一种掩星数据处理中辅助模式的研究

解琨,张慧慧,梁子亮

(1.江苏省基础地理信息中心,南京 210013;2.上海建科工程咨询有限公司,上海 200032)



一种掩星数据处理中辅助模式的研究

解琨1,张慧慧2,梁子亮1

(1.江苏省基础地理信息中心,南京 210013;2.上海建科工程咨询有限公司,上海 200032)

摘要：由于某些掩星系统自身轨道高度限制及遇到其他特殊情况,造成了部分低高度数据无法获取或获取质量不佳等缺陷,对反演过程和应用造成一定困难。为此,本文引入Chapman辅助模式方法,并通过实例进行反演。结果表明:与COSMIC、经典IRI模型对比,在一定高度下利用Chapman模式辅助反演,数据均匀完整,收敛速度快。

关键词：掩星技术;GPS;辅助模式

0引言

随着GPS研究不断完善,掩星系统持续更新发展,掩星技术日益受到人们关注,其应用领域也在不断拓展。尤其是2006年COSMIC掩星系统成功组网后,在基础理论研究、大气反演、地质灾害预报等方面迅速受到国内外学者的关注。周义炎等[1]在深入研究了掩星技术反演的原理并通过计算和对比后指出该技术在地质灾害预警方面有广阔的应用前景;李国翠等[2]通过研究地基GPS加权平均温度的模型反演出华北地区的水汽分布,从而预报降雨;杨剑等[3]利用GPS掩星技术研究了2006年11月15日日本千岛群岛Ms8.0级地震和2007年2月25日青海Ms5.3级地震临震前震区上空附近电子密度的异常变化,验证了掩星技术在震前电离层异常探测方面的可行性。

随着应用的深入,研究人员对数据模型的选择以及结果质量要求更高。目前,数据处理的模型方法主要是改正TEC反演方法,该法虽然简单实用,且能够有效反演轨道高度较低的LEO卫星的电离层掩星数据。但是,对于有些掩星系统因为自身轨道高度受限导致低高度电离层数据采集有缺失的情况,如CHAMP掩星,改正TEC反演方法无法直接使用[4]。此外,轨道高度较高的LEO卫星在进行掩星观测也会出现观测不够完整的情况,如最高探测切点高度只到500 km左右,这样的掩星事件包含了主要的电离层信息,所以要尽可能的加以利用。

对于上述两种情况的掩星数据,称为类掩星电离层掩星数据[5-6]。类掩星数据的计算一般利用经典IRI辅助模式方法,但是该方法结果中包含了许多低高度(D、E层)精度差的数据,所以导致该法总体精度不稳定,收敛速度慢[1，7-8]。针对上述情况,本文将引入Chapman辅助模式方法,通过实例计算,研究针对这类掩星数据的反演处理。

1反演方法介绍

1.1改正TEC反演算法[7]

掩星平面是由GPS卫星、LEO卫星和地球球心三者所决定的平面。本文假设LEO轨道近似为圆轨道,并且LEO轨道平面和掩星平面重合(即GPS卫星在LEO轨道平面内运动),如图1所示,A、C之间的电子总含量(TEC)为

TECAC=∫Neds

(1)

图1　类掩星反演示意图

联系人： 解琨E-mail:excellentkun@163.com

式中:TECAC为A、C间电子总含量;Ne为电子密度; r为积分路径上的地心到点的距离; ro为地心到掩星切点的距离; rLEO,rGPS分别为LEO卫星和GPS卫星到地心的距离。B点高度与C点高度相对应,若采用电子密度分布局部球对称模型则

TECBC=TECAC-TECAB

(2)

由式(2)可得

(3)

1.2类掩星电离层掩星数据反演方法

对于TECCC′和TECAB′主要通过电离层模式电子密度积分获得,可以通过以下两种方式实现。

1) 利用Chapman模式辅助反演

利用一个指数衰减的等离子体层模式,可以在Chapman公式基础上构成一个简单的电离层模式(简称Chapman模式),表达式为[5]

Ne(h)=

(4)

式中: NmF为电离层峰值电子密度; hmF为电离层峰值高度; Hs为电离层标高; hpo为等离子体层开始高度; Hp为等离子体标高; Npo为hpo处电子密度。其中,hpo、Hp为特定值,可视不同情况设定。本文hpo取值800km,Hp取值10 000km,利用过程中的不断迭代可使其他参数在反演中持续更新直至NmF的相对变化量在0.05%之内,则反演过程结束,最后将电子密度反演结果输出。

2) 利用IRI模式辅助反演

①Abel变换法介绍

掩星观测时,由于受到电离层的折射作用,GPS卫星发射的电波信号到达LEO卫星之前电波路径会发生不同程度的弯曲。电离层的折射率梯度决定其弯曲角的大小。由测量得到的电波多普勒频移以及卫星的位置和速度,可计算出电波路径弯曲角,再由Abel积分反演公式反推出折射率,最后由折射率计算出电离层电子密度等物理参量[4]。

②IRI模式辅助反演

设由IRI模式计算TECCC′和TECAB′分别为TECIRICC′和TECIRIAB′,NeCIRI为IRI模式中C点电子密度;而NeC为该点的实际电子密度,其初值可由TEC估算,则表达式[6]为

TECIRICC′) .

(5)

设r为LEO卫星轨道距离地心的距离,其中,ro和r1为最高的两个掩星切点距地心距离(ro>r1),对应的TEC分别为TEC0和TEC1,则[6]

(6)

获得NeC初值后,即可根据式(5)进一步获得TECB′C′,再运用上述改正TEC反演方法,经一次反演后,用得到的NeCIRI代替式(5)中的NeC,再进行反演,多次迭代,直至前后两次电离层峰值电子密度反演结果相对变化在0.05%范围内。

2反演实例

本次反演数据为2015年2月14日12:00时COSMIC掩星系统OCC#1卫星的双频观测数据,采样间隔为1 s.该卫星2月14日在全球范围内共发生掩星665次;其中,选取了1次类掩星事件,反演高度42.35~540.2 km,持续时间近20分钟,LEO卫星轨迹和LEO-GPS路径上的斜TEC如图2示。LEO与GPS高度角在20°~-20°之间，符合观测条件,如图3所示。

图2　反演区域上空LEO-GPS路径上斜TEC含量

图3　LEO-GPS卫星高度角

3结果分析

2015年2月14日14:00时Chapman模式计算结果、IRI2007计算结果与公布的COSMIC结果对比如图4所示。从图中看出以下几点:

图4　三种辅助模式结果对比

1) 受掩星星座分布以及LEO-GPS轨道运行局限性,利用Chapman模式没有反演出低于100 km内的电离层电子含量及电子密度,有效的反演高度111.9~540.2 km;IRI模式则没有这种局限性,其有效反演高度为42.35～483.7 km; COSMIC数据反演高度为39.7～490.6 km.由此可看出Chapman模式在低高度应用不占优势。当然,由于Chapman模型受hpo高度影响,所以低高度范围内反演存在一定的局限性,导致起始高度值偏高。但是,从反演密度来看,Chapman模式反演结果密度分布均匀,线性较好接近于COSMIC数据;而IRI模式在100 km高度下密度分布不均匀,结果有待完善。

2) 从数据结果上来看主要有2点不同:① 从图中对比曲线可看出,200～400 km之间三者差别不大(不包括NmF2峰值),曲线基本吻合;90～150 km IRI数据与COSMIC数据曲线大致相同,两者之差在20 000 el.cm-3以内,该高度IRI模型反演结果可以作为数据参考使用; 400 km以上三者差超过20 000 el.cm-3,因此反演结果不能作为具体反演结果使用。② NmF2峰值密度有一点差异,Chapman模式为4.02×105el.cm-3,IRI模型为4.14×105el.cm-3,COSMIC为4.25×105el.cm-3,峰值相差不超过20 000 el.cm-3[7],因此两者反演结果也可以作为具体结果使用。

3) 从收敛速度来所,由于高度越低反演效率越低,且误差越大。IRI模式在低于100 km范围内收敛速度明显放缓,而Chapman法自始至终较为均匀。

4结束语

本文针对类掩星事件,提出了用电离层模式辅助反演的方法,具体给出了利用Chapman模式和IRI模式来辅助反演的实现步骤,并应用于掩星数据的反演。

模拟仿真反演结果表明,与COSMIC数据相比,低高度配合IRI模式数据的情况下,利用Chapman模式辅助反演,切实可行;且在一定范围之内,不但最大限度的保留了类掩星数据,而且很好的解决了IRI法在低高度精度差的问题。

综上所述,Chapman法反演切实可行,数据结果更稳定,线性更加匀称。

参考文献

[1]周义炎,吴云,乔学军，等.GPS掩星技术和电离层反演[J].大地测量与地球动力学，2005,25(2):29-35.

[2]李国翠,李国平，刘凤辉，等.华北地区水汽总量特征及其与地面水汽压关系[J].热带气象学报，2009:25(4)：488-494.

[3]杨剑，吴云，周义炎，等.利用GPS无线电掩星数据研究震前电离层异常[J]. 大地测量与地球动力学，2008,28(1)：16-22.

[4]郭鹏.无线电掩星技术与CHAMP掩星资料反演[D].上海:中国科学院上海天文台,2005.

[5]曾桢,胡 雄,张训械,等.电离层GPS 掩星观测反演技术[J].地球物理学报,2004,47(4):578-583.

[6]金双根,章红平,朱文耀.GPS实时监测和预报电离层电子含量[J].天文学报,2004,45(2):213-219.

[7]吴小成,胡 雄,张训械等.电离层GPS掩星观测改正TEC反演方法[J].地球物理学报,2006,49(2):328-334.

[8]吴小成.电离层无线电掩星技术研究[D].北京:中国科学院,2008.

解琨(1986-)，男，硕士，工程师，主要从事GPS定位与导航的研究和工作。

张慧慧(1986-)，女，硕士，工程师，主要从事工程测量与施工的研究和工作。

梁子亮(1988-)男，硕士，助理工程师，主要从事GPS定位与导航的研究和工作。

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

作者简介

收稿日期：2015-03-10

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2015)06-0072-04

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.015