解琨,張慧慧,梁子亮

(1.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心,南京 210013;2.上海建科工程咨詢有限公司,上海 200032)

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一種掩星數(shù)據(jù)處理中輔助模式的研究

解琨1,張慧慧2,梁子亮1

(1.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心,南京 210013;2.上海建科工程咨詢有限公司,上海 200032)

摘要：由于某些掩星系統(tǒng)自身軌道高度限制及遇到其他特殊情況,造成了部分低高度數(shù)據(jù)無(wú)法獲取或獲取質(zhì)量不佳等缺陷,對(duì)反演過(guò)程和應(yīng)用造成一定困難。為此,本文引入Chapman輔助模式方法,并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行反演。結(jié)果表明:與COSMIC、經(jīng)典IRI模型對(duì)比,在一定高度下利用Chapman模式輔助反演,數(shù)據(jù)均勻完整,收斂速度快。

關(guān)鍵詞：掩星技術(shù);GPS;輔助模式

0引言

隨著GPS研究不斷完善,掩星系統(tǒng)持續(xù)更新發(fā)展,掩星技術(shù)日益受到人們關(guān)注,其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。尤其是2006年COSMIC掩星系統(tǒng)成功組網(wǎng)后,在基礎(chǔ)理論研究、大氣反演、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)等方面迅速受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。周義炎等[1]在深入研究了掩星技術(shù)反演的原理并通過(guò)計(jì)算和對(duì)比后指出該技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警方面有廣闊的應(yīng)用前景;李國(guó)翠等[2]通過(guò)研究地基GPS加權(quán)平均溫度的模型反演出華北地區(qū)的水汽分布,從而預(yù)報(bào)降雨;楊劍等[3]利用GPS掩星技術(shù)研究了2006年11月15日日本千島群島Ms8.0級(jí)地震和2007年2月25日青海Ms5.3級(jí)地震臨震前震區(qū)上空附近電子密度的異常變化,驗(yàn)證了掩星技術(shù)在震前電離層異常探測(cè)方面的可行性。

隨著應(yīng)用的深入,研究人員對(duì)數(shù)據(jù)模型的選擇以及結(jié)果質(zhì)量要求更高。目前,數(shù)據(jù)處理的模型方法主要是改正TEC反演方法,該法雖然簡(jiǎn)單實(shí)用,且能夠有效反演軌道高度較低的LEO衛(wèi)星的電離層掩星數(shù)據(jù)。但是,對(duì)于有些掩星系統(tǒng)因?yàn)樽陨碥壍栏叨仁芟迣?dǎo)致低高度電離層數(shù)據(jù)采集有缺失的情況,如CHAMP掩星,改正TEC反演方法無(wú)法直接使用[4]。此外,軌道高度較高的LEO衛(wèi)星在進(jìn)行掩星觀測(cè)也會(huì)出現(xiàn)觀測(cè)不夠完整的情況,如最高探測(cè)切點(diǎn)高度只到500 km左右,這樣的掩星事件包含了主要的電離層信息,所以要盡可能的加以利用。

對(duì)于上述兩種情況的掩星數(shù)據(jù),稱為類掩星電離層掩星數(shù)據(jù)[5-6]。類掩星數(shù)據(jù)的計(jì)算一般利用經(jīng)典IRI輔助模式方法,但是該方法結(jié)果中包含了許多低高度(D、E層)精度差的數(shù)據(jù),所以導(dǎo)致該法總體精度不穩(wěn)定,收斂速度慢[1，7-8]。針對(duì)上述情況,本文將引入Chapman輔助模式方法,通過(guò)實(shí)例計(jì)算,研究針對(duì)這類掩星數(shù)據(jù)的反演處理。

1反演方法介紹

1.1改正TEC反演算法[7]

掩星平面是由GPS衛(wèi)星、LEO衛(wèi)星和地球球心三者所決定的平面。本文假設(shè)LEO軌道近似為圓軌道,并且LEO軌道平面和掩星平面重合(即GPS衛(wèi)星在LEO軌道平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)),如圖1所示,A、C之間的電子總含量(TEC)為

TECAC=∫Neds

(1)

圖1　類掩星反演示意圖

聯(lián)系人： 解琨E-mail:excellentkun@163.com

式中:TECAC為A、C間電子總含量;Ne為電子密度; r為積分路徑上的地心到點(diǎn)的距離; ro為地心到掩星切點(diǎn)的距離; rLEO,rGPS分別為L(zhǎng)EO衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星到地心的距離。B點(diǎn)高度與C點(diǎn)高度相對(duì)應(yīng),若采用電子密度分布局部球?qū)ΨQ模型則

TECBC=TECAC-TECAB

(2)

由式(2)可得

(3)

1.2類掩星電離層掩星數(shù)據(jù)反演方法

對(duì)于TECCC′和TECAB′主要通過(guò)電離層模式電子密度積分獲得,可以通過(guò)以下兩種方式實(shí)現(xiàn)。

1) 利用Chapman模式輔助反演

利用一個(gè)指數(shù)衰減的等離子體層模式,可以在Chapman公式基礎(chǔ)上構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的電離層模式(簡(jiǎn)稱Chapman模式),表達(dá)式為[5]

Ne(h)=

(4)

式中: NmF為電離層峰值電子密度; hmF為電離層峰值高度; Hs為電離層標(biāo)高; hpo為等離子體層開(kāi)始高度; Hp為等離子體標(biāo)高; Npo為hpo處電子密度。其中,hpo、Hp為特定值,可視不同情況設(shè)定。本文hpo取值800km,Hp取值10 000km,利用過(guò)程中的不斷迭代可使其他參數(shù)在反演中持續(xù)更新直至NmF的相對(duì)變化量在0.05%之內(nèi),則反演過(guò)程結(jié)束,最后將電子密度反演結(jié)果輸出。

2) 利用IRI模式輔助反演

①Abel變換法介紹

掩星觀測(cè)時(shí),由于受到電離層的折射作用,GPS衛(wèi)星發(fā)射的電波信號(hào)到達(dá)LEO衛(wèi)星之前電波路徑會(huì)發(fā)生不同程度的彎曲。電離層的折射率梯度決定其彎曲角的大小。由測(cè)量得到的電波多普勒頻移以及衛(wèi)星的位置和速度,可計(jì)算出電波路徑彎曲角,再由Abel積分反演公式反推出折射率,最后由折射率計(jì)算出電離層電子密度等物理參量[4]。

②IRI模式輔助反演

設(shè)由IRI模式計(jì)算TECCC′和TECAB′分別為TECIRICC′和TECIRIAB′,NeCIRI為IRI模式中C點(diǎn)電子密度;而NeC為該點(diǎn)的實(shí)際電子密度,其初值可由TEC估算,則表達(dá)式[6]為

TECIRICC′) .

(5)

設(shè)r為L(zhǎng)EO衛(wèi)星軌道距離地心的距離,其中,ro和r1為最高的兩個(gè)掩星切點(diǎn)距地心距離(ro>r1),對(duì)應(yīng)的TEC分別為TEC0和TEC1,則[6]

(6)

獲得NeC初值后,即可根據(jù)式(5)進(jìn)一步獲得TECB′C′,再運(yùn)用上述改正TEC反演方法,經(jīng)一次反演后,用得到的NeCIRI代替式(5)中的NeC,再進(jìn)行反演,多次迭代,直至前后兩次電離層峰值電子密度反演結(jié)果相對(duì)變化在0.05%范圍內(nèi)。

2反演實(shí)例

本次反演數(shù)據(jù)為2015年2月14日12:00時(shí)COSMIC掩星系統(tǒng)OCC#1衛(wèi)星的雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù),采樣間隔為1 s.該衛(wèi)星2月14日在全球范圍內(nèi)共發(fā)生掩星665次;其中,選取了1次類掩星事件,反演高度42.35~540.2 km,持續(xù)時(shí)間近20分鐘,LEO衛(wèi)星軌跡和LEO-GPS路徑上的斜TEC如圖2示。LEO與GPS高度角在20°~-20°之間，符合觀測(cè)條件,如圖3所示。

圖2　反演區(qū)域上空LEO-GPS路徑上斜TEC含量

圖3　LEO-GPS衛(wèi)星高度角

3結(jié)果分析

2015年2月14日14:00時(shí)Chapman模式計(jì)算結(jié)果、IRI2007計(jì)算結(jié)果與公布的COSMIC結(jié)果對(duì)比如圖4所示。從圖中看出以下幾點(diǎn):

圖4　三種輔助模式結(jié)果對(duì)比

1) 受掩星星座分布以及LEO-GPS軌道運(yùn)行局限性,利用Chapman模式?jīng)]有反演出低于100 km內(nèi)的電離層電子含量及電子密度,有效的反演高度111.9~540.2 km;IRI模式則沒(méi)有這種局限性,其有效反演高度為42.35～483.7 km; COSMIC數(shù)據(jù)反演高度為39.7～490.6 km.由此可看出Chapman模式在低高度應(yīng)用不占優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然,由于Chapman模型受hpo高度影響,所以低高度范圍內(nèi)反演存在一定的局限性,導(dǎo)致起始高度值偏高。但是,從反演密度來(lái)看,Chapman模式反演結(jié)果密度分布均勻,線性較好接近于COSMIC數(shù)據(jù);而IRI模式在100 km高度下密度分布不均勻,結(jié)果有待完善。

2) 從數(shù)據(jù)結(jié)果上來(lái)看主要有2點(diǎn)不同:① 從圖中對(duì)比曲線可看出,200～400 km之間三者差別不大(不包括NmF2峰值),曲線基本吻合;90～150 km IRI數(shù)據(jù)與COSMIC數(shù)據(jù)曲線大致相同,兩者之差在20 000 el.cm-3以內(nèi),該高度IRI模型反演結(jié)果可以作為數(shù)據(jù)參考使用; 400 km以上三者差超過(guò)20 000 el.cm-3,因此反演結(jié)果不能作為具體反演結(jié)果使用。② NmF2峰值密度有一點(diǎn)差異,Chapman模式為4.02×105el.cm-3,IRI模型為4.14×105el.cm-3,COSMIC為4.25×105el.cm-3,峰值相差不超過(guò)20 000 el.cm-3[7],因此兩者反演結(jié)果也可以作為具體結(jié)果使用。

3) 從收斂速度來(lái)所,由于高度越低反演效率越低,且誤差越大。IRI模式在低于100 km范圍內(nèi)收斂速度明顯放緩,而Chapman法自始至終較為均勻。

4結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)類掩星事件,提出了用電離層模式輔助反演的方法,具體給出了利用Chapman模式和IRI模式來(lái)輔助反演的實(shí)現(xiàn)步驟,并應(yīng)用于掩星數(shù)據(jù)的反演。

模擬仿真反演結(jié)果表明,與COSMIC數(shù)據(jù)相比,低高度配合IRI模式數(shù)據(jù)的情況下,利用Chapman模式輔助反演,切實(shí)可行;且在一定范圍之內(nèi),不但最大限度的保留了類掩星數(shù)據(jù),而且很好的解決了IRI法在低高度精度差的問(wèn)題。

綜上所述,Chapman法反演切實(shí)可行,數(shù)據(jù)結(jié)果更穩(wěn)定,線性更加勻稱。

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解琨(1986-)，男，碩士，工程師，主要從事GPS定位與導(dǎo)航的研究和工作。

張慧慧(1986-)，女，碩士，工程師，主要從事工程測(cè)量與施工的研究和工作。

梁子亮(1988-)男，碩士，助理工程師，主要從事GPS定位與導(dǎo)航的研究和工作。

A Research of Auxiliary Mode on OccultationData Processing

XIEKun1,ZHANG Huihui2,LIANG Ziliang1

(1.ProvincialFundamentalGeomaticsCenterofJiangsu,Nanjing210013,China;

2.ShanghaiJiankeEngineeringConsultingCo.,Ltd,Shanghai200032,China)

Abstract:Due to some occultation system orbit height restrictions and other situations, it makes some low-altitude data can not obtained or accessed. In order to solve above-mentioned problem,this paper introduced a new auxiliary mode, Chapman method. Contrast with classic IRI mode,it shows that it can work well and get complete data with using Chapman mode.

Key words:Occulation technology; GPS; auxiliary mode

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-03-10

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-9268(2015)06-0072-04

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.015