极区电离层GPS信号闪烁特征统计分析

马保科, 常红芳, 孙 琳, 郭欣兴

(1. 西安工程大学 理学院， 陕西 西安 710048; 2. 西安电子科技大学 物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071)

极区电离层GPS信号闪烁特征统计分析

马保科1,2, 常红芳1, 孙 琳1, 郭欣兴1

(1. 西安工程大学 理学院， 陕西 西安 710048; 2. 西安电子科技大学 物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071)

对意大利高纬电离层闪烁监测网2004年全年的电离层闪烁数据进行分析，通过计算GPS 信号振幅和相位闪烁在给定强度变化范围内的发生率，研究太阳活动低年GPS 信号L1频标电离层振幅、相位闪烁的发生率及其时空分布随电离层总电子含量、不同季节的气候学变化特征。结果表明:在高纬地区，电离层相位闪烁比振幅闪烁更容易发生；在极盖区，相位闪烁的季节性特征较为明显；不同的电离层总电子含量变化率可导致产生不同类型的电离层闪烁。

电离层闪烁；全球定位系统；统计特性

电离层及其电子密度不均匀体的存在，使得穿越于其中的无线电波的幅度、相位、到达角以及极化状态等发生快速起伏，即为电离层闪烁。电离层闪烁主要集中于磁赤道和高纬地区[1-2]，高纬地区的电离层闪烁，其并发的物理机制异常复杂，如来自太阳的极紫外辐射电离、X射线辐射、太阳耀斑以及日冕物质抛射的高速带电粒子和太阳风等，致使整个高纬、极盖及极隙区的电离层电子密度结构发生变化，产生一系列复杂的时空分布的电子密度不均匀体，进而形成高纬地区的电离层闪烁[2-3]。

全球定位系统(Global Positioning System, GPS)的出现为电离层闪烁研究提供了新途径。利用GPS卫星监测台网，能够监测局域或全球范围内的电离层闪烁及电离层电子浓度总量(Total Electron Content， TEC)的变化。

文[4]利用在澳大利亚以北至东南亚地区建立的GPS电离层闪烁监测网，对该区域的电离层闪烁进行了分析。文[5]将GPS电离层闪烁的观测结果同电离层闪烁宽带模型(Wide Band Model, WBMOD)进行了对比，文[6]总结了多年的观测结果，分析了太阳活动对电离层闪烁的影响。文[7-8]利用海南站的电离层闪烁数据，分析了太阳活动高到低年，扩展F和电离层闪烁的关系。文[9]利用海南站的电离层数据分析了太阳活动低年，电离层GPS信号的闪烁特征和谱特征。

受地理位置以及数据获取途径的制约，高纬电离层闪烁的研究在我国相对甚少，而高纬电离层闪烁的研究，是对电离层闪烁全球形态及其并发物理机制研究的有力补充，具有重要意义。

本文对意大利电离层闪烁监测网(Istituto Nazionale di Geofisica e vulcanologia，INGV)[10]的电离层闪烁数据进行统计分析，以2004年为例，对比研究太阳活动低年，高纬电离层GPS信号闪烁的极区特征。

1 电离层闪烁数据获取

位于挪威Svalbard群岛的电离层观测站与我国南极中山站(69.37°S,76.38°E)在磁正午附近分别位于南北半球的极隙区，在夜侧则分别位于南北半球的极盖区，这样的地理位置分布为共轭观测高纬电离层闪烁提供了绝佳的条件。INGV的4个电离层闪烁监测阵列中[10]，Nya0和Nya1分别位于挪威Svalbard的NyAlesund(78.9°N,11.9°E)，Lyb0位于Svalbard的Longyearbyen(78.2°N,16.0°E)，而另一个观测阵列Btn0则位于南极洲的Mario Zucchelli观测站(74.7°S,164.1°E)。Nya0、Nya1和Lyb0三站的观测阵列通常可对亚极光、极光、极隙区和极盖区的电离层闪烁活动进行观测，而Btn0和我国中山站通常可观测极隙区及极盖区电离层活动。另外，INGV的监测设备为GSV4004双频GPS闪烁和TEC监测仪，该设备以50 Hz的速率采样GPS L1(1 575.42 MHz)信标的幅度和相位闪烁。

2 数据处理

为了避免人为因素引起的误差，将数据的间断段以及大的调变值作丢弃处理，且选用前后涨落相差不是太大的数据段。为了减少斜入射、多径效应及低仰角效应对统计结果的影响，选取GPS卫星仰角大于25°的数据。定义闪烁事件的发生率为一段时间内接收到振幅、相位闪烁满足某强度要求的闪烁发生个数与该时间段内接收到闪烁总发生个数的比率。将振幅闪烁划分为3个等级,即0.20.6为强闪烁。将相位闪烁划分为3个等级,即0.1 rad<σφ≤0.5 rad为弱闪烁, 0.5 rad<σφ≤1 rad为中等闪烁, σφ>1 rad为强闪烁。

振幅闪烁S4定义为减去系统噪声每分钟信号强度的归一化标准差[3-8]，即

(1)

其中〈〉表示一定时间间隔内的均值，I′为信号强度I经过滤波和消趋势后的值，C/N0为系统输出的信噪比，一般取均值。

相位闪烁σφ定义为消趋后信号载波相位的标准偏差，不妨使用滤波器函数对原始相位数据进行消趋处理。

INGV还可提供15 s、30 s、45 s和60 s四种不同间隔的总电子含量TEC或相对TEC值ETEC。为便于分析，将斜路径数据投影到了垂直路径上，即

(2)

(3)

ETEC，Vert=ETEC,Slantsinαelev,

(4)

其中倾斜因子

(5)

Re为地球半径，HIPP代表电离层穿刺点高度，αelev为卫星仰角。式(2)中的指数a依赖于相位闪烁的谱指数p，对于各向异性电离层，根据谱指数的变化，a通常可取0.9。式(3)中的指数b一般取为0.5[11]。

3 统计分析

(1) 太阳低年北极GPS信号电离层闪烁随月份的变化。

2004年为太阳低年，太阳黑子数的月均值在20～50之间，太阳活动在2004年基本表现为平静。

2004年北极NyAlesund地区的Nya0和Nya1两个GPS电离层闪烁和TEC观测站观测到的GPS L1频标信号振幅、相位闪烁的统计结果如图1所示。由图1(a)可见，在对GPS 11、21和5号卫星连续一年的数据观测中，三颗卫星的L1频标在北极全年主要表现为弱闪烁，且春季振幅闪烁的发生率相对较小，同时，闪烁指数S4>0.4的中等强度闪烁主要集中在夏季和秋季。由图1(b)可见，相比于振幅闪烁，相位闪烁0.1 rad<σφ<0.5 rad在北极全年均表现为高发,相位闪烁σφ>0.5的中等闪烁主要发生在春季、夏季和秋季，其较高的发生率可能与这一时期电离层不均匀体的形成及其空间结构的分布有关。

(a) 振幅闪烁S4的发生率随月份的变化

(b) 相位闪烁σφ的发生率随月份的变化

(2) 太阳低年北极GPS信号振幅、相位闪烁随地理经纬度的变化。

2004年北极GPS L1频标电离层闪烁的发生率在地理坐标下的分布如图2所示。从图2(a)可见，2004年，振幅闪烁S4的发生率具有明显的极区分布特征，北半球振幅闪烁的高发区在北纬70°以上。从图2(b)可见，北极GPS信号的相位闪烁更加频繁，在北纬70°以上，相位闪烁σφ极为频繁，且受观测站点位置的限制，北半球的相位闪烁发生率在地理坐标下则呈三角状分布。

(a) 北极振幅闪烁 S4

(b) 北极相位闪烁 σφ

(3) 太阳低年北极GPS 信号相位闪烁的季节性变化。

北极相位闪烁在冬季和夏季的分布变化如图3所示。在北极的冬季和夏季，北纬70°以上，相位闪烁的发生率很高，地理位置从西经20°一直持续到东经53°左右。相位闪烁与该区域总电子含量的变化率(Rate Of TEC, ROT)密切相关，北极冬季相位闪烁的高发率说明，冬季这一区域电子密度的涨落很大，理论上可以存在各种尺度的电子密度不均匀体，而高的电子浓度变化率及其均方根是导致GPS L波段相位闪烁的主要原因。这与采用无线电层析成像技术得到的结论一致[12-13]。

(a) 北极冬季相位闪烁σφ

(b) 北极夏季相位闪烁 σφ

(4) 太阳低年北极电离层电子浓度总量变化率的分布。

为进一步说明电离层闪烁与电离层电子密度不均匀体及其空间分布之间的联系，图4给出了北极总电子含量TEC变化率(ROT)的空间分布。由图4(a)可见，北半球总电子浓度变化率的分布不管在量值上，还是地理位置上均较大。北半球总电子浓度变化率较大的区域呈径向分布，北纬60°左右，总电子浓度变化率最大，这也预示着，由于在该区域各种并发物理机制的出现，如高纬槽，以及高密度的太阳辐射电离，等离子体向着或背离极盖区输运，从而使得该区域电离层总电子浓度变化率快速起伏，导致GPS信号振幅和相位发生闪烁。由图4(b)可见，在冬季，北半球总电子浓度变化率的最大值主要分布在北纬57°以上，且北纬60°左右电子浓度总量的变化率很大。由图4(c)可见，而到了夏季，北半球总电子浓度变化率的最大值主要分布在北纬75°左右以及东经25°～50°的一个呈径向分布的带上。

夏季出现的E层电导，使得增强的横过磁场传播的离子产生的电场发生短路，进而导致这一区域不均匀体强度减弱，从而使得闪烁的强度谱变得更加陡峭，谱指数增大[14]。电子浓度总量变化率的这种分布，也预示着该区域可能存在尺度上从几米到数十千米的电子密度不均匀体，正是因为它们空间上的这种分布，导致了穿越其中的GPS信号发生闪烁。

(a) 北极ROT的分布

(b) 北极冬季ROT的分布

(c) 北极夏季ROT的分布

4 结语

从太阳活动低年对高纬电离层闪烁特征的统计分析来看，在高纬地区，GPS L波段电离层闪烁的相位闪烁比振幅闪烁更容易发生。而就电离层闪烁发生的季节性特征来看，北极冬季和夏季，在北纬60°左右，相位闪烁与季节基本无关，在这一区域，电离层闪烁主要表现为相位闪烁。而在极盖区，相位闪烁的季节性特征比较明显，夏季，相位闪烁的发生率相对偏高。冬季，小尺度的电离层电子密度不均匀体在北极几乎不出现，到了夏季，在观测到振幅闪烁的地方，小尺度的电子密度不均匀体才趋于出现。统计结果表明，总电子含量变化率的不同，将可能导致产生不同类型的电离层闪烁。如在北纬60°以上，总电子含量的变化率很大，则在太阳活动低年，该区域主要表现为相位闪烁，振幅闪烁的发生率相对较小。

[1] 熊年禄,唐存琛,李行建.电离层物理概论[M]. 武汉：武汉大学出版社, 1999: 32-40.

[2] Li Guozhu, Ning Baiqi, Ren Zhipeng, et al.. Statistics of GPS ionospheric scintillation and irregularities over polar regions at solar minimum[J/OL].GPS Solution,2010,14:331-341. (2014-08-24) [2014-09-01]. http://www.polar.gov.cn/paperDetail/?id=7114.

[3] 刘钝,冯健,邓忠新,等. 电离层闪烁对GPS系统定位性能的影响研究[J]. 电波科学学报,2010,25(4):702-710.

[4] Thomas R M ,Cervera M A, Eftaxiadis K, et al.. A regional GPS receiver network for monitoring equatorial scintillation and total electron content [J]. Radio Science, 2001, 36(6):1545-1557.

[5] Cervera M A, Thomas R M . Groves K M, et al.. Validation of WBMOD in the southeast asian region [J]. Radio Science, 2001,36(6):1557-1572.

[6] Babayev E S. Influence of the solar and geomagnetic activity on trans-ionospheric radio waves scintillation[C]//Regional Meeting on Solar Physics Solar Researches in the South-Eastern European Countries. Bucharest: Proceedings of the Regional Meeting on Solar Physics, 2001: 29-34.

[7] 王霄,史建魁,肖佐.中国低纬(海南)电离层漂移特性[J].电波科学学报,2005,20(4):482-486.

[8] 尚社平,史建魁,郭善兼.海南地区电离层闪烁监测及初步统计分析[J].空间科学学报,2005,25(1):23-28.

[9] 甄卫民,龙其利,马健敏.磁赤道异常区电离层F区不均匀体发展过程中的闪烁谱研究[J].空间科学学报, 1995,15(2):143-147.

[10] Istituto Nazionale di Geofisica e vulcanologia-Rome. Electrinc space weather upper atmosphere[EB/OL].(2001-01-10) [2013-10-15] http://www.eswua.ingv.it/ingv/home.php?res=1024.

[11] Spogli L, Alfonsi L, Franceschi G De, et al.. Climatology of GPS ionospheric scintillation over high and mid latitude European region[J]. Annals of Geophysics, 2009,27(3):3429-3437.

[12] Pryse S, Kersley L, Malan D, et al.. Parameterization of the main ionospheric trough in the European sector[J]. Radio Science, 2006,41(5):1-9.

[13] Pryse S E, Dewis K L, Balthazor R L, et al.. The dayside high‐latitude trough under quiet geomagnetic conditions: Radio tomography and the CTIP model [J]. Annals of Geophysics, 2005, 23(4): 1199-1206.

[14] Kivanc O, Heelis R A. Structures in ionospheric number density and velocity associated with polar cap ionization patches [J]. Journal Geophys Research, 1997,102(A1): 307-318.

[责任编辑:瑞金]

Statistical analyses on characteristics of GPS signal scintillation in high latitude ionosphere

MA Baoke1,2, CHANG Hongfang1, SUN Lin1, GUO Xinxing1

(1. School of Science, XI’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China; 2. School of Physics and Optoelectronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

The ionospheric scintillation data which were obtained from the monitoring network of INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e vulcanologia) of Italy in 2004 are analysed in this paper. The change characteristics of spatial and temporal distribution of amplitude and phase scintillation of L1-band frequency of GPS with different variation of ionospheric total electron content (TEC), different seasons as well as other related space parameters at the low solar activity are compared by calculating the incidence of amplitude and phase scintillation of signals of Global Position System (GPS) within a given intensity range. Results show that the phase scintillation is more likely to take place than the amplitude scintillation at high-latitude, the seasonal change feature for the phase scintillation is more obviously in polar cap, and meanwhile different rate of change of the total electron content may lead to different types of ionospheric scintillation.

ionospheric scintillation, global position system (GPS), statistical characteristic

2014-10-15

陕西省自然科学基金资助项目(2013JM8011)；陕西省教育厅专项科研计划资助项目(2014JK1295)；西安工程大学博士科研启动基金资助项目(BS1418)；国家大学生创新创业基金资助项目(201310709007)

马保科(1972-)，男，博士，教授，从事复杂媒质中的电磁波传播与散射特性研究。E-mail: Baokema2006@126.com 常红芳(1977-)，女，硕士，讲师，从事电磁波的传播特性研究。E-mail: chfang1018@163.com

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.03.016

P352

A

2095-6533(2015)03-0092-05