CSES/FY3C掩星与数字测高仪探测电离层特征参数比较分析

胡嘉宇，甘呈坤，辜声峰,2

CSES/FY3C掩星与数字测高仪探测电离层特征参数比较分析

胡嘉宇1，甘呈坤1，辜声峰1,2

（1. 武汉大学 卫星导航定位技术研究中心，武汉 430079；2. 湖北省珞珈实验室，武汉 430079）

为了进一步提高当前风云三号系列卫星（FY3C）以及张衡一号电磁监测试验卫星（CSES）等具备北斗卫星导航系统（BDS）及全球定位系统（GPS）无线电掩星（RO）观测能力的低轨卫星所得电离层峰值参数的反演精度，提出一种以数字测高仪探测数据为参考，采用多种时空匹配窗口对掩星反演结果进行电离层特征参数验证分析的方法：实验结合2018-7-20—2018-8-20共计20551次掩星事件，及6094个数字测高仪观测电子密度廓线数据，从峰值密度、峰值高度及临界频率等多方面对FY3C与CSES卫星掩星观测进行对比分析；同时为避免由于不同观测数据时空不一致引入的差异，分析不同时空匹配窗口对掩星与数字测高仪观测结果比对的影响。结果表明：低轨卫星掩星所得峰值参数与数字测高仪观测资料在不同匹配准则下的比较结果存在差异；当空间（时间）窗口不变时，随着时间（空间）窗口增大，无论是低轨卫星掩星同数字测高仪探测数据的比较，还是低轨卫星自身之间的比较，其电离层峰值参数数据匹配的相关性（一致性）都将下降，进而导致相关系数与拟合精度的减小；在相同的时空匹配窗口中，CSES与FY3C掩星反演出的电离层峰值密度相关性较强，而电离层峰值高度相关性较弱；CSES卫星更适合于低纬地区低高度与中高纬地区低中高度的电离层掩星探测，而FY3C卫星则适合于低纬地区中高高度与中高纬地区高于CSES卫星轨道高度的电离层掩星探测。

无线电掩星；风云三号（FY-3）；张衡一号（Zhang Heng-1）电磁监测试验卫星（CSES）；数字测高仪；电子密度廓线

0 引言

电离层是近地高空大气层的重要组成部分。随着世界各国对于地外空间探测活动的日益频繁，以及卫星通信导航遥感的应用普及，人类对电离层结构特征及其时空变化规律的监测反演需求日益增强，同时电离层监测反演对于理解其各层结构的形成机制也具有重要的科学意义。

电离层探测是获取电离层基本信息和结构特征的重要手段，其中数字测高仪是将观测设备安装在地基台站上定点观测，可获得峰值高度以下的电子密度剖面。目前全球一共有100多个数字测高仪站点，为人们了解和认识电离层基本规律提供了丰富的观测信息。不同学者对数字测高仪数据使用了不同的分析方法：文献[1]使用了目前空间数值天气预报领域常用的同化数据技术来对电离层进行分析，从而逐步形成了一个较为完善、协调的高层大气电离层区域分析场；文献[2]通过对查普曼-科莫高洛夫方程（Chapman Kolmogorov equation）外推电离层顶部电子密度的方法进行重构，得到一种基于经验正交函数（empirical orthogonal function，EOF）来推算电离层顶部电子密度廓线的方法。得益于东半球空间环境地基综合监测子午链（子午工程）的建设，目前我国境内正常工作的数字测高仪站台共计30个，然而其观测时空分辨率仍难以满足电离层中不均匀体等小尺度结构监测需求。

随着全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）的建立和逐渐完善，自全球定位系统气象学（global positioning system meteorology，GPS/MET）项目论证了利用GNSS掩星技术探测电离层的可行性后[3]，基于GNSS的电离层掩星探测得到了国内外学者广泛关注。其中典型的如美国同中国台湾省合作发射的气象、电离层和气候的星座观测（constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate，COSMIC）卫星计划，其日均可以探测2400余个大气密度廓线与3500余个电离层掩星事件，在一定程度上可用于弥补常规观测方法在荒漠地区、海洋中心、地球两极的不足[4]。文献[5]将COSMIC反演的电子密度剖面（electron density profile，EDP）应用于热层-电离层耦合模型，有效提高了电离层F2层的峰值密度（F2-layer peak electron density，NmF2）、峰值高度（F2-layer height of the peak electron density，HmF2）及临界频率（F2 layer critical frequency，f0F2）等相关特征参数精度。此外，世界各国也相继建立了德国亥姆霍兹波茨坦中心、德国地学中心的信息系统与数据中心、美国喷气推进实验室和美国大学大气研究联盟的COSMIC等掩星数据分析处理系统中心。

我国十分重视GNSS电离层掩星探测，风云3C（FY-3 series satellites，FY3C）是我国风云三号系列卫星的5颗气象卫星之一，搭载了GNSS掩星探测器（GNSS occultation sounder，GNOS）。2014年下半年，FY3C开始提供掩星反演产品，平均每天可提供约200个掩星事件的观测资料[6]。在风云三号系列卫星电离层电子密度产品评估方面，有学者进行了C星GNOS与全球定位系统（global positioning system，GPS）电子密度的误差评估，证实了C星GNOS电子密度反演的可靠性[7]。在电离层掩星产品的研究与应用方面，文献[8]利用C星电子密度数据开展了对2015年圣帕特里克节地磁暴事件的研究，并指出NmF2参数对事件级磁暴的良好响应能力。

张衡一号电磁监测试验卫星（Zhang Heng-1 China seismo-electromagnetic satellite，CSES）是我国地球物理场探测卫星计划的首发星，于2018年2月2日成功发射。对CSES在轨测试期间数据分析表明，其GRO掩星电离层反演结果合理、趋势正确，每天能够探测600个左右的掩星事件，将张衡一号掩星接收机3个月的数据与数字测高仪数据进行对比，结果表明，NmF2和HmF2的全球分布相似，且随着纬度的变化，属于F2及以上层的峰值密度在某特定平面方向上相差不大，并有明显的赤道异常[9]。

显然，地基数字测高仪和星基掩星观测融合数据处理与交叉验证是提高电离层特征参数反演精度与可靠性的有效手段。然而，由于掩星事件的时空分布的动态性，同时数字测高仪只能获取测站天顶电离层数据，因此在比较2种电离层探测技术获取的观测结果时，必须对所用数据进行时间和空间上的匹配，以得到更为科学准确的比较结果。在目前已有的研究中，文献[10]比较了2006年7月COSMIC 掩星任务和31个全球分布的垂测站探测的电离层峰值密度NmF2，基于经纬度偏差小于2°的匹配准则，得到二者相关系数为0.85。文献[11]选用了（30 min，600 km，600 km）作为时间、纬度、经度时空匹配窗口，比较了2006年7月至2007年12月期间COSMIC掩星数据和垂测仪探测资料分别获取的电离层峰值密度，发现二者相对误差的中误差保持在20%以下。文献[12]基于2006年7月—2007年2月期间的COSMIC掩星数据和60个全球分布的垂测站观测资料，在（30 min，1°，1°）的时空匹配窗口下发现基于COSMIC掩星数据反演的峰值密度NmF2普遍存在低估，而峰值高度HmF2普遍存在高估。文献[13]在分析2006～2008年共计3 a的COSMIC掩星数据和Paulista站（22.7° N，45.0° W）和Fortaleza 站（3.8° S，38.0° W）2个垂测仪站的观测资料时，采用（7.5 min，2.5°，2.5°）作为时空匹配窗口。

综上所述，当前基于不同时空匹配窗口的CSES和FY3C掩星事件对比分析尚未系统深入展开。为此，本文围绕CSES、FY3C掩星任务电离层产品及数字测高仪观测资料的质量评估及相关性分析等方面开展实验与研究，旨在更加科学地解释各项比较结果。

1 基本原理

下面分别对数字测高仪与掩星电离层探测基本原理进行介绍。

1.1 数字测高仪探测原理

数字测高仪又名垂测仪，实质上是一台短波脉冲雷达，通常由发射机、接收机、天线、频率合成器、显示记录器、程序控制器等组成。测高仪从地面垂直向上发射脉冲调制的高频无线电波，并在同一地点接收它的反射信号，测量出频率连续改变的电波往返传播的时间（时延），从而获得电离层相关参数[14]。

在这种被动接收探测方法中，所采集的信号是来自空间中直接或经过电离层传播而到达的各种频率的空间信号，为了找到各个频率点信号能量的累积效应，从而得到临界频率与信号能量的相关关系，在这里引入干扰重心频率的概念，即

1.2 电离层掩星反演原理

基于无线电波直线传播假设，可利用总电子含量（total electron contant，TEC）数据反演电子密度。通常通过双频载波相位组合，得到相对TEC；利用非掩星的辅助TEC观测数据，消除低轨卫星（low Earth orbit，LEO）轨道高度以上的电离层影响，得到校正TEC；在电子密度局部球对称假设和信号直线传播的假设条件下，通过阿贝尔积分（Abelian integral）变换可以得到电子密度垂直廓线[17]。

掩星几何关系示意图如图1所示。

图1 掩星几何关系

通过积分变换可得

2 实验与结果分析

下面分别收集FY3C、CSES掩星观测数据，以及子午工程数据中心数字测高仪数据，采用不同时空匹配窗口对电离层特征参数反演结果进行统计分析。

2.1 实验说明

本文实验时段为2018年7月20日至2018年8月20日，针对共计20551次掩星事件，及6094个数字测高仪观测电子密度廓线数据进行分析。其中FY3C掩星数据为国家卫星气象中心的风云卫星遥感数据中心提供的GNOS电子密度廓线产品；CSES相关数据为中国地震局卫星地震应用中心提供的GNSS掩星接收机1级产品与接收机无关的交换格式数据（receiver independent exchange format，RINEX），并结合武汉大学国际卫星导航服务组织（International GNSS Service，IGS）数据中心（http://www.igs.gnsswhu.cn/）BDS和GPS卫星轨道数据，反演计算得到对应时段的电离层掩星电子密度剖面；数字测高仪数据由国家空间科学数据中心下属子午工程数据中心提供，观测数据的时间分辨率为15 min。数字测高仪台站分布如表1所示，分别位于低纬和中高纬度地区。

表1 数字测高仪台站基本信息

本文服务端相位偏差、低轨卫星掩星电离层参数解算及对比等都基于武汉大学FUSING软件平台展开，目前FUSING已经能实现多系统实时滤波定轨、精密卫星钟差、电离层与对流层建模、大气延迟建模与检测以及多源协同精密定位等功能。

由于观测噪声和反演过程中局部球对称假设带来的影响，反演所得的电子密度廓线可能存在粗差，因此在比较掩星数据和数字测高仪观测资料前，有必要对反演得到的掩星数据的质量进行检核，本文按照如表2中所列的质量控制参数（quality control parameters，QCPS）进行检核。

表2 掩星数据质量控制标准

2.2 结果分析

在本节中，为了分析不同卫星及数字测高仪对于电离层峰值参数探测结果的准确性及相关关系，本文通过使用多个特定的时空匹配窗口，结合控制变量法来对CSES与FY3C卫星掩星所得到的探测结果同数字测高仪探测结果进行对比分析。

图2 武汉左岭镇站观测数据与CSES反演电离层峰值密度与临界频率参数相关性分析

图3 漠河站观测资料与CSES反演电离层参数峰值密度与临界频率参数相关性分析

而后将图2与图3的所有结果进行综合分析，在所有的时空窗口匹配中，低轨卫星掩星与数字测高仪探测二者所获取的电离层峰值参数之间存在一定的相关性且为正相关，说明二者对于电离层的探测具有一致性；此外，对于多种时空窗口比较而言，当空间（时间）窗口不变时，随着时间（空间）窗口的增大，无论是在武汉站还是漠河站，2颗低轨卫星掩星所得的结果同数字测高仪探测结果进行比较，其电离层峰值参数数据匹配的相关性（一致性）都将下降，进而导致相关系数与拟合精度的减小。

而后综合图4可以发现，通过对FY3C与CSES这2个低轨卫星掩星反演所得的电离层F2层峰值参数进行比较分析，CSES与FY3C掩星反演出的电离层峰值密度相关性较强，而电离层峰值高度相关性较弱。

为了进一步分析CSES卫星与FY3C卫星掩星反演所得的电离层峰值参数在不同地理纬度处的准确程度，本文经数据筛选后，通过对2018年7月20日—8月20日的数据进行分割与处理，形成了7月20日—31日、8月1日—10日、8月11日—20日共3组数据，这3组数据是通过将CSES卫星掩星、FY3C卫星掩星、数字测高仪探测在这3个时间段内所得的电离层峰值参数进行平均与数据匹配而得。而后利用CSES与FY3C的掩星反演事件同武汉站与漠河站数字测高仪探测数据进行比较分析。如图5所示，分别以武汉左岭镇站和黑龙江漠河站数字测高仪观测计算得到电子密度廓线垂直剖面为参考，展示不同时间段内CSES与FY3C掩星事件所反演出的电离层电子密度廓线垂直剖面，从而更加直观地对2颗卫星掩星所得数据及数字测高仪探测数据进行对比。

图5 不同探测方法电子密度廓线垂直剖面对比结果

而后针对由CSES与FY3C掩星事件反演得到的电离层电子密度廓线、武汉左岭镇站和黑龙江漠河站数字测高仪观测所得的电子密度廓线进行相关性分析，如表3所示给出了不同时间段、不同高度范围内CSES卫星与FY3C卫星掩星反演所得结果同2个数字测高仪台站探测所得结果之间的平均绝对误差。

表3 不同探测方法所得电子密度廓线数据对比结果

结合图5及表3可以看出，当数字测高仪台站选择武汉站时，在垂直高度低于300 km处，由CSES反演所得的电子密度廓线相较于FY3C反演所得的电子密度廓线而言，与数字测高仪探测所得的电子密度廓线偏差普遍更小，相关性更强；而当垂直高度介于300～600 km之间时，由FY3C反演所得的电子密度廓线相较于CSES反演所得的电子密度廓线而言，与数字测高仪探测所得的电子密度廓线偏差普遍更小，相关性更强。而选择漠河站作为参考的数字测高仪台站时，在垂直高度低于600 km时，由CSES反演所得的电子密度廓线相较于FY3C反演所得的电子密度廓线而言，与数字测高仪探测所得的电子密度廓线偏差普遍更小，相关性更强；当垂直高度超过一定高度后，三者所探测得到的电子密度都趋近于0，符合电离层电子密度垂直剖面分布规律。

此外，考虑到CSES卫星的轨道高度为500 km，FY3C卫星的轨道高度为836 km，而通过低轨卫星掩星反演难以得到高于其轨道高度的电离层峰值参数，故结合实验结果推测，在低纬度地区CSES卫星更适合于低高度电离层掩星探测，FY3C卫星则适合于中高高度电离层掩星探测；而在中高纬度地区CSES卫星则更适合低中高度的电离层掩星探测，FY3C卫星则适合用于高于CSES卫星轨道高度的电离层掩星探测。

3 结束语

本文基于CSES和FY3C掩星反演数据和2个位于不同纬度区域的数字测高仪台站观测资料，讨论了多种控制变量时空范围的匹配准则对2种探测技术及2颗卫星掩星所获取的电离层峰值参数比较结果的影响特征，主要结论如下：

1）CSES卫星与FY3C卫星掩星反演所得峰值参数与数字测高仪观测资料在不同的匹配准则下的比较结果存在差异；而CSES和FY3C掩星反演的峰值密度m同峰值高度m之间的相关性具有较大差异，CSES与FY3C掩星反演出的电离层峰值密度相关性较强，而电离层峰值高度相关性较弱。

2）结合2种低轨卫星的轨道高度与实验结果，在低纬度地区CSES卫星更适合于低高度电离层掩星探测，FY3C卫星则适合于中高高度电离层掩星探测；而在中高纬度地区CSES卫星则更适合低中高度的电离层掩星探测，FY3C卫星则适合用于高于CSES卫星轨道高度的电离层掩星探测。

3）在所有的时空窗口匹配中，CSES掩星、FY3C掩星、数字测高仪探测三者所获取的电离层峰值参数之间都存在一定的相关性且为正相关，说明三者对于电离层的探测具有一致性；然而对于多种时空窗口比较而言，当空间（时间）窗口不变时，随着时间（空间）窗口的增大，无论是低轨卫星掩星同数字测高仪探测数据的比较，还是CSES卫星与FY3C卫星自身之间的比较，其电离层峰值参数数据匹配的相关性（一致性）都将下降，进而导致相关系数与拟合精度的减小。

虽然本文在进行时空匹配前已经进行了粗差剔除，但仍有部分点与拟合的线性回归直线偏差较大，结合数字测高仪探测与低轨卫星掩星反演的原理推测，可能是由于太阳活动、磁暴等自然现象而导致电离层峰值参数匹配误差较大，还有待进一步研究。

[1] 林兆祥, 张雨田, 吴祺, 等. 利用单站电离层测高仪与GPS数据的同化反演试验[J]. 中南民族大学学报(自然科学版)，2014, 33(2): 85-88.

[2] 王林, 万卫星, 乐新安, 等. 应用经验正交函数估算顶部电离层电子密度剖面[J]. 地球物理学报, 2019, 62(5): 1582-1590.

[3] WARE R, EXNER M, FENG D, et al. GPS sounding of the atmosphere from low Earth orbit: Preliminary results[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 1996, 77(1): 19-40.

[4] YUE X A, GUO Y H, ZENG Z, et al. GNSS radio occultation technique for near-Earth space environment detection[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2016, 59(4): 1161-1188.

[5] LEE I T, MATSUO T, RICHMOND A D, et al. Assimilation of FORMOSAT-3/COSMIC electron density profiles into a coupled thermosphere/ionosphere model using ensemble Kalman filtering[J]. Journal of Geophysical Research, 2012, 117(A10).

[6] 李文文, 李敏, 赵齐乐, 等. FY3C卫星星载BDS与GPS数据质量分析与融合定轨[J]. 测绘学报, 2018, 47(S1): 9-17.

[7] 杨晶晶, 黄江, 徐杰, 等. 基于FY3C掩星数据偶发E层的研究[J]. 空间科学学报, 2016, 36(3): 305-311.

[8] BAI W, SUN Y, XIA J, et al. Validation results of maximum S4 index in F-layer derived from GNOS on FY3C satellite[J]. GPS Solutions, 2019, 23(1): 1-14.

[9] GAN C, HU J, LUO X, et al. Sounding of sporadic E layers from CSES radio occultation and comparing with ionosonde measurements[J]. Annales Geophysicae Discussions, 2022(40): 463-474.

[10] LEI J, SYNDERGAARD S, BURNS A G, et al. Comparison of COSMIC ionospheric measurements with ground-based observations and model predictions: Preliminary results[J]. Journal of Geophysical Research, 2007, 112(A7): 211-231.

[11] WU X, HU X, GONG X, et al. Analysis of inversion errors of ionospheric radio occultation[J]. GPS Solutions, 2009, 13(3): 231-239.

[12] CHU Y H, SU C L, KO H T. A global survey of COSMIC ionospheric peak electron density and its height: A comparison with ground-based ionosonde measurements[J]. Advances in Space Research, 2010, 46(4): 431-439.

[13] ELY C V, BATISTA I S, ABDU M A. Radio occultation electron density profiles from the FORMOSAT-3/COSMIC satellites over the Brazilian region: A comparison with Digisonde data[J]. Advances in Space Research, 2012, 49(11): 1553-1562.

[14] 朱正平, 宁百齐, 孙奉娄, 等. 电离层数字测高仪被动接收观测模式研究[J]. 空间科学学报, 2009 (4): 389-396.

[15] MCNAMARA L F, THOMPSON D C. Validation of COSMIC values of f0F2 and M(3000) F2 using ground-based ionosondes[J]. Advances in Space Research, 2015, 55(1): 163-169.

[16] ARRAS C, WICKERT J. Estimation of ionospheric sporadic E intensities from GPS radio occultation measurements[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2018, 171: 60-63.

[17] 罗佳, 王涵, 徐晓华. 2014—2016年FY-3C与COSMIC掩星电离层特征参数的比较[J]. 国防科技大学学报, 2018, 40(4): 181-186.

[18] 林剑, 吴云, 刘经南. 电离层GPS掩星反演技术研究[J]. 地球物理学报, 2009, 52(8): 1947-1953.

[19] LUO J, WANG H, XU X, et al. The influence of the spatial and temporal collocation windows on the comparisons of the ionospheric characteristic parameters derived from COSMIC radio occultation and digisondes[J]. Advances in Space Research, 2019, 63(10): 3088-3101.

[20] NAGELKERKE N J D. A note on a general definition of the coefficient of determination[J]. Biometrika, 1991, 78(3): 691-692.

Comparative analysis of ionospheric characteristic parameters detected by CSES/FY3C occultation and ionosonde

HU Jiayu1, GAN Chengkun1, GU Shengfeng1,2

（1. GNSS Research Center, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 2. Hubei Luojia Laboratory, Wuhan 430079, China）

In order to further improve the retrieval accuracy of ionospheric peak parameters obtained by low-orbit satellites with the observation capability of Beidou navigation satellite system (BDS) and global positioning system (GPS) radio occultation (RO), such as current FY-3 series satellites (FY3C) and Zhang Heng-1 China seismo-electromagnetic satellite (CSES), the paper proposed a method of verifying and analyzing the ionospheric characteristic parameters of the occultation inversion results by using the ionosonde observation electron density profile data as a reference with multiple time-space matching windows: through the experiment, 20551 occultation events of BDS and GPS occultation receivers of FY3C and CSES satellites, and 6094 ionosonde observation electron density profile data from the ionosonde observation during July 20, 2018 to August 20, 2018 were combined, and a comparative analysis of the occultation observations of FY3C and CSES satellites was carried out in terms of peak density, peak height, critical frequency and so on; moreover, in order to avoid the time-space inconsistency between different data of occultation events and the ionosonde observation, the impact of different time-space matching windows on the comparison of occultation and ionosonde observation was analyzed. Results showed that there would be differences between the peak parameters obtained from the occultation of low-orbit satellites and the observation data of the ionosonde under different matching criteria; and when the spatial (time) window is unchanged, the correlation (consistency) of ionospheric peak parameter data matching would decrease with the increase of the temporal (space) window, whether comparing the LEO satellite occultation with the ionosonde detection data or comparing the CSES satellite with the FY3C satellite, which could lead to the decrease of the correlation coefficient and fitting accuracy; meanwhile, in the same spatial and temporal matching window, the correlation between the peak ionospheric density of CSES and FY3C occultation inverse performance would be stronger, while the correlation between the peak ionospheric heights would be weaker; in general, CSES satellites could be more suitable for ionospheric occultation detection at low altitudes in low latitudes and low to medium altitudes in mid to high latitudes, while FY3C satellites could be suitable for ionospheric occultation detection at mid to high altitudes in low latitudes and above the orbital altitude of CSES satellites in mid to high latitudes

radio occultation; FY-3 series satellites (FY3C); Zhang Heng-1 China seismo-electromagnetic satellite (CSES); ionosonde; electron density profile

胡嘉宇, 甘呈坤, 辜声峰. CSES/FY3C掩星与数字测高仪探测电离层特征参数比较分析[J]. 导航定位学报, 2023, 11(4): 120-129.（HU Jiayu, GAN Chengkun, GU Shengfeng. Comparative analysis of ionospheric characteristic parameters detected by CSES/FY3C occultation and ionosonde[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(4): 120-129.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230417.

P228

A

2095-4999(2023)04-0120-10

2022-07-07

胡嘉宇（2001—），男，山西长治人，硕士研究生，研究方向为高精度GNSS数据处理与分析。

辜声峰（1986—），男，湖北武汉人，教授，研究方向为高精度GNSS数据处理、电离层延迟建模与多源融合导航。