桂林实测VTEC与IRI模型VTEC的比较

张晓雪，邹玉华

(桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林　541004)



桂林实测VTEC与IRI模型VTEC的比较

张晓雪，邹玉华

(桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林541004)

为了研究桂林(地理坐标25.29°N，110.33°E，地磁坐标15.04°N，181.98°E)电离层的垂直总电子含量(VTEC)变化特征，利用桂林的电离层闪烁与TEC监测仪2014年3-4月的双频GNSS观测数据计算得到了VTEC，并与国际参考电离层(IRI)模型估算的VTEC进行比较。结果表明，IRI模型估算结果与实测VTEC相差较大。IRI模型VTEC的日变化比较平缓，实测VTEC的日变化较剧烈；与IRI模型VTEC相比，实测VTEC的日峰值出现时间滞后1～3 h；实测VTEC的日峰值比IRI模型VTEC的日峰值高约40 TECU。

桂林；VTEC；IRI模型

电离层总电子含量(total electron content，简称TEC)是电离层电子密度沿卫星至接收机传播路径上的积分。采用电离层薄层模型(把电离层中的带电粒子看成集中分布在与地球同心的一薄层内)，则可由TEC得到卫星信号穿刺点(卫星至接收机传播路径与电离层薄层的交点)上的垂直TEC(vertical total electron content，简称VTEC)，VTEC是描述电离层特征的重要参量。监测VTEC的时空变化规律对于电离层物理研究、太阳活动监测、空间环境天气预报、地震预报研究等具有重要意义。目前，监测VTEC的时空变化规律主要利用全球导航卫星系统(global navigation satellite system，简称GNSS)的地基信标观测。

基于多年的地基和卫星观测，国内外研究人员已建立了一些经典的电离层模型，其中应用最广泛的是国际参考电离层(international reference ionosphere，简称IRI)模型。IRI模型自从1978年提出后不断得到改进和更新，目前已经更新至2012版[1]。在中纬地区，IRI模型估算的VTEC比较准确[2-3]，但在赤道地区和低纬地区，研究人员发现IRI模型估算的VTEC与实测VTEC相差较大[4-8]。

桂林(地理坐标25.29°N，110.33°E地磁坐标15.04°N，181.98°E)处于电离层赤道异常区的北峰附近。为了研究桂林的电离层VTEC变化特征，利用布设在桂林的电离层闪烁与TEC监测仪2014年3-4月的双频GNSS观测数据，计算得到了桂林上空的VTEC序列，并与IRI模型估算的桂林VTEC进行了比较。

1　数据处理方法

桂林的电离层闪烁与TEC监测仪由武汉大学研制，具有72个接收通道，可同时接收14颗GPS卫星和12颗GLONASS卫星的L1/L2双频信号，提供1 Hz采样率的双频伪距、双频载波相位、卫星仰角和方位角等观测数据。

通常情况下，30 s内GNSS卫星至地面接收机的射线路径变化很小，因此，只分析电离层闪烁与TEC监测仪提供的时间采样间隔为30 s的双频伪距、双频载波相位和卫星仰角观测数据。由于低仰角GNSS观测数据易受多路径效应影响，只分析仰角大于25°的GNSS观测数据。

利用双频伪距观测数据计算绝对TEC(TECA)φTECA和双频载波相位观测数据计算相对TEC(TECR)φTECR公式如下：

(1)

(2)

其中：f1、f2为GNSS卫星的2个载波频率；P1、P2为伪距；L1、L2为载波相位；λ1、λ2为波长。对于GPS卫星，f1=1575.42 MHz，f2=1227.60 MHz。对于GLONASS卫星，f1=1602+0.562 5n，f2=1246+0.437 5n，n为GLONASS卫星的频道号，其值为-7，-6，…，-1，0，1，…，6。

由于载波相位观测数据存在整周模糊度问题，由式(2)得到的相对TEC是一个相对值，含有一未知初值，但其精度比绝对TEC高[9]。为此，利用最小二乘法，采用相对TEC数据和绝对TEC数据“对齐”的方法，获得沿GNSS卫星至接收机斜路径上的斜TEC(slant TEC，简称STEC)。需注意的是，STEC数据包含了GNSS卫星和接收机的差分仪器偏差(简称仪器偏差)的影响。

采用电离层薄层模型(图1)，设点P为卫星信号穿刺点，S为GNSS卫星，R为接收机。利用式(3)～(5)将STEC转化为GNSS卫星信号穿刺点上的VTEC。

(3)

(4)

(5)

其中：i为卫星号；k为时间序列；b为接收机仪器偏差；bi为卫星i的仪器偏差；Mi,k为电离层薄层模型的映射函数；γ为卫星信号穿刺点的天顶角；Re为地球半径，其值为6371 km；h为电离层薄层距地面的高度，其值为350 km；ε为卫星仰角。

图1　GNSS卫星至地面接收机的射线路径Fig.1　Ray path for GNSS signals from satellite to ground-based receiver

绝大多数情况下，每2 min内桂林的电离层闪烁与TEC监测仪能观测到至少2颗仰角大于45°的GNSS卫星(指GPS和GLONASS卫星)。因此，利用仰角大于45°的STEC数据计算桂林上空的VTEC序列，将VTEC的时间分辨率取为2 min，即每天待求的VTEC为720个。求单站上空的VTEC时，通常认为24 h内接收机仪器偏差和卫星仪器偏差是不变的[10]。由于仅利用了桂林的电离层闪烁与TEC监测仪的观测数据，且2014年3-4月期间该监测仪每天只观测到54颗GNSS卫星，每天待求的参数还包括接收机仪器偏差b和卫星仪器偏差bi(i=1，2，…，54)，可将每天的接收机仪器偏差b与卫星仪器偏差bi合并(相加)计算。为了简化公式，用bi表示卫星i合并后的仪器偏差，即该卫星的仪器偏差与接收机仪器偏差之和。式(3)可改写为：

(6)

利用24 h内所有仰角大于45°的STEC数据，由式(6)可得到矩阵表示式

d=AX。

其中：d为列矢量，其元素是φSTEC,i,k；X为列矢量，由720个待求的VTEC和54个卫星仪器偏差bi组成，即X=(φVTEC,1，φVTEC,2，…，φVTEC,720，b1，b2，…，b54)T；A为二维矩阵，在A每一个行向量中，与待求参数φVTEC,k和bi对应的元素分别为Mi,k和1，其他元素均为0。

采用基于行作用技术的代数重建法[11]求列矢量X，得到24 h内时间分辨率为2 min的VTEC序列。

2　实测VTEC与IRI模型VTEC的比较

利用2014年3-4月的GNSS观测数据，分析桂林上空的VTEC变化特征。需注意的是，2014年是太阳活动高年，3-4月期间每天的太阳活动指数F10.7为119.6～185.2。

将IRI模型2012版(网址为：http://omniweb.gsfc.nasa.gov/vitmo/iri2012_vitmo.html)估算的桂林上空VTEC(简称VTEC-IRI2012)与VTEC-GNSS进行比较，发现VTEC-IRI2012与VTEC-GNSS相差较大。

图2为2014-03-05、2014-03-18、2014-04-14和2014-04-29的VTEC-GNSS、VTEC-IRI2012和Nm,F2随世界时UT的变化。采用地方时LT为UT加8 h。从图2可看出，VTEC-GNSS与Nm,F2随时间变化的趋势比较一致，但VTEC-IRI2012与VTEC-GNSS相差较大。VTEC-GNSS与VTEC-IRI2012都表现出典型的日变化特征，即白天值较高，夜间值较低。然而，VTEC-GNSS日变化比较剧烈，而VTEC-IRI2012日变化较平缓。VTEC-IRI2012在UT6：30(LT14：30)左右达到日峰值，而VTEC-GNSS日峰值出现时间常滞后1～3 h。VTEC-GNSS日峰值比VTEC-IRI2012日峰值平均高约40 TECU(1 TECU=1016el/m2)。UT15-UT22期间，VTEC-GNSS的数值先小幅上升，随后逐渐下降。然而，UT15-UT22期间VTEC-IRI2012的数值始终呈下降趋势。

图2　2014-03-05、2014-03-18、2014-04-14和2014-04-29 VTEC-GNSS、VTEC-IRI2012和Nm,F2随世界时的变化Fig.2　The variations of VTEC-GNSS, VTEC-IRI2012 and Nm,F2 as UT on 5 March, 18 March, 14 April, and 29 April in 2014

图3为2014-04-10-2014-04-14期间VTEC-GNSS和VTEC-IRI2012随UT变化的曲线。从图3可看出，VTEC-GNSS日峰值变化较大，而IRI模型估算的VTEC日峰值几乎无变化。

图3　2014-04-10-2014-04-14期间VTEC-GNSS和 VTEC-IRI2012随世界时的变化Fig.3　The variations of VTEC-GNSS and VTEC-IRI2012 as UT from 10 April to 14 April in 2014

3　结束语

利用2014年3-4月桂林的双频GNSS观测数据，计算得到了桂林上空的VTEC序列，根据距桂林最近的邵阳市电离层垂测仪提供的f0,F2得到了Nm,F2序列。计算得到的VTEC与Nm,F2随时间变化的趋势比较一致，说明桂林实测VTEC是合理的。将桂林实测VTEC与IRI模型估算结果进行比较后发现，两者相差较大。这表明，IRI模型无法描述位于电离层赤道异常区的桂林的VTEC变化特征。为了研究桂林的VTEC变化特征，需研究分析长期的实测数据。

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编辑：翁史振

Comparison of VTEC measurements in Guilin and IRI modeled VTEC

ZHANG Xiaoxue, ZOU Yuhua

(School of Electronic Engineering and Automation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

In order to study the variability features of the ionospheric VTEC (vertical total electron content) in Guilin (geographic coordinates 25.29°N, 110.33°E, geomagnetic coordinates 15.04°N, 181.98°E), the dual-frequency GNSS observations recorded from March to April in 2014 by an ionospheric scintillation and TEC monitor installed in Guilin are used to calculate VTEC, and then the calculated VTEC is compared with VTEC estimated by the IRI (international reference ionosphere) model. The results show that VTEC estimated by the IRI model differs greatly from the measured VTEC. The diurnal variation of VTEC estimated by the IRI model is gentle, but the diurnal variation of the measured VTEC is very strong. Compared with VTEC estimated by the IRI model, the measured VTEC diurnal peak time lags 1-3 h. The diurnal peak of the measured VTEC is larger than that of VTEC estimated by the IRI model about 40 TECU.

Guilin; VTEC; IRI model

2016-01-06

国家自然科学基金(41464005)；广西自然科学基金(2014GXNSFAA118374)

邹玉华(1976-)，女，广西桂林人，教授，博士，研究方向为电波传播与电离层物理。E-mail:yhzou@guet.edu.cn

P352.7

A

1673-808X(2016)03-0240-04

引文格式： 张晓雪，邹玉华.桂林实测VTEC与IRI模型VTEC的比较[J].桂林电子科技大学学报，2016,36(3):240-243.