不同地磁活動下全球電離層產品的評估

胡翔宇，李 新，陳子越，張茜，李淑慧

不同地磁活動下全球電離層產品的評估

胡翔宇，李 新，陳子越，張茜，李淑慧

（中國地質大學，北京 100083）

針對地磁活動會對電離層產品產生影響的問題，提出一種不同地磁活動下全球電離層產品的評估方法：通過評估6家電離層聯合分析中心（IAACs）發布的全球電離層地圖（GIM）總電子含量（TEC）數據在不同地磁活動條件下的精度，比較2018年地磁平靜（8月19—24日）和擾動（8月25—30日）的2個時間段各個分析中心產品的差異。結果表明，磁暴期間，各個分析中心的平均全球總電子含量相對于平靜期間可增加0.5個總電子含量單位（TECU）左右；同時磁暴期間的GIM產品精度降低，與全球定位系統（GPS）實測垂直總電子含量（VTEC）相比，各個分析中心模型均方根誤差（RMS）可平均增大0.2個TECU，與詹森2號（Jason-2）測高衛星提供的VTEC相比，各個分析中心RMS可平均增大0.4個TECU；加拿大自然資源部門（EMR）和歐洲太空局（ESA）的產品受地磁擾動影響較大，歐洲定軌中心（CODE）的產品和IGS綜合GIM的產品受地磁擾動影響最小；地磁擾動對各個分析中心的產品在低緯度地區和高緯度地區的精度影響較大，對中緯度地區的精度影響相對較小。

全球電離層地圖（GIM）；總電子含量（TEC）；地磁活動；全球衛星導航系統（GNSS）；詹森2號（Jason-2）測高衛星

0 引言

國際全球衛星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）服務組織（International GNSS Service，IGS）于1998年成立了電離層工作組[1]。目前在全球范圍內設有7個電離層分析中心：歐洲定軌中心（Center Orbit Determination Europe，CODE）、美國噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）、歐洲太空局（European Space Agency，ESA）、西班牙加泰羅尼亞理工大學（Universitat Politècnica de Catalunya，UPC）、加拿大自然資源部門（Natural Resources Canada，EMR）、中國科學院（Chinese Academy of Sciences，CAS）測地所和光電院與武漢大學（Wuhan University，WHU）[2]。各個分析中心根據GNSS觀測值計算全球電離層地圖（global ionospheric map，GIM）產品的數學模型和策略不同：JPL分析中心采用的是球面三角格網模型；UPC分析中心采用的是球面雙層均勻格網模型；CODE、ESA、EMR均采用了球諧函數模型；CAS分析中心采用了球諧函數和廣義三角級數結合的模型；IGS綜合GIM由CODE分析中心的GIM 和JPL分析中心的GIM綜合得到。由于各分析中心所用模型不盡相同，因此造成了最終GIM的精度差異[2-3]。同時，用于提取電離層參數的GNSS測站的全球分布并不均勻，北半球較多，而南半球測站較少，大片區域缺少有效的觀測數據，因此GIM產品描述的電離層總電子含量（total electron content，TEC）在不同地區的精度也不同[4]。將各個分析中心GIM產品的精度和一致性進行全面評價，對于電離層產品的應用具有參考意義。建立高精度的電離層格網模型，可以有效提高定位授時服務精度，對于衛星導航系統、衛星通信系統、空間天氣監測領域有著重大意義[5]。

目前主要的評估方法是利用地面GNSS測站的實際觀測數據獲取電離層TEC值和利用低軌衛星的電離層數據評價GIM產品[2,6-8]。文獻[2]利用全球定位系統（global positioning system，GPS）實測電離層TEC來比較GIM產品，結果認為WHU的模型內符合精度和CODE基本相當，均值約為1.4個總電子含量單位（total electron content units，TECU），且與電離層活動水平和地理緯度存在顯著的相關性。文獻[8]基于詹森2號（Jason-2）測高衛星對全球GIM產品進行評價，結果表明CODE、CAS、JPL和UPC分析中心的GIM精度相對較高。

電離層TEC受太陽活動和地磁活動條件的影響較大，因此GIM產品在不同條件下的精度也有必要進行全面評估[9]。本文分別選取2018年地磁平靜（8月19—24日）和擾動（8月25—30日）2個時間段，對6家電離層聯合分析中心（ionosphere associate analysis center， IAAC），即CODE、WHU、JPL、EMR、ESA和CAS的全球電離層產品在不同地磁活動條件下的精度和性能進行評價。

1 數據與方法

1.1 2018年8月19—30日地磁活動分析

本文選取地磁3 h磁情指數（Kp index，Kp指數）和赤道環形電流磁暴指數（disturbance storm time index，Dst指數）作為判斷地磁活動水平的依據。一般認為Kp指數在3以下認為是地磁活動處于平靜時期，Dst指數小于－50時發生磁暴[10]。如圖1所示為年積日（day of year，DOY）第231—242天的2018年8月19—30日的10倍Kp指數和Dst指數變化。從圖上可以看出，2018年8月19—24日為地磁活動平靜時期，而8月25—30日為明顯的磁暴發生的時間段。

圖1 2018年8月19—30日（DOY 231—242）的10倍Kp指數和Dst指數變化

1.2 全球電離層產品評價方法

本文采用4種評價方式對全球電離層格網產品進行分析：平均全球總電子含量（mean global TEC，MGEC）分析、與IGS綜合GIM的一致性分析、與GPS實測電離層垂直總電子含量（vertical total electron content，VTEC）的比較分析以及與Jason-2測高衛星VTEC的比較分析[8]。MGEC體現了全球電離層TEC的整體水平，是描述電離層活動的重要參數[11]。基于GIM產品計算MGEC的公式為

IGS綜合GIM是由各個分析中心的產品加權平均得到，具有更高的穩定性；將各個分析中心的GIM與IGS綜合GIM產品比較，可以體現不同算法之間的模型差異。利用GNSS觀測值可以算出測站和衛星視線方向上的傾斜電離層總電子含量（slant total electron content，STEC），將STEC投影到垂直方向，可得到VTEC數據[12]。利用雙線性內插法對IGS提供的GIM產品進行內插，可獲任意位置的電離層VTEC[13-14]。對于海洋地區的GIM數據，本文使用Jason-2測高衛星提供的VTEC數據進行評價[15]。該數據提供了海洋上空至測高衛星高度范圍的VTEC。

本文采用2種統計指標——模型偏差（bias）、模型均方根誤差（root mean square，RMS）來反映各個分析中心的GIM提取的VTEC與參考VTEC的差異，bias與RMS分別表示為：

1.3 數據來源

本文使用的地磁數據來源于https://omniweb. gsfc.nasa.gov/form/dx1.html。各個電離層分析中心的GIM產品以及IGS綜合GIM產品來源于ftp://igs.ign.fr/pub/igs/products/ ionosphere/。GPS觀測數據下載于ftp://igs.gnsswhu.cn。Jason-2測高衛星提供的VTEC數據來源于https://www. ncei.noaa. gov/data/oceans/jason2/gdr/gdr/。

2 實驗與結果分析

2.1 平均全球總電子含量（MGEC）分析

首先，本文分析了6個分析中心的GIM產品和IGS綜合GIM數據，求出MGEC，結果如圖2所示。分別統計了平靜時期與擾動時期的各個分析中心的MGEC，如圖3所示。在研究時間段內，各分析中心的MGEC大小分布在6～10個TECU之間。其中JPL的MGEC最大，達到8.5個TECU以上；其次是IGS綜合GIM的MGEC，在8個TECU左右；其余分析中心的結果相近，均在7個TECU左右。各個分析中心的MGEC大小隨時間變化趨勢一致，在磁暴期間，MGEC有較大的波動。各個分析中心擾動時期的MGEC比平靜時期的MGEC高0.5個TECU左右。

圖2 2018年8月19—30日（DOY 231—242）各個分析中心的MGEC

圖3 平靜（8月19—24日）與擾動（8月25—30日）時期各分析中心的MGEC統計

2.2 與IGS綜合全球GIM的一致性分析

將各個分析中心的GIM產品與IGS綜合GIM產品比較，其bias和RMS結果如圖4所示。在2018年8月19—30日時段內，各個分析中心的bias大小在1.5個TECU以內，各個分析中心的模型均方根誤差RMS大小在1～2.4個TECU之間。磁暴發生期間所有分析中心RMS均在1.6個TECU以上，所有分析中心精度降低。除了JPL，其他分析中心模型偏差均為負值。其中EMR的模型偏差較小，數值約為0.5個TECU，但模型均方根誤差較大。其他分析中心的模型偏差約為1個TECU。CODE GIM精度較好，模型偏差約為-1個TECU，均方根誤差約為1個TECU。

圖4 2018年8月19—30日（DOY 231—242）各個分析中心與IGS綜合GIM產品比較的bias與RMS

分別統計地磁平靜和擾動條件下各個分析中心的RMS值，結果如圖5所示。從圖中可以看出EMR、ESA受到磁暴影響較大，模型均方根誤差較平靜時期增加0.2個TECU。6個分析中心的模型均方根誤差大小分布在1～2個TECU之間。各個分析中心擾動時期的模型均方根誤差比平靜時期高，在0.2個TECU以內。其中，EMR的模型RMS最大，CODE的RMS最小。EMR和ESA的RMS值最大，均在1.5個TECU以上。CODE、ESA、EMR、CAS均采用了球諧函數模型計算GIM，但是由于EMR和ESA分析中心建模時采用的IGS基準站數量相對其他分析中心為少，加上球諧函數模型的階次不一致，因此導致了EMR和ESA相較于其他分析中心受到電離層擾動影響更大[8]。

圖5 平靜（8月19—24日）與擾動（8月25—30日）時期各個分析中心與IGS綜合GIM比較的bias與RMS統計

2.3 與GPS實測VTEC的比較分析

在全球范圍內均勻選取40個測站。如圖6所示為2018-08-19的IGS綜合GIM產品在所選的40個IGS測站的RMS。分析不同電離層分析中心GIM相對于GPS實測VTEC在平靜與擾動時期的不同緯度地區的模型均方根誤差，如圖7所示。在磁暴發生期間，各個分析中心在不同緯度帶的均方根誤差都明顯增加了0.2～0.3個TECU左右，精度降低。JPL、ESA、EMR分析中心受磁暴影響最大。JPL分析中心磁暴期間低緯度地區的RMS達到了4個TECU，其余各個分析中心的RMS范圍在3個TECU之間，數值較小。磁暴前后，低緯度地區的精度都要低于中高緯度地區。

圖6 2018年8月19日IGS綜合GIM產品在每個觀測站的RMS

將研究時間段內各個分析中心的GIM產品與GPS實測電離層VTEC進行對比，得到模型偏差與均方根誤差，如圖8所示。2018年8月19—30日，各個分析中心與GPS實測電離層的偏差相比，偏差分布在－0.6～2個TECU以內。各個分析中心的模型偏差穩定，磁暴時期有一些波動。JPL分析中心的bias偏大，在2個TECU左右。相比于平靜時期，各個分析中心的產品的RMS在擾動時期基本上都增加了0.1個TECU左右。所有分析中心的RMS都在3個TECU以內，JPL分析中心精度最低，RMS在2.5個TECU左右。其他分析中心變化相近，精度相近。這源于JPL為了提高計算效率對基準站進行了篩選，基準站數量較少，在采用的離散格網模型計算時對基準站的依賴性較強，因此與全球各個地區的基準站存在一定偏差；同時由于基準站數量較少，JPL分析中心在磁暴發生期間更容易受影響。

圖8 2018年8月19—30日（DOY 231—242）各個分析中心GIM與GPS實測VTEC比較的結果

2.4 與Jason-2測高衛星VTEC的比較分析

對于海洋區域，GPS實測電離層VTEC數據無法全部涉及。Jason-2測高衛星的運行軌跡基本覆蓋全球的海洋范圍，可以用Jason-2測高衛星提供的VTEC數據評估全球電離層產品在海洋地區的精度。如圖9所示為2018-08-19的Jason-2測高衛星實測VTEC與IGS綜合GIM產品的RMS在全球的分布。可以看出2018-08-19的IGS綜合GIM產品與Jason-2測高衛星實測VTEC相比，赤道地區和兩極地區的RMS值較大，尤其南半球中高緯度部分地區的RMS值偏大。一方面，在40°S以南的海洋地區全球IGS基準站相對于其他地區來說較少，GIM的建模結果由各個基準站測量結果外推而來，相對于Jason-2測高衛星直接獲取的電離層TEC有一定偏差，因此Jason-2測高衛星的TEC數據在靠近IGS基準站的地區差異較小，在遠離IGS基準站的地區差異較大；另一方面，Jason-2測高衛星的測量原理和計算方式以及跟蹤軌跡與GNSS衛星有所不同，Jason-2測高衛星運行軌道低，測量結果不包含軌道以上的電離層TEC，因此觀測結果與GNSS存在系統差異。

圖9 2018-08-19的IGS綜合GIM產品與Jason-2測高衛星VTEC的RMS在全球的分布

使用Jason-2測高衛星實測VTEC分別評價各個分析中心的GIM產品精度及其在不同緯度帶的精度，如圖10所示。在地磁擾動的時間段，各個分析中心的RMS在不同緯度帶都比原來增大了0.3～0.5個TECU。同時，各個分析中心在低緯度地區和高緯度地區的模型均方根誤差普遍高于中緯度地區。40°S（南緯）和40°N（北緯）以上的地區RMS值較大，這主要是由于該區域IGS基準站數量較少，尤其在40°S—60°S地區海洋面積占了絕大多數，大片面積缺少有效的觀測數據，因此比北緯的同緯度地區精度更差。

圖10 平靜（8月19—24日）與擾動（8月25—30日）時期各分析中心GIM相對于Jason-2測高衛星實測VTEC在不同緯度帶的RMS

2018年8月19—30日不同電離層分析中心GIM相對于Jason-2測高衛星實測VTEC的bias與RMS，如圖11所示。2018年8月19—30日，不同分析中心提取的TEC與Jason-2測高衛星的VTEC數據的bias在－3～0.5個TECU之間，RMS在2～4個TECU之間。該偏差與GPS實測電離層的偏差相比更大。此外，各個分析中心的bias穩定，在磁暴時期有一些波動，而RMS變化較大，相比于平靜時期誤差都增加了0.5個TECU。ESA分析中心的精度最低，bias在－2.3個TECU左右，RMS在3.2～4個TECU左右，其余分析中心的結果相近。

圖11 2018年8月19—30日（DOY 231—242）各個分析中心GIM與Jason-2測高衛星實測VTEC比較的結果

3 結束語

本文從4個方面評價了2018年8月19—30日的全球電離層GIM產品精度，分析了地磁活動對電離層平均總電子含量以及電離層產品精度的變化，得出結論如下：

1）在磁暴發生期間，各個分析中心MGEC大小分布在6～10個TECU之間，比平靜時期的MGEC高0.5個TECU左右。磁暴期間，各個分析中心的MGEC的時間序列圖與地磁指數的時間序列圖趨勢表現出一定的相關性，地磁擾動使得全球平均總電子含量增大。

2）在磁暴發生期間，各個分析中心與IGS綜合GIM產品相比，與GPS實測電離層TECU相比，與Jason-2測高衛星實測VTEC相比，模型偏差均方根誤差都增加了0.2～0.5左右。磁暴期間的GIM產品精度值降低，EMR和ESA分析中心的精度受地磁指數影響最明顯，CODE和WHU分析中心的影響最小。

3）在地磁擾動的時間段，各個分析中心的模型均方根誤差在全球不同緯度范圍都比平靜時期有所增大，與GPS實測VTEC相比，模型均方根誤差平均增大0.2個TECU；與Jason-2測高衛星提供的VTEC相比，模型均方根誤差平均增大0.4個TECU。同時地磁擾動對各個分析中心的電離層產品精度都有較大影響，對低緯度地區的GIM數據影響明顯。

總體來說，受磁暴影響，各個分析中心的GIM的TEC含量會都增大，各個分析中心的GIM精度值都會下降，尤其在赤道附近的低緯度地區精度最低。而在高緯度地區，由于缺少IGS基準站，GIM產品與Jason-2測高衛星的數據有著較大差異。因此，融合多源數據，并考慮異常空間天氣的影響，是未來建立高精度的實時電離層模型的必要條件。

[1] FELTENS J. The activities of the ionosphere working group of the international GPS Service (IGS)[J]. GPS Solutions, 2003, 7(1): 41-46.

[2] 張強, 趙齊樂. 武漢大學IGS電離層分析中心全球電離層產品精度評估與分析[J]. 地球物理學報, 2019, 62(12): 4493-4505.

[3] 李涌濤, 馬洪磊, 李建文, 等. iGMAS全球電離層TEC格網產品精度分析[J]. 測繪科學, 2021, 46(2): 1009-2307.

[4] 蔡富. GNSS測站坐標非線性變化的全球分布規律與部分機制研究[D]. 信息工程大學, 2020.

[5] 姚宜斌, 高鑫. GNSS電離層監測研究進展與展望[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2022, 47(10): 1728-1739.

[6] HERNáNDEZ-PAJARES M, JUAN J M, SANZ J, et al. The IGS VTEC maps: A reliable source of ionospheric information since 1998[J]. Journal of Geodesy, 2009, 83(3-4): 263-275.

[7] DUMONT J, ROSMORDUC V, CARRERE L, et al. Jason-3 products handbook: SALP-MU-M-OP-16118-CN[Z]. Paris: CNES, 2016.

[8] 李子申, 王寧波, 李敏, 等. 國際GNSS服務組織全球電離層TEC格網精度評估與分析[J]. 地球物理學報, 2017, 60(10): 3718-3729.

[9] 陳志華, 施昆, 徐吉松. 磁暴期全球電離層電子含量變化分析研究[J]. 全球定位系統, 2019, 44(3): 38-48.

[10] 全國衛星氣象與空間天氣標準化技術委員會. 地磁暴強度等級: GB/T 31160—2014[S]. 北京: 中國標準出版社, 2014.

[11] AFRAIMOVICH E L, ASTAFYEVA E I, OINATS A V, et al. Global electron content: A new conception to track solar activity[J]. Annales Geophysicae, 2008, 26(2): 335-344.

[12] HERNáNDEZ-PAJARES M, ROMA-DOLLASE D, KRANKOWSKI A, et al. Methodology and consistency of slant and vertical assessments for ionospheric electron content models[J]. Journal of Geodesy, 2017, 91(12): 1405-1414.

[13] 高廣杰, 郜堯, 趙海山, 等. 電離層層析VTEC投影函數模型[J]. 測繪科學技術學報, 2018, 35(1): 1-5.

[14] 楊曉云, 何恒, 劉凱, 等. IGS電離層VTEC地圖內插模型研究[C]// 中國地球物理學會. 國家安全地球物理叢書(十一)——地球物理應用前沿. 西安: 西安地圖出版社, 2015: 23-26.

[15] 劉航, 陳鵬, 馬永超, 等. 利用測高衛星的全球電離層TEC格網精度分析[C]// 中科北斗匯(北京)科技有限公司. 第十屆中國衛星導航年會論文集——S01衛星導航行業應用. 北京: [出版者不詳], 2019: 91-95.

Evaluation and analysis of global ionospheric maps under different geomagnetic activities

HU Xiangyu, LI Xin, CHEN Ziyue, ZHANG Qian, LI Shuhui

（China University of Geosciences, Beijing 100083, China）

Aiming at the problem that geomagnetic activity has an impact on ionospheric products, the paper proposed an evaluation and analysis method of global ionospheric maps (GIM) under different geomagnetic activities: the accuracy of GIM total electron content (TEC) data from six Ionospheric Associate Analysis Centers (IAACs) under different geomagnetic activity conditions was evaluated; moreover, comparative analysis on the average global TEC of each analysis center’s product during two periods of geomagnetic quiet (from August 19th to 24th) and geomagnetic disturbance (from August 25th to 30th) in 2018 was carried out. Results showed that each analysis center's average global TEC would increase by about 0.5 total electron content units (TECU) during the geomagnetic storm; at the same time, the accuracy of GIM products would decrease during the geomagnetic storm, and the root mean square (RMS) error of the models would increase by 0.2 TECU on average compared with the global positioning system (GPS) measured ionospheric vertical total electron content (VTEC) data, and by 0.4 TECU on average compared with the VTEC provided by Jason-2 altimetry satellite; furthermore, Natural Resources Canada (EMR) and European Space Agency (ESA) products could be greatly affected by geomagnetic disturbance, while Center Orbit Determination Europe (CODE) products and IGS combined GIM products could be least affected by geomagnetic disturbance; in addition, geomagnetic disturbance would have a great influence on the accuracy of the products of each analysis center in low and high latitudes, but a relatively small effect on the accuracy of the products in middle latitudes.

global ionospheric map (GIM); total electronic content (TEC) ; geomagnetic activities; global navigation satellite system (GNSS); Jason-2 altimetry satellite

胡翔宇, 李新, 陳子越, 等. 不同地磁活動下全球電離層產品的評估[J]. 導航定位學報, 2023, 11(4): 138-144.（HU Xiangyu, LI Xin, CHEN Ziyue, et al. Evaluation and analysis of global ionospheric maps under different geomagnetic activities[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(4): 138-144.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230419.

P228

A

2095-4999(2023)04-0138-07

2023-04-14

大學生創新創業項目（640123003）。

胡翔宇（2002—），男，江蘇連云港人，本科生，研究方向為GNSS電離層。

李淑慧（1977—），女，河北易縣人，博士，副教授，研究方向為GNSS定位數據處理研究。