GNSS/LEO无线电掩星电离层探测仿真研究

2016-01-15莫平华张风国

全球定位系统 2015年3期

关键词：电离层

莫平华,欧　明,张风国

(1.中国商飞上海飞机设计研究院大客项目部,上海 200232;

2.武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430079;3.中国电波传播研究所,山东青岛 266107)

GNSS/LEO无线电掩星电离层探测仿真研究

莫平华1,欧明2,3,张风国3

(1.中国商飞上海飞机设计研究院大客项目部,上海 200232;

2.武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430079;3.中国电波传播研究所,山东青岛 266107)

摘要：无线电掩星是实现全球电离层探测的重要手段之一。针对GNSS/LEO掩星探测电离层的特点,基于电离层掩星的判决条件,通过NeQuick模型实现了电波弯曲角和绝对总电子含量的数据仿真,利用阿贝尔变换法(Abel Transform)和穿刺法实现了电离层电子密度剖面的有效反演,统计分析结果验证了NeQuick模型用于GNSS/LEO无线电掩星电离层探测仿真的可行性。

关键词：无线电掩星;电离层;NeQuick模型

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.002

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：号： 1008-9268(2015)03-0006-05

收稿日期：2015-03-31

作者简介

Abstract:Radio occultation is one of the most important ways in ionospheric monitoring. By analyzing the characteristic of GNSS/LEO-based radio occultation, NeQuick model was utilized for absolute total electron content (TEC) and bending angle calculation based on the judgments of ionospheric occultation, while Abel transform and piecing method are using for the inversion of the ionospheric electron density profiles. Simulation results validate the feasibility of the NeQuick model for simulating the ionospheric monitoring with GNSS/LEO-based radio occultation.

0引言

电离层延迟是卫星导航系统重要的误差源之一,严重影响着用户的定位精度。为实现电离层的精确探测,世界各国发展了大量的电离层探测方法,GNSS/LEO无线电掩星作为最近几年迅速发展起来的一门全新的空间电离层遥感技术,它利用低轨LEO卫星搭载高精度的双频GNSS接收机,临边接收GNSS卫星发射的信号。由于卫星平台及地球的相互运动及掩星过程中电磁波与电离层的相互作用,获得不同高度的附加相位及振幅等信息,由此反演出电波弯曲角、电离层总电子含量、电子密度等参数廓线。该技术具有覆盖区域广、探测精度高等特点,正在成为世界各国电离层探测领域的热点方向之一[1]。1995年,美国Microlab-1低轨卫星(GPS/MET)发射成功,首次从理论和技术上证实了GPS无线电掩星技术用于探测电离层的可行性。随后丹麦、南非、德国、阿根廷等也发射了专用的卫星进行电离层掩星探测[2-3]。2006年美国与中国台湾成功发射了气象/电离层及气候卫星探测星座(COSMIC),该星座由6颗低轨小卫星组成,每天能在全球范围内提供超过2000 笔掩星电离层探测资料,大量的电离层观测数据极大地促进了空间物理学研究的发展,提升了空间环境预报的水平,具有极其重要的科学意义[4]。另外,澳大利亚和日本也都制定了各自的GNSS/LEO掩星观测计划,可以预见,掩星电离层探测在未来几年中将获得更大的发展。

为验证单颗LEO卫星或卫星星座对电离层探测的敏感度、精度等指标的影响,并对星座设计进行优化,很多学者开展了大量的掩星探测的仿真研究,如利用射线追踪法[5]、卫星工具包(STK)[6]、EGOPS[7]等软件模拟并分析掩星发生事件。NeQuick是由意大利萨拉姆国际理论物理中心的高空物理和电波传播实验室(ARPL ICTP, Trieste) 与奥地利格拉茨大学的地球物理、气象和天体物理研究所(IGAM,University of Graz) 联合开发,用于支持欧洲伽利略(GALILEO)卫星导航系统的一种电离层模型[8],NeQuick模型可以计算地球周边60～22000 km上空任意点的垂直方向上电子总含量和斜距方向上的电子总含量,因此非常适合用于GNSS/LEO掩星电离层探测的仿真。本文针对GNSS/LEO掩星电离层探测仿真的需求,提出了一种基于NeQuick模型的掩星电离层探测仿真方法,该仿真方法针对电离层对掩星无线电信号的弯曲效应非常小的特点,避免了复杂的射线追踪运算,可降低仿真过程的计算量,仿真结果验证了本文方法的可行性。

联系人：欧明 E-mail: ohm1122@163.com

1掩星事件判决

根据LEO/GNSS无线电掩星实验原理可知,只有当GNSS卫星发出的电波信号经过地球大气到达LEO卫星时,掩星事件才发生。为了获得掩星事件发生的条件,可以通过LEO卫星对GNSS卫星的碰撞点高度来进行判断[3]。碰撞点位置需要利用GNSS卫星以及LEO卫星的位置矢量坐标进行计算,具体计算方法为

1)计算矢量夹角θ

(1)

2)计算rLEO在rGPS-rLEO方向的投影截距

|rp|=|-rLEO|×cosθ.

(2)

3) 计算中间矢量

(3)

4) 计算碰撞点矢量

p=rLEO+rp,

(4)

其中: rLEO表示LEO卫星的位置矢量; rGNSS表示GNSS卫星的位置矢量,其它位置矢量的定义如图1所示。

图1　掩星事件位置矢量示意图

根据碰撞点矢量信息即可计算得到碰撞点的高度。根据掩星碰撞点的高度可将掩星现象分为大气掩星和电离层掩星。在真空近似下,电离层掩星的判断条件为:掩星碰撞点大于 60km,小于LEO卫星高度。

2掩星数据仿真

2.1　仿真流程

采用数值仿真的方法实现基于掩星电离层探测的模拟,仿真流程如图2所示。

图2　掩星电离层探测仿真流程

在仿真过程中,首先设定参与掩星电离层探测的GNSS与LEO卫星星历、时间、电离层模型等参数信息;卫星轨道利用两行轨道星历(TLE)文件计算得到地心地固系下的卫星坐标;基于GNSS-LEO射线传播路径与地球电离层的碰撞点,判决是否满足电离层掩星事件条件,并完成掩星事件预测;利用预测的掩星事件的卫星位置,结合NeQuick电离层模型,实现对掩星观测数据的模拟,获得电离层弯曲角与绝对TEC数据,利用Abel转换和穿刺法反演获得电离层电子密度剖面,最后将反演结果与NeQuick模型给出的“真实”电子密度进行对比,验证电子密度反演方法的有效性。

1) 仿真参数设置

在电离层掩星预测与分析前,首先需要选择GNSS与LEO卫星作为掩星事件的输入条件,在模拟时选择GPS和GLONASS的TLE星历作为GNSS卫星的星历输入,选择COSMIC星座六颗小卫星的TLE星历作为LEO的星历输入。仿真过程中同时需要输入掩星预测的起始时刻。

2) 卫星轨道计算

按照需要预测的起始时刻,利用TLE星历结合简化常规扰动的近似解析解模型(SGP4),计算得到GNSS与COSMIC卫星的X,Y,Z坐标与地理经纬高坐标。

3) 掩星事件预测

对电离层掩星事件进行预测,如果符合电离层掩星的条件则将掩星发生时刻与GNSS、COSMIC卫星的坐标信息保存下来。如图3所示为2011年3月21日UT20:03:55-20:06:40时刻的GPSPRN26卫星与COSMICFM2卫星间发生的一次掩星事件。图中浅色的线为掩星在电离层中的射线路径,浅线上的黑点代表碰撞点位置。

图3　电离层掩星事件仿真结果

4) 掩星数据模拟

根据GNSS、COSMIC卫星坐标,利用NeQui-

ck模型可计算出GNSS卫星与COSMIC卫星间的电离层TEC与电波弯曲角。

5) 仿真结果分析

根据数据模拟结果,采用阿贝尔变换法(AbelTransform)和穿刺法(Piercingmethod)进行电离层电子剖面反演并对反演精度进行分析。

2.2　电离层TEC与电波弯曲角数据仿真

对于掩星观测而言, 其直接测量即为电离层总电子含量(TEC),TEC可表示为沿观测信号传播路径上电子密度的积分:

TEC=∫SNe(r)ds,

(5)

式中: TEC即为LEO卫星与GNSS卫星间射线路径上的TEC观测值; Ne(r)为路径上的电离层电子密度; S为接收机至卫星的视线路径。通过输入观测时间、LEO卫星和GNSS卫星的坐标,利用NeQuick模型可以通过数值积分算法计算得到信号传播路径上电离层TEC数据。由电离层引起的导航信号频率(L频段)上的电波弯曲角是非常小的,掩星射线路径被认为是接近于直线,弯曲角可通过对电离层TEC的求导近似得到:

(6)

式中: α表示由于电离层折射导致的弯曲角; p表示碰撞点高度; f表示信号频率。

2.3　电离层电子密度剖面数据仿真

掩星反演电离层电子密度剖面主要有两种方法[3]:

1) 基于Abel变换法,利用弯曲角反演得到电离层的折射指数为

(7)

折射率与电子密度Ne间存在以下关系,通过折射指数与电子密度的转换关系即可计算电子密度剖面:

(8)

2) 基于穿刺法,利用绝对TEC反演电离层电子密度剖面为

(9)

式中:

εk=(pi+1-pi)/pi.

3掩星仿真结果分析

基于掩星电离层探测仿真流程,如图4示出了2011年3月21日UT00:00时刻仿真得到的一次掩星事件的电离层TEC与L1频率(1 575.42 MHz)上的弯曲角计算结果。从图中可以看出,对于电离层TEC而言,随着LEO卫星与GNSS/LEO掩星间的碰撞点高度的变化,电离层TEC有一个逐渐升高然后在缓慢下降的过程,其中电离层TEC在约260 km的碰撞点上达到最大,由此可判断电离层在260 km附近存在一个极大值。从电波弯曲角的结果来看,随着碰撞高度的上升,弯曲角呈现出了在260 km以下为正,260 km以上为负值的特点,可见随着GNSS/LEO卫星之间相对位置的变化,信号穿越的电离层区域发生了较大变化,从而导致了电波弯曲角由正值变成了负值。

图4　电离层TEC与L1频率上的弯曲角仿真结果

获取电离层TEC和电波弯曲角后,分别利用Abel变换法与穿刺法反演了电离层的电子密度剖面。如图5所示为同一时刻电离层电子密度反演结果。通过反演结果可以看出,两种反演方法均能很好的反演出电离层的电子密度剖面分布,但是两种方法在电离层底部反演的效果与真实分布存在一定的偏差,这一方面是由于电离层水平不均匀性分布造成的,另一方面是由于算法本身的误差造成的。

图5　电离层电子密度剖面反演结果

为进一步验证本文方法的掩星电离层反演精度,分别对无线电掩星反演的F2峰值电子密度NmF2和峰值电子密度高度hmF2进行比较,如图6所示为选取的64次掩星事件中两种算法计算的电离层NmF2/hmF2与真实值之间的比较,从图中可以看出,两种算法均较好的重构出了电离层的两个特征参量,验证了本文仿真方法的有效性。

图6　电离层NmF2和hmF2的仿真结果比较

4结束语

本文基于NeQuick模型,利用数值仿真的方法对GNSS/LEO无线电掩星电离层探测技术进行了研究,给出了电波弯曲角、电离层TEC、电离层电子密度剖面的计算方法,并对Abel变换法及穿刺法反演的电子密度剖面精度进行了统计比较,验证了本文仿真方法的可行性。

GNSS/LEO无线电掩星技术能提供高精度、高分辨率、全球覆盖的地球电离层和中性层大气剖面,具有全天候、低费用、无系统长期漂移等优点。随着世界各国GNSS系统的进一步发展,未来可用于无线电掩星探测的信号来源将日益增多,这将为地球表面难以进行地基电离层探测的地区,如海洋、沙漠和高山等荒凉地区提供了一个全新的测定电离层参量的方法,其研究成果将对穿越电离层的无线电信息系统、如卫星导航、测控、通信等领域起到重要的影响作用。

参考文献

[1]杜晓勇,王景青,薛震刚,等.GNSS/LEO掩星电离层观测的模拟试验[J]. 解放军理工大学学报·自然科学版,2002,3(1):71-74.

[2]胡雄,曾桢,张训械,等,无线电掩星技术及其应用[J].电波科学学报,2002,17(5):549-556.

[3]张荣华.GPS电波掩星法之研究[D]. 台湾:中央大学,2010.

[4]欧明,甄卫民,徐继生,等. 地基GPS与掩星联合电离层层析成像方法研究[J]. 全球定位系统,2014,39(5):1-7.

[5]赵世军,孙学金,朱有成,等. LEO卫星轨道参数对GPS掩星数量和分布的影响[J]. 解放军理工大学学报·自然科学版,2002,3(2):85-89.

[6]符俊,钱山,张士峰,等. 基于STK的GPS/LEO无线电掩星技术仿真研究[J]. 空间科学学报,2010,30(6):567-572.

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[8]NAVA B, RADICELLA S M, AZPILICUETA Fetal. Data ingestion into NeQuick 2 [J]. Radio Sci., 2011,Vol 46. RSOD 17, Doi:10.1029/2010 RS 004635.

莫平华(1982-),男,工程师,主要从事飞机总体技术、GNSS卫星导航技术研究。

欧明(1984-),男,博士生,主要从事电离层探测技术研究。

张风国(1985-),男,工程师,主要从事卫星导航技术研究。