基于GNSS观测的核爆相关参数估计研究

孙阳,苗家友,王帅,熊雯,於晓,

(1.96669部队610分队,北京 100036;2.火箭军装备研究院,北京 100094;3.青岛市公路管理局,山东 青岛 266000;4.中国电波传播研究所,山东 青岛 266107)

0　引　言

对核爆进行研究的传统手段包括电磁脉冲、次声波、水声、地震波等[1]。随着研究的深入以及观测手段的丰富,人们逐渐认识到,核爆会对电离层产生巨大的影响,包括引发行进式电离层扰动[2-3]。早在20世纪70年代,中国电波传播研究所的焦培南等人就利用在河南新乡布设的电离层返回散射探测设备,在超视距情况下观测到了一次核爆炸的电离层效应,计算了附加电离区的大小并估算了附加电离区的平均电子浓度和电离层TID的传播速度[4]。近年来,GNSS技术日益成熟,与之相关的应用领域发展迅速。刘正彦等人利用地面GPS接收机数据计算TEC,发展了利用差分总电子含量来观察电离层扰动引起的GPS信号的多普勒频移效应,并在此基础上提出了利用GNSS数据研究地震和海啸引发的行进式电离层扰动的方法[5-7]。

本文通过对2016年1月6日朝鲜地下核试验期间数个IGS站的观测数据进行分析,提取出电离层扰动信息,再分别采用影响范围分析法、射线追踪法和波束聚集法来确定核爆的爆心位置以及电离层TID的传播速度,计算结果与实际结果基本一致,表明上述方法确定核爆参量的可行性。

1　方法介绍

基于GNSS观测数据的核爆爆心定位的方法主要有以下几种:

1) 影响范围分析法

以各观测站为圆心,假定传播速度已知,以传播速度与传播时间的乘积为半径画圆,圆形面积的重合区域就是最可能的核爆爆心位置。这种方法实现比较简单,但只能获取核爆爆心和TID传播速度的大致范围。

射线追踪法需要先对核爆爆心可能所在的区域进行网格划分,假定每个网格点都是可能的核爆爆心x0,假定电离层TID的传播速度为ν0,并由此得到电离层TID的传播时间Δti

(1)

联系人: 熊雯E-mail: crirp_xw@163.com

式中:Si为假定的核爆爆心到接收机i对应的电离层穿刺点的距离。将多个观测站记录的电离层TID的接收时间ti,减去电离层TID的传播时间Δti,就可以得到核爆电离层扰动的发生时间t0i.假如观测到了N个电离层TID,则起始时间的标准差可以表示为

(2)

由于核爆的发生时间只有一个,那么通过多个观测站的观测结果反推的核爆发生时间应该要一致。当以某个网格点为假定的核爆爆心反推出来的核爆发生时间的标准差为最小值时,这个网格点的坐标即为正确的核爆爆心坐标。

3) 波束聚集法

波束聚集法假定核爆的爆心位置和发生时间已知。需要先对核爆爆心可能所在的区域进行网格划分,假定每个网格点都是可能的核爆爆心x0,假定的核爆发生时间为t0,接收机记录到的电离层TID的接收时间为ti,则电离层TID的传播时间Δti为

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Δti=ti-t0.

(3)

假定核爆爆心x0到其电离层穿刺点xi的距离为Si,可计算每个TID的传播速度υi:

(4)

对于N个观测站接收到的电离层TID,传播速度的标准差可以表示为

(5)

当标准差为最小值时,所假定的t0与x0就是正确的核爆发生时间和位置。

2　计算结果

对2016年1月6日朝鲜地下核试验期间不同IGS站点(daej、suwn和usud)的观测数据进行了分析,此次地下核试验的相关信息以及接收站点的信息如表1所示。分别根据不同的方法得到了不同定位结果。

表1　2016年1月6日朝鲜核爆相关站和爆心的位置信息

1) 影响范围分析法计算结果

以daej、suwn和usud为圆心,考虑不同的传播速度并以传播速度与传播时间的乘积为半径画圆,得到的结果如图1所示。

当假定信号的传播速度为200 m/s时,以usud站为圆心的圆与另外两个圆几乎没有重合区域。但随着传播速度的增加,到了220 m/s的时候,三个圆开始出现明显的交汇区域。当速度增加到270 m/s的时候,三个圆交汇在一个点上,且该点位于朝鲜核试验的试验地点附近。当速度继续增加到300 m/s以上时,三个圆圈逐渐没有共同汇集的区域。用影响范围分析得到的电离层TID传播速度范围约为220～270 m/s.

2) 射线追踪法计算结果

图2给出了不同传播速度条件下,利用射线追踪法定位到的核爆爆炸点位置。

在射线追踪法对核爆爆炸点定位的仿真计算中,选取的区域经度范围是120°E～140°E,纬度范围是30°N～45°N,经度和纬度方向上的网格精度均为0.5°,最终发现当电离层TID传播速度取值为280 m/s时,起始时间的标准差最小,表明当电离层TID传播速度为280 m/s时,对应的仿真结果就是核爆爆心位置。

在仿真分析过程中发现,当电离层TID的传播速度取200 m/s时,定位结果与核爆真实爆炸点(129.0716°E,40.5°N)的距离大约是400 km. 随着传播速度的增加,定位结果逐渐向核爆真实爆炸点靠近,当传播速度达到280 m/s时,由射线追踪法计算得到的爆炸点经纬度为127°E,40.5°N,与真实爆炸点的位置相距约247 km. 当传播速度超过280 m/s以后,定位结果与真实爆炸点之间的偏差也逐渐增加。

3) 波束聚集法计算结果

如图3所示,在波束聚集法对核爆爆炸点定位的仿真计算中,选取的区域经度范围是120°E～140°E,纬度范围是30°N～45°N,经度和纬度方向上的网格精度均为0.5°.最终发现当核爆发生时间取值为01:33UTC时,电离层TID传播速度的标准差最小,表明当核爆发生时间取值为01:33UTC时,对应的仿真结果就是核爆爆心位置。

在仿真分析过程中发现,当假定核爆的发生时间为01:07UTC时,定位出来的结果与核爆真实爆炸点(129.0716°E,40.5°N)的距离大约是222 km.随着爆炸时间的后移,定位结果逐渐向核爆真实爆炸点靠近,当核爆的发生时间取01:33UTC时,由波束聚集法计算得到的爆炸点经纬度为128.5°E,40.5°N,与真实爆炸点的位置相距约109 km.当爆炸时间再往后移,定位结果与真实爆炸点之间的偏差也逐渐增加。

3　讨论

本文分别利用影响范围分析法、射线追踪法和波束聚集法对核爆的爆炸点进行定位,并对电离层TID的传播速度进行了估计。结果表明:

1) 影响范围分析法只能确定核爆爆炸点的大致位置。对于射线追踪法和波束聚集法,定位精度大约为109～247 km,电离层TID传播速度范围大致为220～280 m/s;

2) 利用射线追踪法和波束聚集法对核爆爆炸点位置进行计算时,定位精度很大程度上取决于网格划分的精度,IGS接收到电离层TID的时间精度和站点分布的几何构型。未来需要对定位算法进行优化,以提高其定位精度。

目前该方法只能用来估算电离层TID的传播速度以及确定核爆爆炸点位置,对核爆的其他参量尚不能进行估算。未来可以考虑尝试根据核爆历史数据,建立核爆当量/爆高与电离层TID强度之间的经验关系,如果它们之间存在某种定量关系,则可将其用于对核爆当量/爆高的估算之中。

4　结束语

利用GNSS信号进行遥感探测是GNSS应用的新领域,尤其是利用GNSS的双频测量特点,可以实现对电离层环境扰动的探测。

本文利用2016年1月6日朝鲜地下核试验期间部分IGS站点的观测数据对核爆爆心位置和电离层TID传播速度进行了估计,实现了利用GNSS数据对核爆触发的电离层扰动事件进行探测以及计算核爆参数的目的。

考虑到电离层对核爆探测的有效性,未来可以考虑将电离层探测手段纳入到核爆探测体系中。

[1]毛用泽. 卫星(天基)核爆探测技术进展[J]. 世界科技研究与发展,1998. 20 (6): 50-66.

[2]DAVIES K. 1990. Ionospheric radio, ionospheric radio [M]. IEEE wave series 31. London UK: Peter Peregrinus Ltd. ISBN 0-86341-186-X.

[3]KANELLAKOS D P. 1967. Response of the ionosphere to the passage of acoustic-gravity waves generated by low-altitude nuclear explosions [J]. J. Geophys. Res., 72, 4559-4576.

[4]焦培南. 利用高频返回散射技术探测远地核爆炸电离层效应[J]. 地球物理学报,1986, 29 (5): 425-431.

[5]LIU J Y, LIN C H, TSAI H F,etal. Ionospheric solar flare effects monitored by the ground-based GPS receivers: Theory and observation [J]. J. Geophys. Res., 2004,109, A01307. doi: 10.1029/2003JA009931.

[6]LIU J Y, TSAI H F, LIN C H,etal.Coseismic ionospheric disturbances triggered by the Chi-Chi earthquake [J]. J. Geophys. Res., 2010,115, A08303. doi: 10.1029/2009JA014943.

[7]LIU J Y, CHEN C H, CLIN C H. Ionospheric disturbances triggered by the 11 March 2011 M9.0 Tohoku earthquake [J]. J. Geophys. Res., 2011,116, A06319. doi: 10.1029/2011JA016761.