地磁暴期間電離層擾動監(jiān)測及GNSS定位性能分析

桑文剛，婁廣振，張興國，田茂榮，張國威

( 1. 山東建筑大學測繪地理信息學院, 濟南 250101；2. 濟南市勘察測繪研究院, 濟南 250101；3. 山東省國土測繪院, 濟南 250101 )

0 引言

地磁暴，即地球近空間環(huán)境中的大規(guī)模擾動，是由太陽活動引發(fā)增強的太陽風及其與磁層-電離層-熱層系統(tǒng)的相互作用引起的[1].熱層狀態(tài)的改變使全球電離層劇烈變化，引發(fā)全球范圍的電離層暴，使穿過電離層的無線電信號振幅、相位等發(fā)生短周期不規(guī)則變化，嚴重扭曲現(xiàn)有GNSS 的電離層模型[2]，進而影響GNSS 信號的傳播.目前處于太陽周期的太陽活動上升期，磁暴頻發(fā)，電離層擾動增多，因此，對磁暴期間電離層擾動及導航定位受擾情況研究分析需求迫切[3].

目前已有大量文獻對磁暴期間電離層擾動和導航定位受擾情況進行了分析.Wielgoze 等[4]針對2003 年10 月29 日的超級風暴進行觀測發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡載波相位差分技術(real-time kinematic,RTK)瞬時模糊度解算成功率由94%降至31%.Jacobsen 等[5]對2011 年10 月24 日磁暴期間挪威地區(qū)網(wǎng)絡RTK 定位研究表明磁暴期間網(wǎng)絡RTK 定位誤差隨電離層電子含量變化率指數(shù)(rate of TEC index，ROTI)呈指數(shù)增加.隨著精密單點定位(precise point positioning,PPP)技術的發(fā)展，Jacobsen[6]團隊又在2015 年磁暴期間引入了對挪威地區(qū)的網(wǎng)絡RTK 定位與PPP影響的對比分析，研究發(fā)現(xiàn)，這兩種技術在磁暴期間均受嚴重影響，但PPP 在同等受干擾條件下精度優(yōu)于網(wǎng)絡RTK.中國學者對電離層擾動及導航定位受干擾做的一系列研究起步較晚.2007 年Zhang 等[7]就研究了中國低緯地區(qū)GPS 觀測數(shù)據(jù)周跳的發(fā)生與季節(jié)的關系，發(fā)現(xiàn)周跳發(fā)生與電離層季節(jié)變化有關.Chen 等[8]利用中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(Crustal Movement Observation Network of China，CMONOC)的GNSS 觀測數(shù)據(jù)反演中國區(qū)域上空電離層總電子含量(total electron content，TEC)，并利用計算機三維層析建模技術對2015 年一次大磁暴期間的中國區(qū)域電離層擾動進行了建模分析.全林等[9]利用CMONOC的GPS L1 頻點數(shù)據(jù)，分析了不同磁暴期間的中國及周邊區(qū)域的標準單點定位精度受擾情況，研究發(fā)現(xiàn)中國及周邊區(qū)域磁暴期間低緯地區(qū)更易出現(xiàn)定位誤差極值.王格等[10]基于加拿大CHAIN 觀測網(wǎng)接收機輸出的GPS L1 波段電離層閃爍指數(shù)及雙頻接收機觀測數(shù)據(jù)，對北半球高緯度地區(qū)電離層閃爍、擾動特征及對導航定位的影響開展了分析，研究表明北半球高緯度地區(qū)磁暴期間PPP 誤差顯著增大.Luo 等[11]分析了全球500 余個國際GNSS 服務(International GNSS Service，IGS)站在中、強、超強磁暴期間GPS PPP 定位性能受擾程度及空間分布規(guī)律，并對磁暴期間觀測數(shù)據(jù)的周跳進行了統(tǒng)計分析.Nie 等[12]進一步研究了電離層對太陽耀斑的響應，從電離層擾動對GNSS 數(shù)據(jù)處理影響的角度，揭示了衛(wèi)星導航定位精度降低的機制.

以上已有研究僅對磁暴對導航定位影響做了時空分析，未對測站原始觀測數(shù)據(jù)的質量作進一步分析，磁暴期數(shù)據(jù)質量改善以削弱電離層擾動對GNSS性能的影響缺乏參考.為探究磁暴期電離層TEC 變化與測站觀測數(shù)據(jù)質量變化及對GPS PPP 定位性能影響的對應關系，為磁暴期GNSS 性能改善提供一定的參考，針對2018 年8 月26 日地磁暴事件，本文選取部分具有代表性的IGS 觀測站的GPS 雙頻觀測數(shù)據(jù)以及全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)，對地磁暴期間北半球范圍的電離層響應及其對衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質量和精密定位的影響進行分析和討論.

1 數(shù)據(jù)與指標選取

2018 年為太陽活動低年，穩(wěn)定的太陽輻射條件更易于大磁暴事件的分析.2018 年年積日第232 天，日面爆發(fā)日冕物質拋射事件，其與冕洞共同作用引發(fā)了五天后地球磁場的強烈擾動，年積日第238—240 天地磁暴水平達到2018 年的最高值.此次大磁暴過程如圖1 所示，從上到下分別指出了地磁活動指數(shù)Dst、KP，兩根紅色豎線標示出此次地磁暴事件.年積日237 天00:00UTC 開始，Dst指數(shù)緩慢上升為正值，進入初始相階段，此時KP指數(shù)較低；約在年積日238 天00:00UTC 至07:00UTC，Dst指數(shù)急劇降低，KP指數(shù)增大，磁暴進入主相階段；之后KP指數(shù)逐漸下降，Dst指數(shù)呈現(xiàn)恢復正常狀態(tài)，磁暴進入恢復相階段.

圖1 年積日第233—243 天地磁活動指數(shù)變化

磁暴日期確定后，計算基于衛(wèi)星導航的電離層監(jiān)測參數(shù)電離層TEC，采用IGS 提供的年積日第237、238 天全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)由CODE、UPC、JPL、ESA 提供的最終電離層產(chǎn)品加權平均求得，空間經(jīng)緯度分辨率為5°×2.5°，時間分辨率為2h，具有相對較高的精度.為詳細分析磁暴日TEC 的時空變化特征，基于IGS GIM 數(shù)據(jù)計算了磁暴日2018 年8 月26 日與磁暴前8 月21 日至24 日磁靜日的TEC 均值差值.?TEC表達式為[13]

式中：TGIM238為磁暴日238 天全球TEC；為暴靜日233—236 天全球TEC 均值.

磁暴期間不同緯度電離層擾動規(guī)律不同，為研究不同緯度區(qū)域GNSS 性能變化，在歐亞板塊高、中、低三個緯度帶選取代表地區(qū)，在各代表地區(qū)內(nèi)相對均勻地選取IGS 站，測站分布如圖2 所示.獲取IGS 站GPS 的標準采樣間隔(30s)觀測數(shù)據(jù)和廣播星歷信息，用于磁暴期間的觀測數(shù)據(jù)質量分析和定位精度分析.

圖2 IGS 測站地理分布

周跳比和數(shù)據(jù)完整率是反映GNSS 觀測數(shù)據(jù)質量兩個重要的指標.其中，周跳比是反映接收機載波相位測量數(shù)據(jù)質量的重要指標之一，周跳比越大，觀測數(shù)據(jù)中周跳越少，其計算公式為[14]

式中：RS為周跳比；HO為觀測歷元數(shù)；SO為含周跳歷元數(shù).

由于各測站周跳比數(shù)值水平不同，直接進行數(shù)值對比無法體現(xiàn)各測站周跳比變化，所以選擇計算周跳比變化率來反映各測站周跳比的變化程度.其計算公式為

式中：Pi為某天的周跳比變化率；RS i為磁暴期間某天的周跳比；為磁靜日233—236 天的周跳比均值.

數(shù)據(jù)完整率反映了觀測時段內(nèi)接收機接收到GPS 數(shù)據(jù)的完整性，如果數(shù)據(jù)完整率太低，會使定位處理結果得不到相應固定解.數(shù)據(jù)完整率定義為觀測時段內(nèi)接收機觀測到衛(wèi)星的實際歷元數(shù)據(jù)量與理論歷元數(shù)據(jù)量的比值，其計算公式為

式中：RO為數(shù)據(jù)完整率；HO為觀測時間段內(nèi)接收機生成觀測文件中實際記錄觀測歷元數(shù)量；EO為觀測時間段內(nèi)理論觀測歷元數(shù).

對數(shù)據(jù)完整率這一指標的處理策略是將各測站磁靜日233—236 天的數(shù)據(jù)完整率進行平均取值，然后將磁暴期間237—239 天完整率與測站磁靜日均值相減計算磁暴日與磁靜日較差反映磁暴期間數(shù)據(jù)完整率變化情況.其計算公式為

式中：R?i為完整率較差；ROi為磁暴期間某天數(shù)據(jù)完整率；為磁靜日數(shù)據(jù)完整率均值.

2 實驗結果與討論

2.1 TEC 時空變化分析

圖3 基于全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)計算了各測站上空時間分辨率為1h 的TEC 值，根據(jù)圖3 測站TEC計算結果可知，磁暴日237 天之前各測站TEC 值變化趨勢遵循電離層TEC 天變化規(guī)律，未出現(xiàn)異常擾動.238 天磁暴主相階段，高緯測站TEC 不再遵循電離層TEC 日變化規(guī)律.首先在夜間發(fā)生正向擾動，各測站TEC 最小值較磁靜日同時段增大2~4TECU，其中TRO1、SOD3、KIRU 測站TEC 值甚至出現(xiàn)夜間反常升高；進入日半球時間后，高緯地區(qū)各測站TEC 值未遵循電離層TEC 日變化規(guī)律隨日照時間增大，而是出現(xiàn)了TEC 值的不規(guī)律跳變，跳變中TEC 值的劇烈下降，表現(xiàn)出了測站上空電離層較強的負相擾動.通過對磁暴期間高緯地區(qū)測站TEC 值的分析，可以發(fā)現(xiàn)磁暴期間本文研究的高緯地區(qū)各測站上空電離層擾動劇烈，夜間正相擾動為主，日半球時間又表現(xiàn)出較強的負相擾動.中低緯地區(qū)各測站在太陽直射和磁暴共同作用下TEC 峰值增大明顯，正相擾動明顯，但變化規(guī)律遵循電離層TEC 日變化規(guī)律.

圖3 測站TEC 值

圖4 給出了磁暴日238 天相較于233—236 天的全球電離層均值TEC 變化.由圖3 可以看出，年積日238 天00:00—04:00UTC 電離層正暴效應明顯，大部分區(qū)域電離層TEC 出現(xiàn)一定程度的增加，其中南半球太陽直射的低緯度地區(qū)TEC 增加數(shù)值水平較高.從04:00UTC 開始，研究選取的高緯測站所在的高緯地區(qū)負暴效應開始顯現(xiàn)，06:00—12:00UTC 負暴效應增強，由高緯地區(qū)向無太陽直射的低緯區(qū)域擴展，電離層TEC 下降0~6TECU.與此同時，隨著地球自轉，研究選取的中低緯測站所在的太陽直射的中低緯地區(qū)正暴效應持續(xù)增強，最大TEC 變化值在18~25TECU 之間.12:00UTC 之后，磁暴進入恢復相階段，恢復相階段太陽直射區(qū)域正暴效應也逐漸消失，其余區(qū)域負暴效應繼續(xù)發(fā)展，且分布規(guī)律在南北半球存在差異，南半球負暴效應分布范圍較大，北半球僅在非太陽直射的中低緯地區(qū)存在負暴效應，電離層TEC 下降最為明顯的區(qū)域在南半球中緯地區(qū)，達到-12TECU.

2.2 數(shù)據(jù)質量分析

對GNSS 觀測數(shù)據(jù)進行質量分析，選取研究區(qū)域各IGS 站的周跳比變化率、數(shù)據(jù)完整率兩個指標，對其磁暴前至磁暴期間做一個時間序列的變化規(guī)律分析，表1 為數(shù)據(jù)質量分析過程中的各項參數(shù)設置及處理策略.

表1 數(shù)據(jù)質量分析參數(shù)設置及處理策略

圖5 給出了高、中、低緯地區(qū)周跳比數(shù)值變化率.自年積日237 天磁暴急始，高緯度地區(qū)各測站周跳比開始出現(xiàn)下降，年積日238 天磁暴主相日除SOD3 測站外其余測站周跳比下降率達到最大，TRO1 測站周跳比下降61.84%，程度最為劇烈.年積日239 天磁暴恢復相期間除SOD3 測站外其余各測站周跳比相較于233—236 天磁靜日仍都處于較低水平.磁暴期間中低緯地區(qū)的測站周跳比并未表現(xiàn)出明顯的下降，低緯地區(qū)HKWS 測站在磁暴主相年積日238 天出現(xiàn)了周跳比的大幅升高.通過對磁暴期間各測站周跳比變化率的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)高緯地區(qū)測站周跳發(fā)生率對電離層擾動響應明顯，中低緯測站周跳發(fā)生率與磁暴期間電離層擾動相關性不強.結合Cherniak[15]磁暴發(fā)生時高緯度地區(qū)電離層擾動和閃爍發(fā)生率急劇增加的結論及王格[10,16]和朱軍桃等[17]對于本次磁暴期間北半球高緯度地區(qū)電離層擾動的研究，推測圖3 高緯地區(qū)電離層異常擾動主要是電離層閃爍引起，而磁暴期間電離層劇烈擾動導致對設置固定閾值的周跳探測模型影響增大，固定閾值探測周跳在電離層擾動期間約束過緊，容易將電離層擾動中的電離層閃爍探測為周跳[18].分析高緯地區(qū)電離層擾動對于周跳的影響機制，需通過對各區(qū)域電離層閃爍作進一步研究.

圖5 周跳比變化率統(tǒng)計

圖6 對磁暴期間237—239 三天各測站數(shù)據(jù)完整率與磁靜日均值進行較差統(tǒng)計.根據(jù)計算結果可知，磁暴急始237 天高緯地區(qū)相較于磁靜日數(shù)據(jù)完整率均值出現(xiàn)不同程度下降，其中TRO1 測站下降達15.18%，而中低緯地區(qū)數(shù)據(jù)完整率出現(xiàn)下降的測站較少且下降幅度較小.年積日238 天相較于磁靜日高緯地區(qū)的數(shù)據(jù)完整率繼續(xù)下降且下降幅度增大，其中TRO1站下降達38.65%，中低緯地區(qū)測站除中緯的URUM站和BJFS 站外，其余測站也開始出現(xiàn)數(shù)據(jù)完整率下降的情況.年積日239 天與磁靜日相比全部測站的數(shù)據(jù)完整率下降0.68%~4.02%，除TRO1、PTGG 兩個測站外，所有測站的下降幅度比年積日237、238 天都略有增大.以上統(tǒng)計結果表明：磁暴期間電離層異常擾動對觀測數(shù)據(jù)完整率的影響規(guī)律為高緯地區(qū)最先響應，中低緯地區(qū)的響應存在一定延遲，電離層擾動對全球IGS 觀測站觀測數(shù)據(jù)的完整率的影響具有一定的持續(xù)性.高緯地區(qū)電離層擾動時數(shù)據(jù)完整率下降迅速且部分測站下降較大，主要原因可能是電離層擾動中頻繁的電離層閃爍；中低緯地區(qū)磁暴期間及磁暴后一天測站上空TEC 數(shù)值一直處于較高水平，GNSS信號傳播路徑上自由電子濃度的升高，信號穿透電離層時易衰落，可能是該研究區(qū)域內(nèi)測站數(shù)據(jù)完整率下降的主要原因.電離層擾動對高中低緯測站的數(shù)據(jù)完整率都有一定影響，電離層擾動中數(shù)據(jù)完整率的響應規(guī)律及其影響機制仍需在以后的研究中作進一步分析.

圖6 數(shù)據(jù)完整率較差統(tǒng)計

2.3 磁暴對精密定位影響分析

基于動態(tài)PPP 模式測試結果在數(shù)據(jù)質量分析基礎上，選取高、中、低緯度地區(qū)部分測站進一步分析磁暴期間電離層異常對北半球精密定位精度的影響.取磁靜日靜態(tài)PPP 解算結果均值作為測站坐標真值，分析動態(tài)PPP 解算的坐標值與真值在東(east，E)、北(north，N)、天頂(up，U)三個方向上的誤差變化.表2 列出了PPP 解算過程中各項誤差具體的處理策略.

表2 GPS 精密單點定位處理策略

由圖7 可知，年積日237 天18:00UTC 左右，高緯地區(qū)的NYAL、TRO1、KIRU、SOD3 測站定位結果不再收斂，TRO1 測站觀測停止.KIRU、SOD3 測站定位結果不收斂持續(xù)至238 天21:00UTC 左右，在U 方向誤差達數(shù)十米.結合圖3、圖4 電離層擾動規(guī)律分析，定位結果偏差時段與TEC 異常時段相對應，且磁靜日高緯測站動態(tài)PPP 解算結果收斂無較大誤差，排除其他因素影響，基本可以確定這幾個測站的定位誤差較大是由磁暴期間電離層異常引起的.磁暴恢復相239 天NYAL、TRO1、KIRU 測站仍然存在不收斂的時段，SOD3 測站定位結果收斂，相較于年積日237、238 天磁暴主相日高緯測站定位結果有明顯改善.磁暴主相期間中低緯地區(qū)及高緯地區(qū)MAR6測站定位結果收斂.

圖7 年積日237—239 天各測站E、N、U 三個方向誤差時間序列

圖8 給出了研究區(qū)域內(nèi)三個緯度帶各測站在磁暴期間(237—239 天)定位誤差的均方根(root mean square,RMS)，表明磁暴期間中低緯地區(qū)測站定位性能未受明顯影響.由圖8(a)可知，高緯度區(qū)域測站KIRU、SOD3、SVTL 測站U 方向RMS 值接近1m，結合圖7 的收斂誤差可以看出，年積日237 天高緯度以上測站受到磁暴影響導致RMS 值偏大，高緯地區(qū)GPS 定位性能受電離層擾動開始變差.由圖8(b)可以看出，高緯度地區(qū)NYAL、TRO1、KIRU、SOD3 四個測站在年積日238 天定位誤差RMS 達到峰值，E 方向最大值達0.48m，N 方向上最大值達0.74m，U 方向上最大值達1.78m.四個測站E 方向RMS 值增長2.18~2.62 倍，平均增長2.45 倍；N 方向增長1.11~2.82 倍，平均增長2.2 倍；U 方向增長2.29~4.25 倍，平均增長2.88 倍.通過對以上RMS 計算分析可看出，在施加精密改正信息下磁暴導致的電離層擾動仍大幅度降低了高緯度四個測站的GPS 定位精度，且對U 方向定位結果影響最大.根據(jù)圖8(c)可以看出，在年積日239 天磁暴恢復相期間高緯地區(qū)所有測站RMS 相較于年積日238 天大幅下降，印證了磁暴期間電離層擾動對高緯地區(qū)GPS 定位性能的實時影響.中低緯地區(qū)HKWS 測站在E、U 方向上RMS 明顯增大，U 方向RMS 超過0.5m.結合圖5 周跳比及圖6數(shù)據(jù)完整率分析，電離層劇烈擾動下由于過多周跳引起的模糊度參數(shù)頻繁初始化造成模糊度難以固定，以及衛(wèi)星信號穿越電離層時的衰減及丟失，造成GPS PPP 性能下降.

圖8 年積日237—239 天測站定位均方差

3 結論

本研究利用IGS 提供的全球電離層TEC 格網(wǎng)數(shù)據(jù)以及北半球地區(qū)IGS 站觀測數(shù)據(jù)對GPS 觀測受電離層擾動進行分析.本文通過電離層TEC 計算，觀測數(shù)據(jù)周跳比，數(shù)據(jù)完整率，以及GNSS 精密定位結果的分析，主要結論如下:

1)磁暴引起的全球電離層異常呈現(xiàn)出緯度差異性，高緯地區(qū)當?shù)貢r間為夜間時正相擾動，之后表現(xiàn)出了負相擾動，并向磁暴期非太陽直射中低緯區(qū)域中低緯發(fā)展.磁暴期太陽直射的中低緯地區(qū)表現(xiàn)為正向擾動，磁暴日TEC 峰值增高，電離層TEC 最大異常值約15TECU，出現(xiàn)在赤道及低緯度區(qū)域；電離層異常對磁暴的響應時間不一致，高緯地區(qū)最先響應，中低緯地區(qū)滯后約2h.

2)電離層異常造成周跳現(xiàn)象增多，周跳現(xiàn)象存在緯度差異，高緯地區(qū)響應迅速，變化程度劇烈，周跳比數(shù)值最大下降61.84%，中低緯地區(qū)周跳現(xiàn)象并未明顯增多，電離層異常主要導致高緯地區(qū)衛(wèi)星失鎖現(xiàn)象增多.

3)電離層異常造成北半球衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)完整率下降，高緯地區(qū)數(shù)據(jù)完整率最先下降，然后隨著時間的推移趨勢向中低緯地區(qū)蔓延，在磁暴后一日造成了全球性的數(shù)據(jù)完整率下降，下降0.68%~4.02%不等.

4)電離層異常嚴重影響了高緯度地區(qū)GPS 定位性能，這種定位精度的變化是由電離層擾動發(fā)生時接收機接收到信號幅度和相位的快速變化或失鎖引起的，且對U 方向定位結果影響最大.