 實驗方案和結(jié)果

2.1 方案

方案1：在單GPS 系統(tǒng)下，分別使用司南電離層監(jiān)測機(jī)和Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測機(jī)監(jiān)測L1C 頻率的幅度閃爍差值時間序列數(shù)據(jù)。

方案2：在單GPS 系統(tǒng)下，分別使用司南電離層監(jiān)測機(jī)和Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測機(jī)監(jiān)測L1C 頻率的相位閃爍差值時間序列數(shù)據(jù)。

方案3：在單BDS 系統(tǒng)下，分別使用司南電離層監(jiān)測機(jī)和Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測機(jī)監(jiān)測BIL 頻率的幅度閃爍差值時間序列數(shù)據(jù)。

2.2 結(jié)果

一般電離層閃爍中的幅度閃爍可以分為3 個等級：弱閃爍（0.1＜S4＜0.3）、中等閃爍（S4＞0.3）、高等閃爍（S4＞0.6）。從圖1 和圖2 可以看出，對比GPS 在L1C頻率中Septentrio 和司南的幅度閃爍發(fā)現(xiàn)，用Septentrio 電離層閃爍監(jiān)測機(jī)監(jiān)測發(fā)生中等幅度閃爍衛(wèi)星數(shù)大于司南電離層閃爍監(jiān)測機(jī)，而且司南電離層閃爍監(jiān)測機(jī)監(jiān)測的幅度閃爍一般都是弱閃爍，意味著在監(jiān)測期間電離層閃爍對數(shù)據(jù)接受以及定位影響不大。同時從2 個電離層閃爍監(jiān)測機(jī)看出發(fā)生幅度閃爍一般是中午和凌晨2 個時間段。

圖1 在GPS 的1 號衛(wèi)星L1C 頻率，司南電離層監(jiān)測機(jī)與Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測機(jī)監(jiān)測的幅度閃爍差值時間序列數(shù)據(jù)

圖2 在GPS 的2 號衛(wèi)星L1C 頻率，司南電離層監(jiān)測機(jī)與Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測機(jī)監(jiān)測的幅度閃爍差值時間序列數(shù)據(jù)

在圖3 和圖4，Septentrio 和司南在GPS 的相位閃爍活動時間序列可以看出，相同衛(wèi)星存在變化趨勢一致的部分，只是由于不同電離層監(jiān)測機(jī)觀測，導(dǎo)致觀測衛(wèi)星數(shù)目不統(tǒng)一和觀測的相位閃爍標(biāo)準(zhǔn)不一致使數(shù)值之間存在差異。但對于Septentrio 和司南電離層監(jiān)測機(jī)，相位閃爍變化大都是處于中午和凌晨時間段。

圖3 在GPS 的1 號衛(wèi)星L1C 頻率，司南電離層監(jiān)測機(jī)與Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測機(jī)監(jiān)測的相位閃爍差值時間序列數(shù)據(jù)

圖4 在GPS 的2 號衛(wèi)星L1C 頻率，司南電離層監(jiān)測機(jī)與Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測機(jī)監(jiān)測的相位閃爍差值時間序列數(shù)據(jù)

從圖5 和圖6 可以看出，從趨勢上：Septentrio 和司南監(jiān)測到幅度閃爍變化趨勢是有一定相似的，都是在中午、凌晨這個時間段發(fā)生幅度閃爍快速變化。從大小上：司南電離層閃爍監(jiān)測機(jī)監(jiān)測到的衛(wèi)星幾乎都是發(fā)生弱幅度閃爍，故需要探討誰監(jiān)測的幅度閃爍更準(zhǔn)確，則需要從接受數(shù)據(jù)質(zhì)量或者定位精度等方面進(jìn)行比較。

圖5 在BDS 的1 號衛(wèi)星BIL 頻率，司南電離層監(jiān)測機(jī)與Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測機(jī)監(jiān)測的幅度閃爍差值時間序列數(shù)據(jù)

圖6 在BDS 的2 號衛(wèi)星BIL 頻率，司南電離層監(jiān)測機(jī)與Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測機(jī)監(jiān)測的幅度閃爍差值時間序列數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

在GPS 系統(tǒng)，司南電離層監(jiān)測機(jī)監(jiān)測的電離層幅度閃爍和相位閃爍在精度上與Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測機(jī)相一致，幅度閃爍互差和相位閃爍互差不超0.1mm。因此，在電離層閃爍的地區(qū)，對GPS 電離層閃爍監(jiān)測的設(shè)備可以用司南電離層監(jiān)測機(jī)代替Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測機(jī)。

在BDS 系統(tǒng)，本文對電離層幅度閃爍進(jìn)行了實驗，司南電離層監(jiān)測機(jī)和Septentrio PolaRx5s 電離層監(jiān)測機(jī)監(jiān)測的幅度閃爍變化趨勢是有一定相似。在電離層閃爍程度不大的情況下，對BDS 電離層幅度閃爍監(jiān)測的設(shè)備可以用司南電離層監(jiān)測機(jī)代替Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測機(jī)。

綜合上述，不論對GPS 系統(tǒng)還是BDS 系統(tǒng)電離層閃爍監(jiān)測，司南電離層監(jiān)測機(jī)的監(jiān)測精度相對Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測機(jī)的監(jiān)測精度十分接近。