王譽(yù)錚，周禧田

（1.北京建筑大學(xué) 測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616；2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

電離層是高度約為60~1000km 范圍內(nèi)的離子化大氣層，大量的自由電子和正離子存在于該區(qū)域內(nèi)[1]。當(dāng)GNSS 衛(wèi)星信號(hào)穿過(guò)電離層時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、折射、散射和吸收等現(xiàn)象，使信號(hào)產(chǎn)生傳播時(shí)延、色散效應(yīng)和多普勒效應(yīng)等[2]。電離層電子密度不均性會(huì)影響無(wú)線電波的速度及傳播質(zhì)量，使信號(hào)發(fā)生的振幅、相位以及偏振方向快速隨機(jī)起伏現(xiàn)象被稱為電離層閃爍。統(tǒng)計(jì)表明，電離層閃爍有明顯的日變化，并受當(dāng)?shù)氐胤綍r(shí)、季節(jié)、經(jīng)緯度、太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)所影響[3-4]。在太陽(yáng)活動(dòng)比較劇烈的時(shí)候，電離層閃爍比平時(shí)更加劇烈[5]。在不同緯度，電離層閃爍的程度也不一樣，一般在中緯度地區(qū)電離層閃爍主要發(fā)生在夜間且閃爍程度大，而白天很少有閃爍發(fā)生[6]。

電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)是引起電離層閃爍的原理。在20 世紀(jì)50 年代中期以前，關(guān)于電離層結(jié)構(gòu)及物理特性的探討主要使用地面電離層測(cè)高儀。在20 世紀(jì)50 年代后，隨著地球衛(wèi)星的研發(fā)成功，電離層探測(cè)進(jìn)入了一個(gè)從地面到空間的觀測(cè)時(shí)代。除了電離層測(cè)高儀，大功率雷達(dá)（相干和非相干雷達(dá)）是后來(lái)發(fā)展起來(lái)的探測(cè)手段。雷達(dá)的頻率范圍有數(shù)十兆到數(shù)百兆之間，探測(cè)頻率是大于電離層的最大頻率，收到的是不規(guī)則結(jié)構(gòu)或者電子的散射波。利用非相干散射雷達(dá)可以獲得有關(guān)電離層中不規(guī)則結(jié)構(gòu)的漂移速度、相應(yīng)的電場(chǎng)或漂移等信息[7]。

但是由于非相干散射雷達(dá)造價(jià)和運(yùn)營(yíng)的成本昂貴，難以推廣。同時(shí)，全天空光學(xué)圖像也被應(yīng)用于等離子體泡的觀測(cè)與研究[8]。

另一類探測(cè)技術(shù)主要是依據(jù)電離層對(duì)電波傳播的效應(yīng)。即當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)穿過(guò)電離層的時(shí)候，其相位路基、群路基和信號(hào)強(qiáng)度都會(huì)受電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的影響，造成多普勒頻移或偏振面旋轉(zhuǎn)等，這樣就可以得到沿傳播路徑的積分效應(yīng)（電離層電子含量）[9]。

隨著大量電離層閃爍探測(cè)設(shè)備的發(fā)明和探索數(shù)據(jù)的大量積累，國(guó)際上很多機(jī)構(gòu)建立了區(qū)域或全球電離層閃爍經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，用于電離層閃爍的預(yù)報(bào)。NWRA（Northwest Research Associates）組織根據(jù)電離層等離子不規(guī)則的結(jié)構(gòu)和穿過(guò)電離層的電波傳播效應(yīng)，提出了一種電離層閃爍模型WBMOD。WBMOD 可以通過(guò)結(jié)合實(shí)時(shí)電子密度不規(guī)則結(jié)構(gòu)和電離層閃爍資料，比較準(zhǔn)確地估算出當(dāng)前的電離層閃爍情況。Grovesetat 將WBMOD 模型應(yīng)用在SCINDA（Scintillation Network Decision Aid）系統(tǒng)上，可以向用戶實(shí)時(shí)提供區(qū)域性的電離層閃爍狀況預(yù)報(bào)[10]。

為此，國(guó)內(nèi)對(duì)電離層閃爍的監(jiān)測(cè)進(jìn)行了大量研究，本文將國(guó)內(nèi)的司南電離層監(jiān)測(cè)機(jī)與Spetentrio PolaRx5s 電離層監(jiān)測(cè)機(jī)進(jìn)行比較。

1 電離層閃爍指數(shù)

在電離層閃爍過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算幅度閃爍指數(shù)和相位閃爍指數(shù)來(lái)衡量電離層閃爍造成的影響，其中幅度閃爍指數(shù)尤為重要[11]。GNSS 接收機(jī)收到的信號(hào)可以用以下簡(jiǎn)化模型表達(dá)

式中：r（t）是接受的信號(hào)，p 是收到的信號(hào)功率（watts），w 是載波頻率（rad/s），s（t）為歸一化后的傳輸信號(hào)，n（t）為信號(hào)造成，φ 為接收機(jī)接受的載波相位。

電離層閃爍引起的幅度或相位擾動(dòng)以及閃爍下的信號(hào)可以用以下模型表示

式中：δφ 為接收機(jī)接受的載波相位誤差。

1.1 幅度閃爍指數(shù)

幅度閃爍一般由尺度在數(shù)十米至數(shù)百米的不規(guī)則體引起的，確切地說(shuō)是小于第一非涅爾半徑的不規(guī)則體。S4 是表征電離層閃爍強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)，定義為每分鐘信號(hào)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差除以接收功率的平均值[12]。但為更精確確定幅度變化情況，信號(hào)強(qiáng)度還需要剔除信號(hào)源運(yùn)動(dòng)和多路徑效應(yīng)等對(duì)接受信號(hào)的影響，在本文中主要通過(guò)濾波的方式剔除[13-14]。

式中：＜*＞表示*的數(shù)學(xué)期望，SI 表示信號(hào)的強(qiáng)度。S4越大，則表示電離層閃爍得越強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到1 時(shí)閃爍達(dá)到了飽和。

1.2 相位閃爍指數(shù)

相位閃爍也是衡量電離層閃爍強(qiáng)弱的重要指標(biāo)之一，表示接受信號(hào)的相位變化情況。通常是由尺度數(shù)百米至數(shù)千米的不規(guī)則體引起的，用phi 表示相位閃爍指數(shù)，定義為載波相位的標(biāo)準(zhǔn)差[15-18]。

式中：φ 為接收機(jī)接受的載波相位。由于幅度和相位閃爍指數(shù)對(duì)頻率不同的依賴性，導(dǎo)致相位閃爍指數(shù)比幅度閃爍指數(shù)更為敏感。

2 實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果

2.1 方案

方案1：在單GPS 系統(tǒng)下，分別使用司南電離層監(jiān)測(cè)機(jī)和Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測(cè)機(jī)監(jiān)測(cè)L1C 頻率的幅度閃爍差值時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

方案2：在單GPS 系統(tǒng)下，分別使用司南電離層監(jiān)測(cè)機(jī)和Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測(cè)機(jī)監(jiān)測(cè)L1C 頻率的相位閃爍差值時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

方案3：在單BDS 系統(tǒng)下，分別使用司南電離層監(jiān)測(cè)機(jī)和Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測(cè)機(jī)監(jiān)測(cè)BIL 頻率的幅度閃爍差值時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

2.2 結(jié)果

一般電離層閃爍中的幅度閃爍可以分為3 個(gè)等級(jí)：弱閃爍（0.1＜S4＜0.3）、中等閃爍（S4＞0.3）、高等閃爍（S4＞0.6）。從圖1 和圖2 可以看出，對(duì)比GPS 在L1C頻率中Septentrio 和司南的幅度閃爍發(fā)現(xiàn)，用Septentrio 電離層閃爍監(jiān)測(cè)機(jī)監(jiān)測(cè)發(fā)生中等幅度閃爍衛(wèi)星數(shù)大于司南電離層閃爍監(jiān)測(cè)機(jī)，而且司南電離層閃爍監(jiān)測(cè)機(jī)監(jiān)測(cè)的幅度閃爍一般都是弱閃爍，意味著在監(jiān)測(cè)期間電離層閃爍對(duì)數(shù)據(jù)接受以及定位影響不大。同時(shí)從2 個(gè)電離層閃爍監(jiān)測(cè)機(jī)看出發(fā)生幅度閃爍一般是中午和凌晨2 個(gè)時(shí)間段。

圖1 在GPS 的1 號(hào)衛(wèi)星L1C 頻率，司南電離層監(jiān)測(cè)機(jī)與Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測(cè)機(jī)監(jiān)測(cè)的幅度閃爍差值時(shí)間序列數(shù)據(jù)

圖2 在GPS 的2 號(hào)衛(wèi)星L1C 頻率，司南電離層監(jiān)測(cè)機(jī)與Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測(cè)機(jī)監(jiān)測(cè)的幅度閃爍差值時(shí)間序列數(shù)據(jù)

在圖3 和圖4，Septentrio 和司南在GPS 的相位閃爍活動(dòng)時(shí)間序列可以看出，相同衛(wèi)星存在變化趨勢(shì)一致的部分，只是由于不同電離層監(jiān)測(cè)機(jī)觀測(cè)，導(dǎo)致觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)目不統(tǒng)一和觀測(cè)的相位閃爍標(biāo)準(zhǔn)不一致使數(shù)值之間存在差異。但對(duì)于Septentrio 和司南電離層監(jiān)測(cè)機(jī)，相位閃爍變化大都是處于中午和凌晨時(shí)間段。

圖3 在GPS 的1 號(hào)衛(wèi)星L1C 頻率，司南電離層監(jiān)測(cè)機(jī)與Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測(cè)機(jī)監(jiān)測(cè)的相位閃爍差值時(shí)間序列數(shù)據(jù)

圖4 在GPS 的2 號(hào)衛(wèi)星L1C 頻率，司南電離層監(jiān)測(cè)機(jī)與Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測(cè)機(jī)監(jiān)測(cè)的相位閃爍差值時(shí)間序列數(shù)據(jù)

從圖5 和圖6 可以看出，從趨勢(shì)上：Septentrio 和司南監(jiān)測(cè)到幅度閃爍變化趨勢(shì)是有一定相似的，都是在中午、凌晨這個(gè)時(shí)間段發(fā)生幅度閃爍快速變化。從大小上：司南電離層閃爍監(jiān)測(cè)機(jī)監(jiān)測(cè)到的衛(wèi)星幾乎都是發(fā)生弱幅度閃爍，故需要探討誰(shuí)監(jiān)測(cè)的幅度閃爍更準(zhǔn)確，則需要從接受數(shù)據(jù)質(zhì)量或者定位精度等方面進(jìn)行比較。

圖5 在BDS 的1 號(hào)衛(wèi)星BIL 頻率，司南電離層監(jiān)測(cè)機(jī)與Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測(cè)機(jī)監(jiān)測(cè)的幅度閃爍差值時(shí)間序列數(shù)據(jù)

圖6 在BDS 的2 號(hào)衛(wèi)星BIL 頻率，司南電離層監(jiān)測(cè)機(jī)與Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測(cè)機(jī)監(jiān)測(cè)的幅度閃爍差值時(shí)間序列數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

在GPS 系統(tǒng)，司南電離層監(jiān)測(cè)機(jī)監(jiān)測(cè)的電離層幅度閃爍和相位閃爍在精度上與Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測(cè)機(jī)相一致，幅度閃爍互差和相位閃爍互差不超0.1mm。因此，在電離層閃爍的地區(qū)，對(duì)GPS 電離層閃爍監(jiān)測(cè)的設(shè)備可以用司南電離層監(jiān)測(cè)機(jī)代替Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測(cè)機(jī)。

在BDS 系統(tǒng)，本文對(duì)電離層幅度閃爍進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，司南電離層監(jiān)測(cè)機(jī)和Septentrio PolaRx5s 電離層監(jiān)測(cè)機(jī)監(jiān)測(cè)的幅度閃爍變化趨勢(shì)是有一定相似。在電離層閃爍程度不大的情況下，對(duì)BDS 電離層幅度閃爍監(jiān)測(cè)的設(shè)備可以用司南電離層監(jiān)測(cè)機(jī)代替Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測(cè)機(jī)。

綜合上述，不論對(duì)GPS 系統(tǒng)還是BDS 系統(tǒng)電離層閃爍監(jiān)測(cè)，司南電離層監(jiān)測(cè)機(jī)的監(jiān)測(cè)精度相對(duì)Spetentrio PolaRx5s 監(jiān)測(cè)機(jī)的監(jiān)測(cè)精度十分接近。