利用COSMIC掩星数据分析电离层扩展F层现象

巫子好，邹玉华，王自辉

（桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004）

扩展F层名称源于早期测高仪的观测，当时发现反射回波有时并不集中，而是在频率范围上“扩展”开来，故由此而得名。当无线电信号穿越这样一层电子密度不均匀区域时，信号的振幅、相位发生剧烈的变化，一般把这种现象称之为电离层闪烁。扩展F层闪烁会给无线电通信、导航、定位等造成重要影响[1]，它在一个很宽的频带内造成电波的散射及振幅和相位的闪烁，因而从理论研究和应用角度，都是夜晚电离层中的一个重要现象[2]。电离层闪烁主要发生在赤道异常区（地磁的±15°）附近。低纬地区的电离层的闪烁主要受覆盖地磁赤道地区的F层的不规则体的产生和发展影响。在日落后由于受Rayleigh-Taylor不稳定机制和重力波的共同影响，等离子体泡等不规则结构将在赤道F层底部生成并上升到电离层顶部，其间以羽状烟云的形式离开磁赤道沿磁力线向南北扩散（±15°的赤道畸形峰值区域），形成电浆泡和羽状结构，这两种结构能够引起非常强烈的闪烁效应，即在赤道和低纬地区引起跨电离层传播的无线电波闪烁[3]。过去的大量的赤道闪烁的事件和形态被报告，表明扩展F层通常发生在地磁赤道两侧的±20°的范围内，最强的区域分布在以异常峰（±15°）为中心的两个带状区域内。闪烁事件在当地时的日落到午夜之间的时间段非常显著，但有时也可延伸到午夜后数小时。事件发生的频率具有很强的季节性，太阳周期性，地磁活动，经度相关性和极端的天气变化。分（至）月所有经度范围通常都具有很高（低）的发生频率。北美洲这个部分例外，其最强闪烁发生在12月到1月之间；太平洋的中心部分在7月到8月之间表现的为分月的闪烁水平。

在过去几十年的扩展F层研究中，主要是基于地基探测数据进行分析，例如：垂直测高仪、非相干散射雷达，气象气球等[4]。近些年随着空间技术的发展，特别是GPS导航系统的成功应用，利用GPS信号来进行电离层的研究逐渐发展起来。GPS信号探测电离层分为地基与天基两种方法，地基探测技术顾名思义是指GPS信号接收机是位于地球上的，受到较大地域限制，影响了其应用范围。天基探测技术有时也称为空基探测技术，是指在距地球表面一定的距离的空间设置GPS信号接收机，其优点是克服了地理环境的影响，能够得到较多的探测数据。目前正在实施的天基GPS探测计划基础理论之一是无线电掩星技术[5]。随着无线电掩星技术的发展为电离层探测提供了一种新的方法。

1 仪器设备

所谓的无线电掩星技术是指正在被地球大气所遮掩的GPS卫星发出的导航信号被一装载在低地球轨道卫星（LEO）上的GPS接收机所接收。众所周知GPS卫星星座的轨道高度为20 200 km，周期为12 h。当GPS卫星发射的电波信号穿过地球大气层时，由于大气对电波产生折射效应，电波射线发生弯曲，在低轨卫星上的高精度GPS接收机接收到这些信号时，依据图1的几何关系及相应的反演理论，就能将接收机接收到的信号逐步反演得到感兴趣的物理量[5-6]。

图1 掩星观测示意图Fig.1 The geometric map of GPS occultation

美国与台湾地区共同合作的COSMIC计划（Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere and Climate），台湾将其称为福尔摩沙卫星三号计划，即FORMOSAT-3/COSMIC掩星计划。COSMIC掩星系统共发射了6颗低地球轨道微型卫星，分别分布在约800 km高的最终轨道，倾角72°。以分开30°的轨道进行均匀分布的观测，用以接收GPS定位卫星发射的频率为1.58 GHz和1.23 GHz的信息[7]。由于COSMIC系统卫星的分布和GPS接收设备的原因，其可以观测到更多的掩星事件。在射线无地形阻挡及特殊天气情况（如产生反射及折射），理想状况下6颗卫星每日约可提供全球近2 500个的探空资料，目前每日可提供近2 000个的原始数据，而由原始数据可反演出的相当正确的大气探空数据总数已达1 500以上[7]。图2为2009年春分日和春分月的掩星事件分布图。图2（a）为COSMIC掩星2009年春分日（3月20日）全球掩星事件的地理投影。从图2（a）中可以看出春分当天中的掩星事件可以覆盖到全球的各个地方时区和大部分纬度。图2（b）为COSMIC掩星2010年3月的全球掩星事件的地理投影，从图中可以看出春分月的掩星事件可以覆盖到全球的任何地方。

图2 掩星事件的天分布和月分布Fig.2 The daily and the monthly location distribution of occultation

2 数据处理与分析

2.1 数据说明

本文选用了CDAAC（COSMIC Data Analysis and Archive Center）提供的COSMIC的Level1b中的scnLv1数据资料。scnLv1文件的采样率为1 Hz，垂直高度的扫描速率约为2.3 km/s，能够满足扩展F的研究需要，文件中提供了包含信噪比（SNR，signal-to-noise ratio）、掩星发生时间（以 GPS 计时开始为零时的时间）、相位信息及GPS卫星和LEO卫星的ECF坐标系的坐标等。利用GPS和LEO坐标可以方便地计算出GPS掩星射线的近地点的位置。SNR的扰动可以直接反映扩展F层的存在。正因为SNR数据具有较少的噪声干扰，所以本文选用了scnLv1文件中的L1频率的SNR数据来分析扩展F层现象。

许多研究已经用到了SNR和相位数据，但大部分工作都是反演大气的各种参数，如总电子密度 （total electron content），温度和大气中的水汽等。这些参数降低了监测的垂直分辨率。在掩星事件中，GPS卫星对LEO卫星发射两种频率的信号：L1=1.6 GHz和L2=1.2 GHz。本文使用的是L1频段的C/A码中的原始信噪比（SNR）信息。原始的SNR信号对于研究不规则体结构具有许多优点：1）不规则体的结构信息可以很好的保存在原始的L1频率数据中；2）在原始数据中的测量噪声可以直接提取其特征并进行分析；3）更多的掩星事件可以被使用，因为此方法对信号的质量控制没有以前的那么严格[8]。

2.2 数据分析

GPS信号由GPS卫星发射到被LEO卫星接收的整个过程中，受到各种因素的影响，这些影响因素包括GPS卫星上的GPS信号发射机、电离层各层、LEO卫星上GPS接收机。GPS发射与接收机在发射和接收信号的时候由于自身钟差，仪器稳定性等会产生误差，由此引入的误差一般称为仪器误差。这些误差是由COSMIC系统引入的，在本文分析数据时仪器误差不考虑。GPS信号传播过程中信号先后经过了外层大气、电离层、底层大气。在扩展F层高度分析数据时，由于外层大气处于真空状态，几乎不对GPS信号产生影响，SNR主要受电离层F层、背景噪声、电离层偶发E层的影响。为了得到扩展F层的信息必须选取合适的方法分离出电离层F层及背景噪声的影响。本文选用了归一化SNR扰动的标准差作为判断扩展F层存在的物理量。在处理数据时，首先使原始的SNR经过11点高通滤波器提取原始SNR的扰动信息，去除背景噪声，产生SNR扰动量。这样处理的优点在于滤除了变化缓慢或尺度较小的电离层扰动的影响。再将SNR扰动量与SNR0相比产生归一化SNR扰动。最后对归一化SNR扰动求标准差，最终得到归一化SNR扰动的标准差。大的归一化SNR的标准差可以直观的表示出存在的扰动层现象。

图3 GPS-COSMIC掩星系统在2009年4月25日观察到的掩星事件Fig.3 The GPS-COSMIC occultation on 25 April 2009

图4 GPS-COSMIC掩星系统在2009年3月2日观察到的掩星事件Fig.4 The GPS-COSMIC occultation on 2 March 2009

图3和图4给出了2个典型的低纬掩星事件。其中左上图为一次掩星事件的地理分布图。右上图为频率为1 Hz的L1 C/A码SNR随高度变化示意图。左下图为原始SNR数据经过11点高通滤波提取的扰动量随高度变化；下中图为扰动量被SNR0归一化；右下图为归一化SNR扰动的标准差。图3中，在250 km到400 km之间可以看到明显的标准差变化，这表明不规则体“泡”很明显地分布在F层高度范围内，并且没有低于F层的高度。图4中，相似的扰动分布在高海拔地区，但闪烁太大以至于GPS接收机对其信号失锁，无法跟踪到低海拔地区，很可能是不规则体的区域存在于卫星射线路径近地点的前方或者后方，并不在切点位置。在整个月的掩星事件中还存在着最大扰动发生在200 km以下，产生原因可能为扩展F出现在切点的前方或后方，也可能是偶发E产生的影响；还出现了一种非正常的扰动—一个点的突然变化，可能是卫星本身或大气中的突发的情况造成的。由于COSMIC卫星的掩星事件垂直扫描的高度差比较大，有大量的剖面出现不连续现象，这种剖面也不能作为研究扩展F的有效剖面。这4种掩星事件不能被保存。

在进行扩展F层的处理时除了以上的各种误差外还存在一定的方法误差，本文中忽略折射、散射等原因造成的GPS信号传播路径产生弯曲的情况，并假设了GPS信号沿直线传播，这一假设在电离层范围造成的垂直高度误差小于1 km。同时在选取地球模型时选用了球形，虽然在不同位置会造成不同的误差，但是在整体来看这些近似方法产生的误差是可以接受的。地球半径选为6 371 km。

2.3 数据处理结果

所有大标准差的剖面都被仔细地手动审核，以确定编程计算的准确性。最大标准差在所有剖面的95%（对应的数值为0.03）以上和99%（对应的数值为0.1）以上的掩星的地理分布分别绘制到了图5上。图中各点代表大于95%事件的标准差的事件和大于99%事件的标准差的事件所发生的位置。图中的3条黑色曲线分别为地磁的赤道和地磁纬度的±20°。从图5可以看出大标准差的事件明显的分布于磁赤道附近，有一部分例外的是分布在极区附近，南半球的高纬出现比较明显。最强烈的扰动发生在低纬地区，这与已知的闪烁现象相一致。另外，太平洋上空缺失相关联的大标准差事件与以前观测的在这个季节和经度区域很少发生闪烁相一致。通过图6可以进一步证明了所观察到的波动是由闪烁现象的引起的。本图显示了大于99%事件的标准差事件的中低纬事件发生的地方时分布，日落后的峰值和独特的夜晚发生与已知的现象一致。

图5 分析的所有数据中具有较大归一化SNR的标准差的掩星事件的地理定位Fig.5 Geographic locations of occultation events having the highest maximum levels of standard deviation out of all events analyzed

图6 大于99%事件的标准差事件的中低纬事件发生的地方时分布情况Fig.6 Distribution in local time of all low and mid-latitude 99th percentile events

3 结 论

闪烁的掩星观测是从临边几何的方面进行的，区别于以往的传统的地基监测。这种掩星的临边几何探测对以后的科学研究有一些重要的优势和劣势。好的方面，这种方法提供了一种在纵向结构上提取不规则结构的垂直抽样。地基观测只有使用不连续分布的雷达，如Jicamarca雷达，才能达到如此好的垂直分辨率。这种掩星技术的垂直分辨率依赖于卫星射线与地球大气的切点的下降速度和所使用的抽样频率。切点高度可以明显的低于承载GPS接收机的LEO卫星的高度，下降速度大约为2.3 km/s，一定程度上依赖于几何细节。因此，抽样率为中等（1 s）模式时，COSMIC对不规则体的抽样分辨率为2.3 km。

掩星技术最大的缺点就是长距离的无线电射线（2500 km）不能准确定位电离层不规则体的地理位置。这可能是图5赤道地区的观测中大扰动成束的出现在地磁赤道周围而不是落在以赤道异常峰值的两个带状区域内的部分原因。另一个要考虑的内容是不规则体可能贯穿地磁通量管。一般南北走向的掩星射线可能和不规则体的排列一致以至于地理定位困难。未来的具有更多细节的分析，可以考虑了这些因素使地理定位更准确。

总之，已经证实了COSMIC掩星监测对研究电离层的闪烁的可行性和有效性。闪烁可以使用GPS L1频率的SNR扰动来判断。通过对大扰动事件定位的地点和本地时间的分析，这些掩星事件可以明确标识为电离层闪烁。人们可以预测，未来的GPS掩星数据的分析将提供闪烁现象学和电离层科学的新见解。

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