两个太阳活动周期的GPS电离层闪烁统计特性分析

田霞,张红波,盛冬生

(1.电波环境特性及模化技术重点实验室,中国电波传播研究所,青岛 266107；2.中国电波传播研究所,青岛 266107)

两个太阳活动周期的GPS电离层闪烁统计特性分析

田霞1,张红波2,盛冬生2

(1.电波环境特性及模化技术重点实验室,中国电波传播研究所,青岛 266107；2.中国电波传播研究所,青岛 266107)

基于第23和24太阳活动周积累的长周期GPS电离层闪烁观测数据开展统计分析,给出了两个太阳活动周期内的GPS电离层闪烁月发生天数变化规律,分析了太阳活动高年和太阳活动低年的GPS电离层闪烁S4指数随纬度变化特性,研究结果有助于加深对GPS电离层闪烁随太阳活动和纬度的变化规律的理解,可促进电离层闪烁有关气候学模型的建立。

电离层闪烁;太阳活动周;统计特性;卫星导航

0 引 言

电离层闪烁会导致卫星导航接收机的导航定位误差增大,严重时会使其导航定位中断。由于电离层闪烁严重影响了卫星导航系统正常应用和多种高端应用(生命安全服务、高精度大地测量等),研究分析全球定位系统电离层闪烁统计特性有助于人们理解和掌握GPS电离层闪烁发生规律及其可能影响程度,从而在GPS应用系统论证设计、研制和部署时采取有效应对措施,确保GPS导航定位效能不下降。此外,电离层闪烁预报模型研究依赖于GPS电离层闪烁统计分析结果。

许多学者作了大量GPS电离层闪烁统计分析,尚社平、史建魁等利用空间中心海南站GPS闪烁监测仪观测资料,分析了海南地区L频段春秋分、太阳活动下降期间电离层闪烁特性[1]。杨升高等开展了太阳活动高、低年赤道电离层闪烁形态对比分析[2]。但两个太阳活动周的GPS电离层闪烁统计特性分析结论较少。本文利用澳大利亚空间天气服务(SWS)的1999年至2016年间的GPS电离层闪烁观测数据开展统计分析,获得了两个太阳活动周期内的GPS电离层闪烁月发生天数变化规律,以及太阳活动高年和太阳活动低年的GPS电离层闪烁垂直S4指数随纬度变化特性,研究结果有助于加深对GPS电离层闪烁随太阳活动和纬度的变化规律的理解,可促进电离层闪烁有关气候学模型研究。

1 观测数据

本文数据来源于澳大利亚SWS提供的Vanimo观测站(纬度:2.7°S,经度:141.30°E)和Weipa观测站(纬度:12.63°S,经度:141.88°E)的GPS L频段经过修正之后的电离层闪烁S4指数。该站使用的监测设备为NovAtel GSV4004B型号的双频GPS闪烁监测仪,以50 Hz的采样速率对接收信号进行采集处理,计算给出修正后的电离层闪烁S4指数。根据太阳活动的年际变化情况,选取第23个太阳活动周Vanimo站(1999-2004,2007-2009)和第24个太阳活动周Weipa站(2009-2016)共计16年GPS电离层闪烁数据开展统计分析。为减小低仰角效应造成的统计误差,舍弃仰角小于15°的数据。

2 电离层闪烁月发生概率随太阳活动周变化

2.1 电离层闪烁随太阳活动周的年变化特性

电离层闪烁月平均发生概率随着太阳活动周呈现周期性变化,太阳活动高年电离层闪烁月发生概率高,太阳活动低年电离层闪烁月发生概率低。为了准确的表征这种变化,基于16年GPS电离层闪烁S4指数数据进行电离层闪烁月发生天数随太阳活动周的年变化特性分析。GPS电离层闪烁事件定义为电离层闪烁S4指数连续大于0.2的时间超过20分钟。GPS电离层闪烁月发生天数是指东经130°至150°,北纬5°至南纬10°区域内,某月出现电离层闪烁事件的天数。月发生天数除以当月总天数,便可获得电离层闪烁月发生概率,因此,该指标可有效反应该地区出现等离子体泡的概率。图1为1999年至2016年GPS电离层闪烁月发生天数随太阳活动周变化的分析结果(2005年和2006年没有数据),横轴为年份,左侧纵轴为月发生天数,右侧纵轴为月平滑太阳黑子数(SSN)。图中条形图表示从1999年至2016年间的每一个月的电离层闪烁发生天数,带有方形标识的实线是月平滑太阳黑子数。

图1清晰的示出了GPS电离层闪烁年最大月发生天数存在与太阳活动相似的变化规律,即与月平滑太阳黑子数变化趋势正相关。在从1999年至2009年的第23太阳活动周里,有17个月的月发生天数超过15天,而在高年(2000年和2001年),电离层闪烁月发生天数甚至超过25天,即月发生概率大于80%。在从2009年至2016年的第24太阳活动周内,年最大月发生天数变化规律与第23太阳活动周数据相似,但其它月份月发生天数明显低于第23太阳活动周。可能是第23和24太阳活动周的太阳活跃程度不同所致,第23太阳活动周是近50多年来最强的一个太阳活动周期。另一个可能原因是2009年以后月发生天数是利用Weipa站观测数据分析获得,该站地理纬度较高,位于电离层闪烁最活跃的驼峰区南边缘,导致观测到的电离层闪烁事件少,而Vanimo站位于驼峰区内,易于观测到电离层闪烁事件。从图1也可以看出同一年的月发生天数又存在着季节变化,春秋分附近的月发生天数要高于其它月份。

图1 1999年至2016年GPS电离层闪烁月发生天数随太阳活动周变化的分析结果

2.2 电离层闪烁随月平滑太阳黑子数的变化特性

GPS电离层闪烁月发生天数与太阳黑子数呈正相关。为了分析其相关趋势,提取每年的春分(3月和4月)和秋分(8月和9月)附近两个月的月发生天数和太阳黑子数进行统计相关分析,电离层闪烁最大月发生天数随太阳黑子数变化规律统计分析方法是将全部月发生天数按照太阳黑子数范围(0～10,11～-20,…,131～140)组成统计分析数据集,对每一个数据集提取最大月发生天数。电离层闪烁平均月发生天数随太阳黑子数变化规律统计分析方法是将电离层闪烁指数按照太阳黑子数范围(0～20, 21～40, …121～140)组成统计分析数据集,对每一个数据集计算其中的全部月发生天数平均值,结果如图2所示。

图2 月发生天数和太阳黑子数相关分析结果

图2中星形标识为观测数据,虚线为最大月发生天数随太阳黑子数变化趋势,实线为平均月发生天数随太阳黑子数变化趋势。从图2可以看出,当太阳黑子数低于40时,月发生天数仅有微小变化,近似于是常数,当太阳黑子数大于40时,最大和平均月发生天数与月平滑太阳黑子数呈现正相关,平均月发生天数与太阳黑子数之间的变化趋势与半边高斯函数相近。当太阳黑子数大于120以后,最大和平均月发生天数存在饱和现象。综上所述,当太阳黑子数低于40和大于120以后时,可认为平均月发生天数为常数;在这之间以高斯函数形态随太阳黑子数增加而增加。

3 电离层闪烁随纬度变化特性

3.1 太阳活动高年纬度变化特性

利用Vanimo站的2000年和2001年数据分析太阳活动高年GPS电离层闪烁S4指数随纬度变化特性。通常GPS电离层闪烁S4指数都是倾斜路径的S4指数,在分析电离层闪烁S4指数随纬度变化特性时,为了消除倾斜路径带来的不利影响,有必要将倾斜路径S4指数转换为垂直S4指数[3]。

S4(aelev=90°)=S4(aelev)sinb(aelev) ,

(1)

式中:aelev为观测仰角;b依赖GPS电离层闪烁信号强度数据的功率谱指数p,p为电离层闪烁弱散射理论的重要参数之一[4],其取值范围通常在2.0至4.0之间。经过全范围p值影响分析发现其对转换效果影响不大,因此,参考以往取值p=2.6,此时,b=0.9。

首先提取2000年和2001年3月、4月、8月和9月的垂直S4指数及其相应地磁纬度数据,以一度地磁纬度为步进,统计分析该地磁纬度内全部垂直S4指数数据的直方图,并转换为概率密度分布;将全部概率密度分布数据以二维轮廓图形式可视化,结果如图3和图4所示。

图3 2000年垂直S4指数概率密度分布随地磁纬度变化

图4 2001年垂直S4指数概率密度分布随地磁纬度变化

图3和图4中的实线是0.87分位数对应的垂直S4指数随地磁纬度变化趋势,虚线为垂直S4指数平均值随地磁纬度变化趋势。从图3和图4中可以清晰的看出,垂直S4指数随地磁纬度存在高斯函数特性变化趋势,峰值位置在地磁纬度-12°附近。这与电离层赤道驼峰异常特性相吻合,说明电离层电子密度是影响电离层闪烁强度的重要因素之一。

3.2 太阳活动中年纬度变化特性

利用Vanimo站的2004年数据分析太阳活动中年GPS电离层闪烁S4指数随纬度变化特性。结果如图5所示。从图中可以看出,垂直S4指数随地磁纬度的驼峰区特征弱化了,但尚能辨识出其轮廓。最大垂直S4指数也比太阳活动高年的低 这可能由电离层驼峰区电子密度普遍比太阳活动高年低所致。而垂直S4指数平均值随地磁纬度变化特征减弱的另一个原因可能是电离层闪烁事件发生次数少,垂直S4指数平均值趋向背景噪声值所致。

图5 2004年垂直S4指数概率密度分布随地磁纬度变化

3.3 太阳活动低年纬度变化特性

利用Vanimo站的2007年和2009年数据分析太阳活动低年GPS电离层闪烁S4指数随纬度变化特性。结果如图6和图7所示。从图6可以看出,2007年垂直S4指数平均值随地磁纬度已没有明显变化特征,但在地磁纬度-12°～-6°之间0.87分位数对应的垂直S4指数则能体现出电离层闪烁事件的存在。到了2009年,垂直S4指数平均值随地磁纬度变化特征更弱,仅在地磁纬度-8°～-5°之间0.87分位数对应的垂直S4指数还能体现出电离层闪烁事件的存在。2009年与2007年存在两个明显不同。第一个是2009年电离层闪烁事件出现纬度明显北移;第二个Vanimo站 (地磁纬度-11.2°)上空垂直S4指数比两边都低。第一个现象可能电离层电子密度驼峰区南移所致,也可能是等离子体上升高度低,使得南北映射纬度范围小所致。第二个可依据电离层闪烁弱散射理论较好地解释,太阳活动低年,倾斜传播路径更容易获得较高的积分电子密度扰动值,从而得到较大的电离层闪烁S4指数。

图6 2007年垂直S4指数概率密度分布随地磁纬度变化

图7 2009年垂直S4指数概率密度分布随地磁纬度变化

4 结束语

基于第23和24太阳活动周积累的长周期GPS电离层闪烁观测数据开展统计分析,给出了两个太阳活动周期内的GPS电离层闪烁月发生天数变化规律。GPS电离层闪烁年最大月发生天数存在与太阳活动相似的变化规律,当太阳黑子数低于40和大于120以后时,可认为电离层闪烁平均月发生天数为常数;在这之间以高斯函数形态随太阳黑子数增加而增加。

太阳活动高年垂直S4指数随地磁纬度存在高斯函数特性变化趋势,峰值位置在地磁纬度-12°附近。这与电离层赤道驼峰异常特性相吻合,说明电离层电子密度是影响电离层闪烁强度的重要因素。太阳活动中年垂直S4指数随地磁纬度的驼峰区特征弱化了,但尚能辨识出其轮廓。太阳活动低年,2007年垂直S4指数平均值随地磁纬度已没有明显变化特征,0.87分位数对应的垂直S4指数则能体现出电离层闪烁事件的存在。2009年与2007年存在两个明显不同。第一个是2009年电离层闪烁事件出现纬度明显北移;第二个Vanimo站(地磁纬度-11.2°)上空垂直S4指数比两边都低,表明倾斜传播路径更容易获得较高的路径积分电子密度扰动值,从而得到较大的电离层闪烁S4指数。研究结果有助于加深对GPS电离层闪烁随太阳活动和纬度的变化规律的理解。

[1] 尚社平,史建魁,郭善兼，等. 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.

[2] 杨升高,方涵先,翁利斌，等. 太阳活动高、低年赤道电离层闪烁形态对比分析[C]//第十一届全国电波传播学术讨论会论文集，2011：214-217.

[3] SPOGLI L,ALFONSI L,FRANCESCHI G D,etal. Climatology of GPS ionospheric scintillations over high and mid-latitude European regions[J]. Ann. Geophys, 2009, 27(9):3429-3437.

[4] RINO C L. A power law phase screen model for ionospheric scintillation 1: weak scatter[J]. Radio Science,1979(14):1135-1145.

[5] CHAKRABORTY S K, HAJRA R, DASGUPTA A. Ionospheric scintillation near the anomaly crest in relation to the variability of ambient ionization[J]. Radio Science, 2012, 47(2), RS2006.doi:10.1029/2011RS004942.

Analysis of the Statistical Charateristics of GPS Ionospheric Scintillation of Two Solar Cycle

TIAN Xia1,ZHANG Hongbo2,SHENG Dongsheng2

(1.NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China;2.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Long term GPS ionospheric scintillation data of solar cycle 23 and 24 are analyzed to obtain their statistical charateristics.The variations of monthly occurrence days of GPS ionospheric scintillations are put forward. The latitudinal variations of the S4 index of GPS ionospheric scintillations during high and low solar activities are presented. The results would be helpful to understand the variations of GPS ionospheric scintillations with the solar activity and latitude, and advance the climatological modeling of ionospheric scintillations.

Ionospheric scintillation; solar cycle; statistical charateristics; satellite navigation

2016-09-24

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.014

TN966

1008-9268(2016)06-0070-05

田霞(1981-),女,工程师,主要研究分析电波环境观测数据统计特性等。

张红波 (1979-),男,高级工程师,主要研究方向为电离层闪烁预报预警、卫星导航、卫星通信、雷达系统电离层闪烁减缓等。

盛冬生 (1986-),男,工程师,主要研究方向卫星导航电离层闪烁现报预报研究，电离层电子密度重构等。

联系人：张洪波 E-mail:ssrs_nklee@163.com