李靜靜,盛冬生,張紅波

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

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?？诘貐^(qū)擴(kuò)展F和GPS電離層閃爍發(fā)生時(shí)間相關(guān)性分析

李靜靜,盛冬生,張紅波

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

對(duì)2012年8月至2013年7月太陽活動(dòng)高年?？诘貐^(qū)擴(kuò)展F和GPS L1頻段電離層閃爍進(jìn)行了發(fā)生時(shí)間相關(guān)性分析。結(jié)果表明,該地區(qū)的GPS電離層閃爍與擴(kuò)展F具有較好的相關(guān)性,二者發(fā)生的相關(guān)系數(shù)為0.95.受太陽活動(dòng)高年低緯電離層不均勻體發(fā)展演化特性和設(shè)備觀測方式的影響,觀測到的電離層閃爍起始時(shí)間稍早于擴(kuò)展F。擴(kuò)展F結(jié)束時(shí)間比電離層閃爍結(jié)束時(shí)間有所滯后,分析認(rèn)為,在低緯電離層不均勻體的消亡階段,1 km以下中小尺度的不均勻體首先消失。

擴(kuò)展F;電離層閃爍;不均勻體;相關(guān)分析

0 引 言

全球定位系統(tǒng)(GPS) L頻段電離層閃爍會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)偽距抖動(dòng)、相位發(fā)生周跳,造成導(dǎo)航定位誤差增大,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致接收機(jī)失鎖,導(dǎo)航定位中斷。生命安全服務(wù)、高精度大地測量等多種高端衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航精度和完好性要求較高,電離層閃爍事件成為一種不能忽視的現(xiàn)象。擴(kuò)展F和GPS電離層閃爍均是電離層不均勻體的無線電觀測現(xiàn)象,前者是電離圖上表現(xiàn)出頻域、區(qū)域的回波信號(hào)彌散,后者則是地面接收的GPS信號(hào)發(fā)生強(qiáng)的衰落。統(tǒng)計(jì)分析擴(kuò)展F和電離層閃爍相關(guān)性有助于理解GPS電離層閃爍發(fā)生和演化機(jī)制,以及掌握GPS電離層閃爍發(fā)生前兆信息,對(duì)GPS電離層閃爍預(yù)警減緩措施研發(fā)具有一定意義。

近幾十年來,諸多學(xué)者開展了擴(kuò)展F與電離層閃爍的對(duì)比研究工作。Medeiros等[1]在統(tǒng)計(jì)分析了巴西兩個(gè)觀測站的VHF頻段電離層閃爍數(shù)據(jù)和擴(kuò)展F數(shù)據(jù)后,發(fā)現(xiàn)兩者在發(fā)生概率和持續(xù)時(shí)間上存在較好的一致性。龍其利等[2]統(tǒng)計(jì)分析了1989年12月至1990年12月期間VHF頻段電離層閃爍數(shù)據(jù)和擴(kuò)展F數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展F起始時(shí)間早于電離層閃爍。Iyer等[3]根據(jù)分析印度兩個(gè)觀測站監(jiān)測的1987至1989年期間VHF頻段閃爍和擴(kuò)展F數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),二者只在太陽活動(dòng)高年具有很好的相關(guān)性。朱太平等[4]分析1990年8月至9月期間的電離層閃爍和擴(kuò)展F發(fā)生概率發(fā)現(xiàn),4 GHz頻段電離層閃爍和擴(kuò)展F的相關(guān)性弱于VHF頻段電離層閃爍和擴(kuò)展F的相關(guān)性。近年來,王國軍等[5]分析了強(qiáng)區(qū)域擴(kuò)展F發(fā)生概率和GPS L1頻段電離層閃爍發(fā)生概率隨時(shí)間的變化趨勢。史建魁等[6]分析了三亞地區(qū)2003年至2007年期間強(qiáng)區(qū)域擴(kuò)展F和GPS L1頻段電離層閃爍月發(fā)生概率的相關(guān)系數(shù)。本文主要研究太陽活動(dòng)高年?？诘貐^(qū)擴(kuò)展F和GPS L1頻段電離層閃爍在起始和結(jié)束時(shí)間方面的相關(guān)性,以探究電離層不均勻體在不同發(fā)展演化階段對(duì)GPS L1頻段電離層閃爍影響。

1 觀測數(shù)據(jù)

目前,國際上一般將擴(kuò)展F劃分為頻域擴(kuò)展F、區(qū)域擴(kuò)展F、混合擴(kuò)展F和強(qiáng)擴(kuò)展F.對(duì)?？谡?20.0°N,110.3°E)電離層垂測儀觀測的擴(kuò)展F數(shù)據(jù)和GPS L1頻段電離層幅度閃爍數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),在彌散點(diǎn)超過6.6 MHz時(shí),擴(kuò)展F和電離層閃爍具有較好的相關(guān)關(guān)系,因此本文僅選取彌散點(diǎn)超過6.6 MHz的擴(kuò)展F作為分析對(duì)象,不再作類型區(qū)分。擴(kuò)展F選取標(biāo)準(zhǔn)如圖1所示。

圖1 擴(kuò)展F選取標(biāo)準(zhǔn)

本文使用數(shù)據(jù)的采集時(shí)間為2012年8月1日至2013年7月31日夜間(10:00UT至0:00UT,本地時(shí)=UT+7.0)。擴(kuò)展F的采樣間隔為15 min.

部署在?？谡镜腉PS閃爍監(jiān)測儀,以20 Hz的采樣速率對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采集處理,實(shí)時(shí)計(jì)算電離層閃爍S4指數(shù),采樣間隔為1 min.為避免多徑干擾和低仰角引起的其他效應(yīng),僅選取衛(wèi)星仰角在25°以上的數(shù)據(jù)。電離層閃爍事件識(shí)別準(zhǔn)則為S4指數(shù)大于0.3,且持續(xù)時(shí)間超過15 min的事件。

2 結(jié)果與討論

2.1 事件相關(guān)性

圖2示出了2012年8月至2013年7月夜間的擴(kuò)展F和電離層閃爍事件月發(fā)生天數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖2可以看出,春分和秋分月份的擴(kuò)展F和電離層閃爍的月發(fā)生概率最高,冬季較少發(fā)生,夏季次之。在365天的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中,共有89天電離層閃爍和擴(kuò)展F均出現(xiàn),有19天只有擴(kuò)展F出現(xiàn),僅有1天只有電離層閃爍出現(xiàn)?；谙嚓P(guān)性統(tǒng)計(jì)分析得到兩者同時(shí)發(fā)生的相關(guān)系數(shù)為0.95.該結(jié)果說明絕大部分電離層閃爍事件均會(huì)伴隨擴(kuò)展F現(xiàn)象。

圖2 2012年8月至2013年7月期間擴(kuò)展F和電離層閃爍事件

2.2 起止時(shí)間相關(guān)性

對(duì)2012年8月至2013年7月89次同日出現(xiàn)的擴(kuò)展F和電離層閃爍事件的起止時(shí)間進(jìn)行進(jìn)一步的分析。圖3示出了兩類事件起始時(shí)間的相關(guān)分析結(jié)果,其中虛線為14:00UT之前數(shù)據(jù)的線性擬合結(jié)果,實(shí)線為全部數(shù)據(jù)的線性擬合結(jié)果。圖4示出了兩類事件結(jié)束時(shí)間的相關(guān)分析結(jié)果,實(shí)線為全部數(shù)據(jù)的線性擬合結(jié)果。

從圖3、圖4中可以看出,擴(kuò)展F和電離層閃爍事件的起始時(shí)間相關(guān)系數(shù)為0.71,結(jié)束時(shí)間相關(guān)系數(shù)為0.62.兩者在起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間具有較好的一致性。在起始時(shí)間方面,14:00UT之前,兩者的相關(guān)系數(shù)為0.87,說明在21:00LT之前兩者幾乎同時(shí)出現(xiàn),且電離層閃爍出現(xiàn)事件(平均起始時(shí)間19.4LT)稍早于擴(kuò)展F(平均起始時(shí)間19.5LT)。在結(jié)束時(shí)間方面,擴(kuò)展F結(jié)束時(shí)間比電離層閃爍結(jié)束時(shí)間略有滯后,平均滯后時(shí)間約為1.2 h.

圖3 擴(kuò)展F和電離層閃爍事件起始時(shí)間相關(guān)分析結(jié)果

圖4 擴(kuò)展F和電離層閃爍事件結(jié)束時(shí)間相關(guān)分析結(jié)果

3 討論

通過分析發(fā)現(xiàn),我國?？诘貐^(qū)擴(kuò)展F和電離層閃爍事件具有較好的相關(guān)性,但在起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間存在一定差異。這可能是電離層垂測儀和GPS L1頻段電離層閃爍儀所觀測到的電離層不均勻體尺度和范圍不同所致,也與電離層不均勻體發(fā)展演化過程有關(guān)。

首先,電離層不均勻體發(fā)展演化過程以及觀測手段的局限性,會(huì)影響到觀測到的擴(kuò)展F和電離層閃爍事件的起止時(shí)間。GPS L1頻段的電離層閃爍監(jiān)測是通過接收多顆GPS衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)的,根據(jù)衛(wèi)星鏈路與電離層不均勻體的穿刺點(diǎn)在地面投影的位置計(jì)算公式:

angle= π/2-α-arcsin[(R·cosα)/

(R+h)],

(1)

φ= arcsin[sinφj·cos(angle)+

cosφj·sin(angle)·cosαz]

(2)

λ=λj+arcsin[sin(angle)·sinαz/cosφ],

(3)

其中: 假定不均勻體高度h為350 km[7];R為地球半徑(6 371 km);α為衛(wèi)星仰角;αz為衛(wèi)星方位角;(λj,φj)為觀測站位置(110.3°E,20.0°N); (λ,φ)分別為穿刺點(diǎn)的經(jīng)緯度。當(dāng)電離層閃爍監(jiān)測設(shè)備觀測的衛(wèi)星截止仰角為25°時(shí),其監(jiān)測范圍的最大半徑為640 km.而電離層垂測儀的工作模式為同站址垂直發(fā)射與接收,綜合F層電離圖回波描跡的高度數(shù)據(jù),認(rèn)為電離層垂測儀對(duì)電離層不均勻體的觀測半徑遠(yuǎn)小于200 km.甄衛(wèi)民等[8]通過分析多站的GPS信號(hào)發(fā)現(xiàn),我國低緯地區(qū)電離層不均勻體源于赤道電離層不均勻體的北向擴(kuò)展。此外,電離層不均勻體的東向漂移也是?？谡居^測到不均勻體的原因之一。由于在14:00UT以前擴(kuò)展F和GPS電離層閃爍的起始時(shí)間相差甚少,推測14:00UT之前我國低緯地區(qū)電離層不均勻體源于赤道電離層不均勻體的北向擴(kuò)展。考慮到GPS電離層閃爍的觀測范圍更大,可能是導(dǎo)致GPS電離層閃爍起始時(shí)間略早于電離層垂測儀觀測到擴(kuò)展F的主要原因。

其次,根據(jù)第一菲涅耳半徑公式計(jì)算可知,引起L1頻段電離層閃爍的不均勻體尺度小于1 km[9],而電離層垂測儀工作頻段為短波頻段,其可觀測的電離層不均勻體尺度遠(yuǎn)大于1 km.鑒于擴(kuò)展F和GPS電離層閃爍在14:00UT以前的起始時(shí)間幾乎相同,表明太陽活動(dòng)高年的赤道電離層不均勻體在發(fā)展起始階段便包含低于1 km的中小尺度電離層不均勻體。

最后,大部分?jǐn)U展F結(jié)束時(shí)間滯后于電離層閃爍的結(jié)束時(shí)間,平均滯后時(shí)間約為1.2 h,表明在不均勻體發(fā)展演化的結(jié)束階段,中小尺度的電離層不均勻體首先消失。甄衛(wèi)民等[10]根據(jù)?？诘貐^(qū)VHF信號(hào)功率譜斜率在閃爍初期和末期不同,認(rèn)為赤道電離層不均勻體在消亡階段,1 km以下中小尺度的不均勻體首先耗散消失。本文統(tǒng)計(jì)結(jié)果也同樣支持該結(jié)論。

4 結(jié)束語

對(duì)2012年8月至2013年7月太陽活動(dòng)高年海口地區(qū)擴(kuò)展F和GPS L1頻段電離層閃爍觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)我國?？诘貐^(qū)擴(kuò)展F和電離層閃爍事件具有較好的相關(guān)性,但在起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間存在一定差異。在21:00LT以前,GPS電離層閃爍平均起始時(shí)間比擴(kuò)展F稍早,可能是該時(shí)段的電離層不均勻體源于赤道電離層不均勻體的北向擴(kuò)展,且起始階段便包含低于1 km的中小尺度電離層不均勻體所致。擴(kuò)展F結(jié)束時(shí)間比電離層閃爍結(jié)束時(shí)間略有滯后,平均滯后時(shí)間約為1.2 h,可能是在電離層不均勻體消亡階段,1 km以下中小尺度的不均勻體首先耗散消失所致。后續(xù)將利用更長周期的觀測數(shù)據(jù)來深入分析二者的相關(guān)性及其隨季節(jié)、太陽活動(dòng)周期等的變化特征。

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Correlation Analysis on Occurrence Time of Spread F and Ionospheric Scintillations in Haikou Region

LI Jingjing,SHENG Dongsheng,ZHANG Hongbo

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Using spread F observations and GPS L1-band ionospheric scintillation observations recorded by ionosonde and GPS L1-band Ionospheric Scintillation monitor respectively in Haikou region during August 2012 and July 2013, we carried out correlation analysis on the occurrence time of each other. It’s found that there is a good correlation between the occurrences of Spread F and GPS L1-band ionospheric scintillation. The correlation coefficient is 0.95.Due to development and evolution characteristics of low-latitude ionospheric irregularities during solar maximum and different observing modes of equipments, the average starting time of GPS ionospheric scintillations is a little earlier than that of Spread F, and the average end time of the latter is somewhat lagged. Analysis from the statistical results also showed that small scale irregularities less than 1km died off firstly in the decay phase of ionospheric irregularities.

Spread F; ionospheric scintillation; irregularity; correlation analysis

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.009

2016-12-12

TN966

A

1008-9268(2017)02-0040-04

李靜靜 (1984-),女,工程師,主要研究方向?yàn)殡姴ōh(huán)境數(shù)據(jù)處理與電波傳播預(yù)測技術(shù)。

盛冬生 (1986-),男,工程師,主要研究方向?yàn)殡婋x層閃爍及其影響評(píng)估技術(shù)。

張紅波 (1979-),男,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)殡婋x層閃爍預(yù)報(bào)預(yù)警、衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星通信雷達(dá)系統(tǒng)電離層閃爍減緩等。

聯(lián)系人: 李靜靜E-mail:lijingjing2009@yeah.net