CSES/FY3C掩星與數字測高儀探測電離層特征參數比較分析

胡嘉宇，甘呈坤，辜聲峰,2

CSES/FY3C掩星與數字測高儀探測電離層特征參數比較分析

胡嘉宇1，甘呈坤1，辜聲峰1,2

（1. 武漢大學 衛星導航定位技術研究中心，武漢 430079；2. 湖北省珞珈實驗室，武漢 430079）

為了進一步提高當前風云三號系列衛星（FY3C）以及張衡一號電磁監測試驗衛星（CSES）等具備北斗衛星導航系統（BDS）及全球定位系統（GPS）無線電掩星（RO）觀測能力的低軌衛星所得電離層峰值參數的反演精度，提出一種以數字測高儀探測數據為參考，采用多種時空匹配窗口對掩星反演結果進行電離層特征參數驗證分析的方法：實驗結合2018-7-20—2018-8-20共計20551次掩星事件，及6094個數字測高儀觀測電子密度廓線數據，從峰值密度、峰值高度及臨界頻率等多方面對FY3C與CSES衛星掩星觀測進行對比分析；同時為避免由于不同觀測數據時空不一致引入的差異，分析不同時空匹配窗口對掩星與數字測高儀觀測結果比對的影響。結果表明：低軌衛星掩星所得峰值參數與數字測高儀觀測資料在不同匹配準則下的比較結果存在差異；當空間（時間）窗口不變時，隨著時間（空間）窗口增大，無論是低軌衛星掩星同數字測高儀探測數據的比較，還是低軌衛星自身之間的比較，其電離層峰值參數數據匹配的相關性（一致性）都將下降，進而導致相關系數與擬合精度的減小；在相同的時空匹配窗口中，CSES與FY3C掩星反演出的電離層峰值密度相關性較強，而電離層峰值高度相關性較弱；CSES衛星更適合于低緯地區低高度與中高緯地區低中高度的電離層掩星探測，而FY3C衛星則適合于低緯地區中高高度與中高緯地區高于CSES衛星軌道高度的電離層掩星探測。

無線電掩星；風云三號（FY-3）；張衡一號（Zhang Heng-1）電磁監測試驗衛星（CSES）；數字測高儀；電子密度廓線

0 引言

電離層是近地高空大氣層的重要組成部分。隨著世界各國對于地外空間探測活動的日益頻繁，以及衛星通信導航遙感的應用普及，人類對電離層結構特征及其時空變化規律的監測反演需求日益增強，同時電離層監測反演對于理解其各層結構的形成機制也具有重要的科學意義。

電離層探測是獲取電離層基本信息和結構特征的重要手段，其中數字測高儀是將觀測設備安裝在地基臺站上定點觀測，可獲得峰值高度以下的電子密度剖面。目前全球一共有100多個數字測高儀站點，為人們了解和認識電離層基本規律提供了豐富的觀測信息。不同學者對數字測高儀數據使用了不同的分析方法：文獻[1]使用了目前空間數值天氣預報領域常用的同化數據技術來對電離層進行分析，從而逐步形成了一個較為完善、協調的高層大氣電離層區域分析場；文獻[2]通過對查普曼-科莫高洛夫方程（Chapman Kolmogorov equation）外推電離層頂部電子密度的方法進行重構，得到一種基于經驗正交函數（empirical orthogonal function，EOF）來推算電離層頂部電子密度廓線的方法。得益于東半球空間環境地基綜合監測子午鏈（子午工程）的建設，目前我國境內正常工作的數字測高儀站臺共計30個，然而其觀測時空分辨率仍難以滿足電離層中不均勻體等小尺度結構監測需求。

隨著全球衛星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）的建立和逐漸完善，自全球定位系統氣象學（global positioning system meteorology，GPS/MET）項目論證了利用GNSS掩星技術探測電離層的可行性后[3]，基于GNSS的電離層掩星探測得到了國內外學者廣泛關注。其中典型的如美國同中國臺灣省合作發射的氣象、電離層和氣候的星座觀測（constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate，COSMIC）衛星計劃，其日均可以探測2400余個大氣密度廓線與3500余個電離層掩星事件，在一定程度上可用于彌補常規觀測方法在荒漠地區、海洋中心、地球兩極的不足[4]。文獻[5]將COSMIC反演的電子密度剖面（electron density profile，EDP）應用于熱層-電離層耦合模型，有效提高了電離層F2層的峰值密度（F2-layer peak electron density，NmF2）、峰值高度（F2-layer height of the peak electron density，HmF2）及臨界頻率（F2 layer critical frequency，f0F2）等相關特征參數精度。此外，世界各國也相繼建立了德國亥姆霍茲波茨坦中心、德國地學中心的信息系統與數據中心、美國噴氣推進實驗室和美國大學大氣研究聯盟的COSMIC等掩星數據分析處理系統中心。

我國十分重視GNSS電離層掩星探測，風云3C（FY-3 series satellites，FY3C）是我國風云三號系列衛星的5顆氣象衛星之一，搭載了GNSS掩星探測器（GNSS occultation sounder，GNOS）。2014年下半年，FY3C開始提供掩星反演產品，平均每天可提供約200個掩星事件的觀測資料[6]。在風云三號系列衛星電離層電子密度產品評估方面，有學者進行了C星GNOS與全球定位系統（global positioning system，GPS）電子密度的誤差評估，證實了C星GNOS電子密度反演的可靠性[7]。在電離層掩星產品的研究與應用方面，文獻[8]利用C星電子密度數據開展了對2015年圣帕特里克節地磁暴事件的研究，并指出NmF2參數對事件級磁暴的良好響應能力。

張衡一號電磁監測試驗衛星（Zhang Heng-1 China seismo-electromagnetic satellite，CSES）是我國地球物理場探測衛星計劃的首發星，于2018年2月2日成功發射。對CSES在軌測試期間數據分析表明，其GRO掩星電離層反演結果合理、趨勢正確，每天能夠探測600個左右的掩星事件，將張衡一號掩星接收機3個月的數據與數字測高儀數據進行對比，結果表明，NmF2和HmF2的全球分布相似，且隨著緯度的變化，屬于F2及以上層的峰值密度在某特定平面方向上相差不大，并有明顯的赤道異常[9]。

顯然，地基數字測高儀和星基掩星觀測融合數據處理與交叉驗證是提高電離層特征參數反演精度與可靠性的有效手段。然而，由于掩星事件的時空分布的動態性，同時數字測高儀只能獲取測站天頂電離層數據，因此在比較2種電離層探測技術獲取的觀測結果時，必須對所用數據進行時間和空間上的匹配，以得到更為科學準確的比較結果。在目前已有的研究中，文獻[10]比較了2006年7月COSMIC 掩星任務和31個全球分布的垂測站探測的電離層峰值密度NmF2，基于經緯度偏差小于2°的匹配準則，得到二者相關系數為0.85。文獻[11]選用了（30 min，600 km，600 km）作為時間、緯度、經度時空匹配窗口，比較了2006年7月至2007年12月期間COSMIC掩星數據和垂測儀探測資料分別獲取的電離層峰值密度，發現二者相對誤差的中誤差保持在20%以下。文獻[12]基于2006年7月—2007年2月期間的COSMIC掩星數據和60個全球分布的垂測站觀測資料，在（30 min，1°，1°）的時空匹配窗口下發現基于COSMIC掩星數據反演的峰值密度NmF2普遍存在低估，而峰值高度HmF2普遍存在高估。文獻[13]在分析2006～2008年共計3 a的COSMIC掩星數據和Paulista站（22.7° N，45.0° W）和Fortaleza 站（3.8° S，38.0° W）2個垂測儀站的觀測資料時，采用（7.5 min，2.5°，2.5°）作為時空匹配窗口。

綜上所述，當前基于不同時空匹配窗口的CSES和FY3C掩星事件對比分析尚未系統深入展開。為此，本文圍繞CSES、FY3C掩星任務電離層產品及數字測高儀觀測資料的質量評估及相關性分析等方面開展實驗與研究，旨在更加科學地解釋各項比較結果。

1 基本原理

下面分別對數字測高儀與掩星電離層探測基本原理進行介紹。

1.1 數字測高儀探測原理

數字測高儀又名垂測儀，實質上是一臺短波脈沖雷達，通常由發射機、接收機、天線、頻率合成器、顯示記錄器、程序控制器等組成。測高儀從地面垂直向上發射脈沖調制的高頻無線電波，并在同一地點接收它的反射信號，測量出頻率連續改變的電波往返傳播的時間（時延），從而獲得電離層相關參數[14]。

在這種被動接收探測方法中，所采集的信號是來自空間中直接或經過電離層傳播而到達的各種頻率的空間信號，為了找到各個頻率點信號能量的累積效應，從而得到臨界頻率與信號能量的相關關系，在這里引入干擾重心頻率的概念，即

1.2 電離層掩星反演原理

基于無線電波直線傳播假設，可利用總電子含量（total electron contant，TEC）數據反演電子密度。通常通過雙頻載波相位組合，得到相對TEC；利用非掩星的輔助TEC觀測數據，消除低軌衛星（low Earth orbit，LEO）軌道高度以上的電離層影響，得到校正TEC；在電子密度局部球對稱假設和信號直線傳播的假設條件下，通過阿貝爾積分（Abelian integral）變換可以得到電子密度垂直廓線[17]。

掩星幾何關系示意圖如圖1所示。

圖1 掩星幾何關系

通過積分變換可得

2 實驗與結果分析

下面分別收集FY3C、CSES掩星觀測數據，以及子午工程數據中心數字測高儀數據，采用不同時空匹配窗口對電離層特征參數反演結果進行統計分析。

2.1 實驗說明

本文實驗時段為2018年7月20日至2018年8月20日，針對共計20551次掩星事件，及6094個數字測高儀觀測電子密度廓線數據進行分析。其中FY3C掩星數據為國家衛星氣象中心的風云衛星遙感數據中心提供的GNOS電子密度廓線產品；CSES相關數據為中國地震局衛星地震應用中心提供的GNSS掩星接收機1級產品與接收機無關的交換格式數據（receiver independent exchange format，RINEX），并結合武漢大學國際衛星導航服務組織（International GNSS Service，IGS）數據中心（http://www.igs.gnsswhu.cn/）BDS和GPS衛星軌道數據，反演計算得到對應時段的電離層掩星電子密度剖面；數字測高儀數據由國家空間科學數據中心下屬子午工程數據中心提供，觀測數據的時間分辨率為15 min。數字測高儀臺站分布如表1所示，分別位于低緯和中高緯度地區。

表1 數字測高儀臺站基本信息

本文服務端相位偏差、低軌衛星掩星電離層參數解算及對比等都基于武漢大學FUSING軟件平臺展開，目前FUSING已經能實現多系統實時濾波定軌、精密衛星鐘差、電離層與對流層建模、大氣延遲建模與檢測以及多源協同精密定位等功能。

由于觀測噪聲和反演過程中局部球對稱假設帶來的影響，反演所得的電子密度廓線可能存在粗差，因此在比較掩星數據和數字測高儀觀測資料前，有必要對反演得到的掩星數據的質量進行檢核，本文按照如表2中所列的質量控制參數（quality control parameters，QCPS）進行檢核。

表2 掩星數據質量控制標準

2.2 結果分析

在本節中，為了分析不同衛星及數字測高儀對于電離層峰值參數探測結果的準確性及相關關系，本文通過使用多個特定的時空匹配窗口，結合控制變量法來對CSES與FY3C衛星掩星所得到的探測結果同數字測高儀探測結果進行對比分析。

圖2 武漢左嶺鎮站觀測數據與CSES反演電離層峰值密度與臨界頻率參數相關性分析

圖3 漠河站觀測資料與CSES反演電離層參數峰值密度與臨界頻率參數相關性分析

而后將圖2與圖3的所有結果進行綜合分析，在所有的時空窗口匹配中，低軌衛星掩星與數字測高儀探測二者所獲取的電離層峰值參數之間存在一定的相關性且為正相關，說明二者對于電離層的探測具有一致性；此外，對于多種時空窗口比較而言，當空間（時間）窗口不變時，隨著時間（空間）窗口的增大，無論是在武漢站還是漠河站，2顆低軌衛星掩星所得的結果同數字測高儀探測結果進行比較，其電離層峰值參數數據匹配的相關性（一致性）都將下降，進而導致相關系數與擬合精度的減小。

而后綜合圖4可以發現，通過對FY3C與CSES這2個低軌衛星掩星反演所得的電離層F2層峰值參數進行比較分析，CSES與FY3C掩星反演出的電離層峰值密度相關性較強，而電離層峰值高度相關性較弱。

為了進一步分析CSES衛星與FY3C衛星掩星反演所得的電離層峰值參數在不同地理緯度處的準確程度，本文經數據篩選后，通過對2018年7月20日—8月20日的數據進行分割與處理，形成了7月20日—31日、8月1日—10日、8月11日—20日共3組數據，這3組數據是通過將CSES衛星掩星、FY3C衛星掩星、數字測高儀探測在這3個時間段內所得的電離層峰值參數進行平均與數據匹配而得。而后利用CSES與FY3C的掩星反演事件同武漢站與漠河站數字測高儀探測數據進行比較分析。如圖5所示，分別以武漢左嶺鎮站和黑龍江漠河站數字測高儀觀測計算得到電子密度廓線垂直剖面為參考，展示不同時間段內CSES與FY3C掩星事件所反演出的電離層電子密度廓線垂直剖面，從而更加直觀地對2顆衛星掩星所得數據及數字測高儀探測數據進行對比。

圖5 不同探測方法電子密度廓線垂直剖面對比結果

而后針對由CSES與FY3C掩星事件反演得到的電離層電子密度廓線、武漢左嶺鎮站和黑龍江漠河站數字測高儀觀測所得的電子密度廓線進行相關性分析，如表3所示給出了不同時間段、不同高度范圍內CSES衛星與FY3C衛星掩星反演所得結果同2個數字測高儀臺站探測所得結果之間的平均絕對誤差。

表3 不同探測方法所得電子密度廓線數據對比結果

結合圖5及表3可以看出，當數字測高儀臺站選擇武漢站時，在垂直高度低于300 km處，由CSES反演所得的電子密度廓線相較于FY3C反演所得的電子密度廓線而言，與數字測高儀探測所得的電子密度廓線偏差普遍更小，相關性更強；而當垂直高度介于300～600 km之間時，由FY3C反演所得的電子密度廓線相較于CSES反演所得的電子密度廓線而言，與數字測高儀探測所得的電子密度廓線偏差普遍更小，相關性更強。而選擇漠河站作為參考的數字測高儀臺站時，在垂直高度低于600 km時，由CSES反演所得的電子密度廓線相較于FY3C反演所得的電子密度廓線而言，與數字測高儀探測所得的電子密度廓線偏差普遍更小，相關性更強；當垂直高度超過一定高度后，三者所探測得到的電子密度都趨近于0，符合電離層電子密度垂直剖面分布規律。

此外，考慮到CSES衛星的軌道高度為500 km，FY3C衛星的軌道高度為836 km，而通過低軌衛星掩星反演難以得到高于其軌道高度的電離層峰值參數，故結合實驗結果推測，在低緯度地區CSES衛星更適合于低高度電離層掩星探測，FY3C衛星則適合于中高高度電離層掩星探測；而在中高緯度地區CSES衛星則更適合低中高度的電離層掩星探測，FY3C衛星則適合用于高于CSES衛星軌道高度的電離層掩星探測。

3 結束語

本文基于CSES和FY3C掩星反演數據和2個位于不同緯度區域的數字測高儀臺站觀測資料，討論了多種控制變量時空范圍的匹配準則對2種探測技術及2顆衛星掩星所獲取的電離層峰值參數比較結果的影響特征，主要結論如下：

1）CSES衛星與FY3C衛星掩星反演所得峰值參數與數字測高儀觀測資料在不同的匹配準則下的比較結果存在差異；而CSES和FY3C掩星反演的峰值密度m同峰值高度m之間的相關性具有較大差異，CSES與FY3C掩星反演出的電離層峰值密度相關性較強，而電離層峰值高度相關性較弱。

2）結合2種低軌衛星的軌道高度與實驗結果，在低緯度地區CSES衛星更適合于低高度電離層掩星探測，FY3C衛星則適合于中高高度電離層掩星探測；而在中高緯度地區CSES衛星則更適合低中高度的電離層掩星探測，FY3C衛星則適合用于高于CSES衛星軌道高度的電離層掩星探測。

3）在所有的時空窗口匹配中，CSES掩星、FY3C掩星、數字測高儀探測三者所獲取的電離層峰值參數之間都存在一定的相關性且為正相關，說明三者對于電離層的探測具有一致性；然而對于多種時空窗口比較而言，當空間（時間）窗口不變時，隨著時間（空間）窗口的增大，無論是低軌衛星掩星同數字測高儀探測數據的比較，還是CSES衛星與FY3C衛星自身之間的比較，其電離層峰值參數數據匹配的相關性（一致性）都將下降，進而導致相關系數與擬合精度的減小。

雖然本文在進行時空匹配前已經進行了粗差剔除，但仍有部分點與擬合的線性回歸直線偏差較大，結合數字測高儀探測與低軌衛星掩星反演的原理推測，可能是由于太陽活動、磁暴等自然現象而導致電離層峰值參數匹配誤差較大，還有待進一步研究。

[1] 林兆祥, 張雨田, 吳祺, 等. 利用單站電離層測高儀與GPS數據的同化反演試驗[J]. 中南民族大學學報(自然科學版)，2014, 33(2): 85-88.

[2] 王林, 萬衛星, 樂新安, 等. 應用經驗正交函數估算頂部電離層電子密度剖面[J]. 地球物理學報, 2019, 62(5): 1582-1590.

[3] WARE R, EXNER M, FENG D, et al. GPS sounding of the atmosphere from low Earth orbit: Preliminary results[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 1996, 77(1): 19-40.

[4] YUE X A, GUO Y H, ZENG Z, et al. GNSS radio occultation technique for near-Earth space environment detection[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2016, 59(4): 1161-1188.

[5] LEE I T, MATSUO T, RICHMOND A D, et al. Assimilation of FORMOSAT-3/COSMIC electron density profiles into a coupled thermosphere/ionosphere model using ensemble Kalman filtering[J]. Journal of Geophysical Research, 2012, 117(A10).

[6] 李文文, 李敏, 趙齊樂, 等. FY3C衛星星載BDS與GPS數據質量分析與融合定軌[J]. 測繪學報, 2018, 47(S1): 9-17.

[7] 楊晶晶, 黃江, 徐杰, 等. 基于FY3C掩星數據偶發E層的研究[J]. 空間科學學報, 2016, 36(3): 305-311.

[8] BAI W, SUN Y, XIA J, et al. Validation results of maximum S4 index in F-layer derived from GNOS on FY3C satellite[J]. GPS Solutions, 2019, 23(1): 1-14.

[9] GAN C, HU J, LUO X, et al. Sounding of sporadic E layers from CSES radio occultation and comparing with ionosonde measurements[J]. Annales Geophysicae Discussions, 2022(40): 463-474.

[10] LEI J, SYNDERGAARD S, BURNS A G, et al. Comparison of COSMIC ionospheric measurements with ground-based observations and model predictions: Preliminary results[J]. Journal of Geophysical Research, 2007, 112(A7): 211-231.

[11] WU X, HU X, GONG X, et al. Analysis of inversion errors of ionospheric radio occultation[J]. GPS Solutions, 2009, 13(3): 231-239.

[12] CHU Y H, SU C L, KO H T. A global survey of COSMIC ionospheric peak electron density and its height: A comparison with ground-based ionosonde measurements[J]. Advances in Space Research, 2010, 46(4): 431-439.

[13] ELY C V, BATISTA I S, ABDU M A. Radio occultation electron density profiles from the FORMOSAT-3/COSMIC satellites over the Brazilian region: A comparison with Digisonde data[J]. Advances in Space Research, 2012, 49(11): 1553-1562.

[14] 朱正平, 寧百齊, 孫奉婁, 等. 電離層數字測高儀被動接收觀測模式研究[J]. 空間科學學報, 2009 (4): 389-396.

[15] MCNAMARA L F, THOMPSON D C. Validation of COSMIC values of f0F2 and M(3000) F2 using ground-based ionosondes[J]. Advances in Space Research, 2015, 55(1): 163-169.

[16] ARRAS C, WICKERT J. Estimation of ionospheric sporadic E intensities from GPS radio occultation measurements[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2018, 171: 60-63.

[17] 羅佳, 王涵, 徐曉華. 2014—2016年FY-3C與COSMIC掩星電離層特征參數的比較[J]. 國防科技大學學報, 2018, 40(4): 181-186.

[18] 林劍, 吳云, 劉經南. 電離層GPS掩星反演技術研究[J]. 地球物理學報, 2009, 52(8): 1947-1953.

[19] LUO J, WANG H, XU X, et al. The influence of the spatial and temporal collocation windows on the comparisons of the ionospheric characteristic parameters derived from COSMIC radio occultation and digisondes[J]. Advances in Space Research, 2019, 63(10): 3088-3101.

[20] NAGELKERKE N J D. A note on a general definition of the coefficient of determination[J]. Biometrika, 1991, 78(3): 691-692.

Comparative analysis of ionospheric characteristic parameters detected by CSES/FY3C occultation and ionosonde

HU Jiayu1, GAN Chengkun1, GU Shengfeng1,2

（1. GNSS Research Center, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 2. Hubei Luojia Laboratory, Wuhan 430079, China）

In order to further improve the retrieval accuracy of ionospheric peak parameters obtained by low-orbit satellites with the observation capability of Beidou navigation satellite system (BDS) and global positioning system (GPS) radio occultation (RO), such as current FY-3 series satellites (FY3C) and Zhang Heng-1 China seismo-electromagnetic satellite (CSES), the paper proposed a method of verifying and analyzing the ionospheric characteristic parameters of the occultation inversion results by using the ionosonde observation electron density profile data as a reference with multiple time-space matching windows: through the experiment, 20551 occultation events of BDS and GPS occultation receivers of FY3C and CSES satellites, and 6094 ionosonde observation electron density profile data from the ionosonde observation during July 20, 2018 to August 20, 2018 were combined, and a comparative analysis of the occultation observations of FY3C and CSES satellites was carried out in terms of peak density, peak height, critical frequency and so on; moreover, in order to avoid the time-space inconsistency between different data of occultation events and the ionosonde observation, the impact of different time-space matching windows on the comparison of occultation and ionosonde observation was analyzed. Results showed that there would be differences between the peak parameters obtained from the occultation of low-orbit satellites and the observation data of the ionosonde under different matching criteria; and when the spatial (time) window is unchanged, the correlation (consistency) of ionospheric peak parameter data matching would decrease with the increase of the temporal (space) window, whether comparing the LEO satellite occultation with the ionosonde detection data or comparing the CSES satellite with the FY3C satellite, which could lead to the decrease of the correlation coefficient and fitting accuracy; meanwhile, in the same spatial and temporal matching window, the correlation between the peak ionospheric density of CSES and FY3C occultation inverse performance would be stronger, while the correlation between the peak ionospheric heights would be weaker; in general, CSES satellites could be more suitable for ionospheric occultation detection at low altitudes in low latitudes and low to medium altitudes in mid to high latitudes, while FY3C satellites could be suitable for ionospheric occultation detection at mid to high altitudes in low latitudes and above the orbital altitude of CSES satellites in mid to high latitudes

radio occultation; FY-3 series satellites (FY3C); Zhang Heng-1 China seismo-electromagnetic satellite (CSES); ionosonde; electron density profile

胡嘉宇, 甘呈坤, 辜聲峰. CSES/FY3C掩星與數字測高儀探測電離層特征參數比較分析[J]. 導航定位學報, 2023, 11(4): 120-129.（HU Jiayu, GAN Chengkun, GU Shengfeng. Comparative analysis of ionospheric characteristic parameters detected by CSES/FY3C occultation and ionosonde[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(4): 120-129.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230417.

P228

A

2095-4999(2023)04-0120-10

2022-07-07

胡嘉宇（2001—），男，山西長治人，碩士研究生，研究方向為高精度GNSS數據處理與分析。

辜聲峰（1986—），男，湖北武漢人，教授，研究方向為高精度GNSS數據處理、電離層延遲建模與多源融合導航。