电离层E/F层闪烁对GPS TEC变化率的影响

尹 萍，李清宇

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300）

电离层距地面高度约60～1 000 km，其内部含有大量的自由电子和离子，由于受到太阳辐射等各种物理因素影响，电离层存在明显的分层结构，自下而上依次分为 D、E、F 层，F 层又分为 F1、F2层[1]。电离层中电子密度分布并不均匀，导致穿越其中的无线电信号幅度和相位发生快速、随机起伏变化，称为电离层闪烁。电离层闪烁主要发生在低纬磁赤道区、高纬极区，并与地方时、季节、地磁及太阳活动等相关[2-4]，但追其根源，与电离层中存在各种尺度的电子密度不规则体密切相关，包括偶发E层、扩展F层等，其对无线电信号有强烈的影响，主要表现在电波信号的幅度和相位会发生快速强烈的扰动，造成信号时延、多径效应等[5]。因此，根据电离层闪烁对电波信号不同方面的影响，通常又将其分为幅度闪烁和相位闪烁，并分别用幅度闪烁指数（S4）和相位闪烁指数（σφ）表征其闪烁强弱程度。

基于GPS的电离层闪烁探测技术是监测电离层闪烁的重要手段，可分为地基GPS电离层闪烁探测技术和无线电掩星（RO,radio occultation）电离层闪烁探测技术。其中，前者应用已十分成熟，文献[6]提出利用双频GPS观测数据计算所得GPS TEC的变化率指数（ROTI，rate of change of TEC index）来研究电离层不规则结构的存在及闪烁强弱；文献[7]研究表明春秋分月的午夜前，赤道异常北峰区域发生强闪烁（S4＞0.5）时，TEC约降低20 TECU（指TEC突然减少，然后恢复到接近TEC值的水平，降低过程被认为是等离子体泡在GPS接收机和卫星视线上的漂移），ROTI＞2TECU/min，大约在午夜时，异常北峰区域边缘未发生闪烁，TEC降低小于10TECU，此时ROTI＜1TECU/min。因此，当无法直接获取S4指数时，可以通过利用ROTI来表征闪烁强度，但由于地基设备的局限性，ROTI能否表征电离层不同高度层的闪烁强度，这将是研究的核心问题。此外，气象、电离层和气候的星座观测系统（COSMIC，constellation observing system for meteorology，ionosphere and climate）作为GPS RO探测技术在监测电离层闪烁方面的一个典型应用，凭借其全球均匀覆盖、精度高、垂直分辨率高等优点很好地弥补了地基GPS探测技术受空间区域限制的缺陷[8]，逐步成为近年来电离层闪烁研究中的另一个重要手段，尤其在沿电离层高度方向的闪烁监测方面更是发挥着独一无二的作用。

虽然电离层闪烁与GPS ROTI的关联已有大量研究，但从不同电离层高度层（E/F层）所出现的闪烁角度出发，通过直接借助COSMIC观测的电离层闪烁数据，并结合中国香港地区的高速率GPS双频大地测量数据，研究其对GPS TEC变化率的不同影响。同时还探讨了全球电离层闪烁（GISM，global ionospheric scintillation model）模型[9]对电离层E/F层闪烁的预测能力。

1 数据与方法

1.1 GPS大地测量数据及其处理

中国香港是典型的低纬地区，是全球电离层闪烁的高发区域之一。2010年2月，香港特别行政区地政总署在香港启用了一个卫星定位参考站网，该参考网中共包含18个站点，几乎覆盖香港全区，如图1所示。研究采用的高速率GPS双频大地测量数据，取自其中的小冷水站（HKSL）、沙田站（HKST）以及黄石站（HKWS），如图1中▲所示。之所以选择这3个站，是由于其均在山顶处布设有同一型号的GPS接收机，相距10～15 km，且连续运行，并以 RINEX（receiver independent exchange）格式记录采样速率为1 s或5 s的GPS大地测量数据。

图1 香港卫星定位参考站网Fig.1 Satellite positioning reference station network in Hong Kong

根据S4指数大小，通常将闪烁划分为3个等级：S4≪0.3为弱闪烁或无闪烁；0.3＜S4≪0.6为中等强度闪烁；S4＞0.6为强闪烁。主要研究香港区域的强闪烁（S4＞0.6），在具体处理高速率GPS双频大地测量数据时还涉及到3个概念，分别是电离层薄壳模型、穿刺点以及GPS TEC。电离层薄壳模型指电离层中所有的自由电子都集中在300～400 km之间某一高度处的一个薄层（球面）上；穿刺点（IPP,ionospheric pierce point）指GPS接收机和卫星连线与薄壳模型的交点；GPS TEC为描述电离层物理特性的重要物理量，通过采用伪距观测法或载波相位观测法，可得到关于TEC的两个方程

其中：Pi（i=1，2）为从精密码中获得的伪距；ε为接收机和卫星硬件误差分量；n和λ分别为整周模糊度和载波波长；Li（i=1，2）则分别为两个频点信号的载波相位。

式（1）和式（2）分别利用伪距观测量和载波相位观测量计算得到TEC，区别在于前者由于受多径效应的影响，信噪比小，导致所得TEC的随机误差较大，而后者则精度相对较高[10]。此外，在预处理观测数据的过程中进行了周跳（即由信号失锁而导致整周计数的跳变或中断）探测，卫星在可见范围内，若未发生周跳，其整周模糊度恒定；若发生周跳，则采用伪码平滑载波相位的方法进行检测。另外，计算所得TEC为斜向TEC，应转换为穿刺点处的垂直TEC（VTEC，vertical TEC），计算公式为

其中：RE为地球半径；θ为卫星仰角；hmax为相对地面电离层最大垂直高度；IVTEC为IPP处VTEC的值；且TEC与VTEC的单位均为TECU，1 TECU=1016el/m2。

其中：ΔTEC为相对 TEC；Δt为1 s或 5 s的时间间隔；〈〉为某物理量的平均值；ROT、ROTI的单位均为TECU/min。

后续研究中所涉及的TEC均指IPP处的VTEC，且IPP高度设为300 km；另外，考虑到多径干扰和低仰角带来的其他效应，分析时只选取了仰角高于30°的观测数据。

1.2 COSMIC数据和处理方法

除了利用高速率GPS大地测量数据外，还采用了COSMIC数据存案与分析中心（CDAAC，cosmic data analysis and archive center）提供的掩星数据用于研究。所谓掩星，以GPS-LEO为例，LEO卫星上的GPS接收机能够接收GPS卫星发射的不同频点载波信号，但由于电离层和中性大气折射作用，电波路径会发生弯曲和延迟，即形成掩星观测，随着两者相对运动，将会完成一次完整的扫描过程，称为一次掩星事件。GPSLEO掩星观测如图2所示，图中A点为RO射线路径的切点；B点为切点在地面的投影；O为地球中心；r为地球中心到RO射线路径切点的距离。为实现研究目标，在定义香港区域电离层闪烁时，文献[11]中海口区域出现闪烁时限定切点处的地理经纬范围，将香港区域电离层E/F层发生强闪烁时，切点的地理经纬范围限于 16°～24°N，112°～120°E。

图2 GPS-LEO掩星观测示意图Fig.2 GPS-LEO occultation observation schematic diagram

CDAAC提供一种掩星一级产品scnLv1文件，该文件中不仅含有S4、L1频率的SNR，还包含GPS和LEO卫星轨道等数据信息。因此，选取2012—2016年中30个月的scnLv1文件数据用于分析，此数据段内不仅含有太阳活动相对较强的月份，也含有相对较弱的月份，且每天包含大约3 000个、总计约270万个掩星数据，为实现研究目的提供了足够的数据支持。

此外，利用掩星数据研究电离层E/F层在香港区域发生强闪烁时，首先提取scnLv1文件中GPS和LEO的卫星轨道位置坐标信息，计算出掩星事件发生时切点分别位于电离层E层和F层高度范围内时在地面投影的位置，其次筛选出落在香港区域且S4指数高于0.6的切点，最后分别画出切点处的S4在香港区域随时空变化的轨迹，从而完成进一步研究分析。

1.3 GISM模型

国际电信联盟无线电通信委员会ITU-R采用的GISM模型是一种气候/物理混合模型，其作为幅度和相位闪烁均可预测的通用模型，已被众多学者研究，具有良好的适用性。文献[12-13]研究表明，虽然GISM模型结果与实测结果相比存在一定偏差，但在一定程度上能体现出中国低纬地区电离层闪烁的主要特征，也证明该模型在中国低纬地区具有很好的适用性。因此，在相同时间内，结合GISM模型分别与COSMIC观测到的电离层E/F层幅度闪烁结果相比较，从而进一步探讨GISM模型对电离层E/F层在香港区域闪烁的预测能力。

（3）稀浆混合料摊铺：摊铺前应对路表进行放样划线，确保摊铺机沿路面标线行驶。根据施工路幅宽度，调整好摊铺机的摊铺槽宽度。摊铺车应控制好施工起点位置，并在摊铺车下方放置油毛毡，实现摊铺槽与路面紧贴[3]。打开各料门控制开关，将矿料、乳液、水、集料、纤维按实验室配合比进行配合。摊铺车行进过程中应保持混合料的摊铺量与输出量基本一致。

2 结果与分析

2.1 电离层E层闪烁影响

表1列出了30个月中COSMIC观测到电离层E层在香港区域出现强闪烁的全部情况。表中“开始时间”与“持续时间”为单个scnLv1文件记录的时间，“最大高度”则为S4取最大值时，切点距离地面的空间高度。表1显示COSMIC观测到电离层E层强闪烁共出现12天，每天满足条件的切点轨迹几乎只有1条，约占研究总量270万条切点轨迹的二十万分之一，出现概率极低，且E层全天均有可能出现闪烁，但主要发生在白天（当地时（LT）=世界时（UT）+8 h），最大高度在95～122 km范围内，平均高度为105 km。

为进一步研究E层闪烁对GPS TEC变化率的影响，分别以2012年8月7日和2016年4月13日为例进行详细分析，如图3所示。由于部分切点的完整轨迹持续时间长，横跨范围广，且不在研究的区域范围内，因此，在不影响研究效果的情况下，只选取落在定义的香港区域范围内的切点轨迹来表征COSMIC观测到的强闪烁。

表1 COSMIC观测到的香港E层强闪烁Tab.1 E-layer scintillation observed by COSMIC in Hong Kong

图3（a）给出了2012年8月7日COSMIC观测到的香港附近E层强闪烁及3个地面站观测到的GPS卫星IPP轨迹空间分布，图3（b）给出了同一天COSMIC观测的 S4指数随时空变化的结果；图 3（c）、图 3（d）则为2016年4月13日相应的观测结果。在图3（a）、图3（c）中，散点代表COSMIC观测到强闪烁时切点处S4指数的空间分布，色棒代表S4指数（0＜S4≤1），三角内的数字 1、2、3 分别代表 HKSL、HKST、HKWS 这 3个站；从西向东的依次为3个站在相同的0.5 h内观测到同一可见星的IPP轨迹；箭头方向表示轨迹运动方向；而在图 3（b）、图 3（d）中，实线、虚线则分别代表COSMIC观测的S4指数随时间和空间变化的趋势。

图 3（a）、图 3（c）显示，COSMIC 观测到的 E 层强闪烁（S4＞0.6）出现在整条切点轨迹的中部位置，此时，3个地面站观测到同一可见星的IPP轨迹也在其附近，且3条IPP轨迹几乎平行，相邻两条轨迹间相差0.1个经度左右，这可能与地面站的空间距离有关。图3（b）、图 3（d）给出了 COSMIC 观测的 S4 指数随时空变化的结果。其中，图3（b）显示2012年8月7日，电离层E层强闪烁出现在4.64～4.655 UT（12.64～12.655 LT），为当地白天，且S4取最大值时，切点高度约为95 km；图3（d）显示2016年4月13日，E层强闪烁出现在 15.18～15.205 UT（23.18～23.205 LT），为当地夜间，在15.197 UT左右时S4取到最大值，此时高度约为108 km。

表2给出了这两天COSMIC观测到强闪烁发生的0.5 h内，3个地面站观测到GPS可见星IPP处的ROTI最大值，从表中可清晰看到，所有可见星ROTI最大值均未超过0.02 TECU/min，由此表明COSMIC观测到电离层E层出现强闪烁时，3个地面站观测所得的GPS TEC并未随时间出现较大变化，因此GPS ROTI指数并不能体现E层的强闪烁现象。

图3 COSMIC观测的香港E层强闪烁及3个地面站观测的GPS卫星IPP轨迹空间分布、COSMIC观测的S4指数随时空变化结果Fig.3 E-layer strong scintillation observed by COSMIC over HongKong and IPP tracks of GPS satellites observed by three stations，temporal and spatial variations of S4 observed by COSMIC

表2 3个站观测到相同可见星IPP处ROTI最大值Tab.2 Max ROTI along IPP tracks of visible satellites observed at three stations

2.2 电离层F层闪烁影响

表3给出了30个月中COSMIC观测到电离层F层在香港附近出现强闪烁的全部情况，表中显示F层强闪烁主要出现在当地夜间，且最大高度在252～366 km范围内。

表3 COSMIC观测到香港F层强闪烁Tab.3 F-layer strong scintillations observed by COSMIC in Hong Kong

为进一步研究F层闪烁对GPS TEC变化率的影响，选择2013年3月11日和2016年9月9日作为典例进行详细分析，如图4所示。

图4（a）给出了2013年3月11日COSMIC观测到的香港附近F层强闪烁及地面站观测的GPS卫星IPP轨迹空间分布，图4（b）给出了同一天COSMIC观测的S4指数随时空变化的观测结果；图4（c）、图4（d）则为2016年9月9日相应的观测结果。图4（a）、图4（c）显示F层强闪烁出现在整条切点轨迹的尾部位置，且由东南向西北方向移动，此时，可见星的IPP轨迹也在其附近；图4（b）、图4（d）则分别给出了这两天COSMIC观测到闪烁发生时S4指数随时空的变化；图4（b）显示F 层强闪烁出现在 13.46～13.56 UT（21.46～21.56 LT），为当地夜间，S4在13.56 UT附近时达到最大值，此时切点高度为375 km；而图4（d）表明强闪烁出现在13.76～13.81 UT（21.76～21.81 LT），也为当地夜间，S4出现最大值时，切点高度为327 km。

图4 COSMIC观测的香港F层强闪烁及3个地面站观测的GPS卫星IPP轨迹空间分布，COSMIC观测的S4指数随时空变化结果Fig.4 F-layer strong scintillation observed by COSMIC over HongKongandIPPtracksofGPSsatellitesobservedbythreestations，temporal and spatial variations of S4 observed by COSMIC

图5（a）、图5（b）进一步给出了2013年3月11日3个站观测到PRN13卫星相对TEC（ΔTEC）以及ROTI随时间变化的结果，其中，ΔTEC通过式（4）计算得到；图5（c）、图5（d）则为 2016年 9月 9日 3个站观测到PRN25卫星相应的观测值。图5中，、、依次为3个站相应的观测值；粗体点画线则为各自COSMIC观测到强闪烁的时间。从图5（a）、图5（b）中不难看出，在COSMIC观测到强闪烁的0.5 h内，3个站观测所得PRN13卫星的ΔTEC、ROTI均出现了较大波动，但并未同步出现，究其原因可能与测站间的地理位置以及夜间不规则结构沿纬圈东向漂移有关[14-15]。图5（c）、图5（d）中掩星观测到强闪烁的时间为13.8 UT，而3个站观测所得PRN25卫星的ΔTEC、ROTI出现较大波动的时间早于13.8 UT，由此表明电离层闪烁可能在掩星观测到之前就已存在，而COSMIC S4数据则可作为验证闪烁出现的证据。此外，由于PRN13、PRN25卫星仰角在各自0.5 h内始终高于30°，故可排除多径干扰的影响。综上，GPS ROTI可相对表征电离层F层闪烁的强弱。

图5 3个地面站观测到的可见星相对TEC、ROTI随时间变化Fig.5 Relative TEC change and ROTI of visible GPS satellites at three stations over time

2.3 GISM模型预测

针对2.1、2.2节中所涉及的电离层E/F层发生强闪烁的情况，图6给出了距离COSMIC观测到强闪烁空间位置最接近的可见星GISM模型的S4预测值与实测值的对比结果。其中，图6（a）为2016年4月13日电离层 E 层结果；图 6（b）、图 6（c）则分别为 2013年3月11日与2016年9月9日电离层F层结果。注意，2012年8月7日COSMIC观测到E层强闪烁出现在当地白天，在运行GISM模型后发现S4预测结果均为0，并未在图6中显示。

图6 COSMIC观测到强闪烁发生的较短时间内GISM模型预测与实测数据的对比结果Fig.6 Comparison between predicted and observed data of GISM when strong scintillation observed by COSMIC within short time

图6 （a）给出了2016年4月13日COSMIC观测到E层夜间出现强闪烁时，PRN28卫星的S4预测值与实测值的对比结果，在15.195 UT（23.195 LT）时，其预测所得的 S4 值约为 0.61。同样，图 6（b）和图 6（c）则分别给出了2013年3月11日与2016年9月9日COSMIC观测到F层夜间出现强闪烁时，PRN11卫星和PRN25卫星预测所得S4值分别约为0.62和0.6。

经分析，COSMIC观测到香港地区电离层E/F层夜间发生强闪烁时，GISM模型也能实现预测，且距离COSMIC观测到强闪烁空间位置最接近的可见星的S4预测值≥0.6，但对于白天发生的闪烁模型预测S4结果均为0。进一步分析发现，GISM模型设计之初用于地面单点观测，且其对高度并不敏感，导致模型预测结果中对电离层E/F层闪烁并未区分。

3 结语

电离层闪烁是一种能够引起穿越其中的无线电信号幅度、相位和偏振方向发生快速随机起伏变化的现象，可出现在电离层E层及F层中，且E层闪烁出现的概率往往不少于F层[16]。但是，目前借助GPS观测值研究电离层闪烁时，并没有区分不同电离层高度层闪烁的影响，因此通过直接借助COSMIC观测所得电离层闪烁数据，并结合中国香港地区的高速率GPS双频大地测量数据，研究电离层E/F层闪烁对地面站GPS ROTI的不同影响。主要得到以下结论。

1）电离层E层全天均有可能出现闪烁，但主要发生在白天，而且GPS ROTI并未出现较大波动（ROTI≈0.02 TECU/min）。

2）电离层F层闪烁主要发生在当地夜间，COSMIC观测到300 km左右高度的F层强闪烁（S4＞0.6）时，地面站也观测到GPS TEC出现了较大的时间变化（ROTI≥2TECU/min），说明 GPS ROTI可以相对表征电离层F层闪烁的强弱。

3）GISM模型能够预测香港区域电离层夜间发生的强闪烁（预测值S4≥0.6），但对于白天闪烁，模型S4预测结果均为0，此外，GISM模型预测结果中也不能区分闪烁是发生在E层还是F层。

综上研究与分析，COSMIC能够观测到香港区域电离层E/F层发生的强闪烁，其中，E层全天均有可能发生闪烁，但主要发生在白天，而F层闪烁主要发生在夜间；GPS ROTI并不能表征电离层E层的闪烁强度，但在F层尤其在300 km左右高度发生的强闪烁，GPS ROTI则可以相对表征电离层F层闪烁的强弱；GISM模型能够预测香港地区电离层夜间发生的强闪烁，但对于白天闪烁，模型S4的预测结果均为0，此外，模型预测结果中对电离层E/F层闪烁并无区分。