电离层闪烁模型中的不均匀体强度建模

刘钝 闫永宝 郭珊 於晓 冯健 甄卫民

(中国电波传播研究所,青岛 266107)

电离层闪烁模型中的不均匀体强度建模

刘钝 闫永宝 郭珊 於晓 冯健 甄卫民

(中国电波传播研究所,青岛 266107)

不均匀体强度模型是电离层闪烁建模的重要组成部分. 参考国外电离层闪烁建模的思路,利用海口地区2003年至2008年的GPS闪烁观测数据建立了中国低纬地区电离层闪烁不均匀体强度模型,并对模型精度进行了分析. 利用2003年至2008年海口地区GPS闪烁数据进行的模型精度分析表明,模型误差为无偏正态分布,误差方差为0.44. 利用2013年海口地区和广州地区GPS闪烁数据进行的模型精度分析表明,模型误差基本保持无偏的正态分布特征,误差方差为0.42. 利用国外模型进行同样的精度分析,其误差均值为0.33,方差为0.99,且为有偏分布. 由此表明,建立的闪烁强度模型在中国低纬地区具有良好的适用性.

电离层闪烁;不均匀体;扰动强度;建模;全球定位系统

DOI 10.13443/j.cjors.2015081901

引 言

电离层闪烁是影响卫星导航、对地观测(星载合成孔径雷达)等系统的重要因素. 为实现上述系统对电离层闪烁影响的分析评估,需建立电离层闪烁模型,模拟生成闪烁影响下的信号形式,并结合系统性能模型,开展电离层闪烁影响的分析研究工作[1-3].

电离层闪烁模型主要包括电离层不均匀体模型和信号传播模型两部分[2-4]. 电离层不均匀体模型对造成电离层闪烁的不均匀体特性进行建模,包括不均匀体高度、厚度、强度以及谱指数等特征参量[5-12]. 其中,不均匀体强度模型是最主要的模型. 信号传播模型一般采用相位屏方法实现,这是因为相位屏理论一方面是解释闪烁现象的理论模型之一,另一方面,广泛的试验分析工作也验证了相位屏仿真结果与实测结果具有较好的一致性[13-14]. 本文重点针对电离层闪烁模型中的不均匀体强度模型开展研究.

电离层不均匀体强度模型的建立主要有两种思路:一种思路是直接对不均匀体强度(实际为不均匀体扰动强度与不均匀体厚度的乘积CsL或CkL)进行统计建模,以美国WBMOD为典型的电离层闪烁模型即采用这种思路[7-12];另一种思路是对造成不均匀体强度变化的电离层电子密度变化δNe进行建模,典型的模型包括欧洲的电离层闪烁模型GISM,以及WBMOD早期的相关工作[4-6]. 两种方法各有优点. 基于电离层不均匀体强度的建模中,由于可以利用地基闪烁观测进行不均匀体强度的测量和反演,因此可以获得大量数据进行模型的建立和测试,尤其是随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的出现并用于电离层闪烁观测,这种方法更具有实用意义[10]. 基于电离层电子密度变化实现的闪烁建模中,可以实现除闪烁相关参量外更多参量的分析研究,如信号延迟、法拉第旋转等[4]. 但不管电离层不均匀体模型采用何种方式建立,上述电离层闪烁模型中的信号传播模型均采用相位屏方法实现.

本文采用对不均匀体参量CkL进行建模的方法实现对电离层闪烁强度的建模研究. 第二节介绍利用GPS闪烁测量数据提取电离层不均匀体强度的反演方法,和电离层闪烁强度模型的实现形式. 第三节利用海口地区的闪烁观测数据对闪烁强度模型进行参量估计和实现. 第四节进一步利用海口和广州地区不同年份的闪烁观测数据对建立的闪烁强度模型进行有效性分析,最后给出了结论.

1 闪烁相关的电离层不均匀体建模方法

1.1 电离层不均匀体参量

描述电离层闪烁相关不均匀体的参数包括不均匀体高度、厚度、 强度、漂移速度、轴比、谱指数等参数[8-9,12]. 其中,不均匀体强度是电离层闪烁建模应用中最重要的参量. C.L.Rino在文献[13]中通过相位屏理论建立了电离层幅度闪烁指数S4的表达式:

(1)

(2)

ν=p/2.

(3)

式(1)～(3)中: re为经典电子半径; λ为入射波波长; L为不均匀体厚度; θ为入射信号在接收机处的天顶角; Cs为扰动强度; Γ为gamma函数; F为传播几何因子; zR=zzs/(z+zs),z和zs分别为电离层相位屏到地面接收机和卫星的距离; p为谱指数. 由于Cs与L的影响难以分离,电离层闪烁研究中,一般将CsL作为一个参量进行建模[7-8]. 文献[12]进一步引入了新的参量CkL描述不均匀体强度,其与CsL的关系如下:

CkL=(1000/2π)p+1CsL.

(4)

由式(1)可以获得CsL的理论公式为:

(5)

式(5)表明,可以通过实测的闪烁指数,获得相应的电离层不均匀体强度CsL或CkL的估计. 该公式中,θ,F,Z等参数可以通过闪烁观测中的卫星位置、 接收机位置计算获得. 谱指数可由闪烁原始观测数据进行谱分析估计获得. 低纬地区电离层闪烁分析表明,谱指数一般可取为2.5[8]. 在工作中,分别采用实测数据获得的谱指数和采用经验谱指数两种方法进行CsL提取. 统计分析表明,两种方法的结果没有明显差别,因此数据分析中,采用取经验谱指数的方法进行CsL估计.

1.2 电离层不均匀体强度模型

电离层闪烁研究表明,闪烁与纬度、季节、日落后时间、太阳活动等因素有关. 因此,闪烁建模中,一般通过引入上述参量的不同函数形式进行不均匀体强度的建模,如在文献[8]中,将不均匀体强度表示为太阳黑子数R、晨昏线与磁子午线在磁赤道的夹角τ(反映季节变化)、 E层日落后时间te,以及磁不变纬度λa的函数形式,表达式为

(6)

由于CsL与CkL的定量关系,本文考虑建立

(7)

形式的不均匀体强度CkL模型,并利用实测数据对模型参数进行估计. 式(7)中:fr(R)为与太阳黑子数相关的函数; fs(τ)为晨昏线与磁子午线夹角τ的函数; ft(te)为E层日落后时间te的函数; fλ(λa)为磁不变纬度λa的函数.

上述不均匀体模型中,仅需利用实测数据对不同函数的相对变化形式进行估计建模,不同模型的绝对偏差可以被系数CE吸收,而CE最后通过最小二乘方法利用所有实测数据进行最优估计获得.

2 电离层不均匀体强度模型的参数估计与实现

利用海口地区2003年至2008年期间GPS测量的幅度闪烁指数进行电离层不均匀体强度CkL的反演提取,并进一步用于电离层闪烁不均匀体强度模型的参数估计.

2.1 fr(R)模型估计

图)对太阳黑子数R的拟合结果

2.2 fs(τ)模型估计

根据文献[8]的结果,fs(τ)取如下函数形式:

(8)

2.3 ft(te)模型估计

(9)

图对E层日落后时间te的拟合结果

2.4 fλ(λa)模型估计

电离层闪烁建模中不均匀体强度随磁不变纬度的变化较为复杂. 文献[5-8]的模型实现中,电离层不均匀体强度在整个磁低纬地区随磁不变纬度具有同样变化,而在磁低纬与中纬交界处,以误差函数形式进行过渡,文献[9,11]则建立了具有双峰值的电离层不均匀体强度随磁不变纬度变化的函数形式. 由于海口地区闪烁观测的覆盖范围有限,建模工作中采取文献[8]中给出的fλ(λa)函数形式:

(10)

fs(τ)ft(te)))随磁不变纬度λa的变化分布及fλ(λa)函数的拟合结果,表明了采用该函数模型的有效性.

图对磁不变纬度λa的拟合结果

将估计的fr(R)、fs(τ)、ft(te)、fλ(λa)等函数代入公式(7),并利用最小二乘方法由所有原始数据估计CE,最后可以获得电离层不均匀体强度CkL的估计模型.

3 电离层不均匀体强度模型有效性评估

为了验证建立的电离层闪烁不均匀体强度模型的有效性,利用海口、广州区域的GPS电离层闪烁观测数据对模型精度进行分析验证.

利用GPS卫星位置、观测站位置以及观测时间,计算电离层不均匀体强度模型所需的参数,并带入模型获得相应时间、地点的电离层不均匀体强度估计. 对所有闪烁观测数据进行处理,获得对应时间、地点的不均匀体强度估计,并与实测的不均匀体强度数据进行比较,通过对实测数据与模型估计数据的误差统计分析,获得电离层不均匀体强度模型的精度分析结果.

3.1 利用海口2003-2008年数据的验证结果

由于本文中的电离层不均匀体强度模型利用2003-2008年海口地区的闪烁观测数据建立,因此,利用海口地区2003-2008年数据进行的验证主要是分析建立的电离层不均匀体强度模型的内符精度. 图5给出了比较的结果,其中红线为拟合的正态分布(下同). 可以看出. 电离层不均匀体强度模型的误差呈正态分布,误差均值为0,方差为0.44.

进一步利用同样的实测数据(海口地区2003—2008年GPS闪烁观测数据)对文献[8]中给出的WBMOD模型进行精度分析,图6给出了模型的误差分布,其中误差均值为0.33,方差为0.99. 可以看出,该闪烁强度模型的估计存在系统性偏差,且误差的方差分布是本文建立模型的2倍以上.

图5 利用海口地区2003-2008年数据对建立的闪烁强度模型的分析结果(误差均值为0.00,方差为0.44)

图6 利用海口地区2003-2008年数据对文献[8]中闪烁强度模型的分析结果(误差均值为0.33,方差为0.99)

实际应用中,不仅希望获得不均匀体强度的大小估计,还希望获得不均匀体强度的发生概率估计. 实现模型的误差为无偏正态分布且具有较小方差,这一特征表明,利用该模型可以实现给定置信度下的闪烁强度估计,并且误差更小,这对于实际应用具有重要意义.

3.2 利用海口、 广州2013年数据的验证结果

为了进一步验证建立的闪烁不均匀体强度模型的有效性,利用海口地区和广州地区的GPS闪烁数据对模型的精度进行分析.

图7给出了利用海口地区2013年全年GPS闪烁观测数据对建立的闪烁不均匀体强度模型的精度分析结果.其中,模型误差均值为0.07,方差为0.42. 图8给出了利用广州地区2013年下半年GPS闪烁观测数据进行的模型精度分析结果. 其中,模型误差均值为0.01,方差为0.42.

图7 利用海口地区2013年数据对建立的闪烁强度模型的分析结果(误差均值为0.07,方差为0.42)

图8 利用广州地区2013年下半年数据对建立的闪烁强度模型的分析结果(误差均值为0.01,方差为0.42)

可以看出,建立的闪烁不均匀体强度模型在海口和广州区域,在更高太阳活动年份(2013年)情况下,仍具有良好的精度. 两种情况下,模型误差基本保持无偏的正态分布特征,误差方差为0.42,与海口地区2003-2008年数据的比较结果具有很好的一致性.

上述分析结果表明,本文建立的电离层闪烁不均匀体强度模型在中国低纬地区具有良好的适用性.

需要说明的是,与2003—2008年的GPS闪烁观测相比,2013年的GPS观测数据中受干扰影响现象较为严重(尤其是射频干扰和多径影响),因此有效闪烁事件识别和数据处理的难度进一步加大,容易造成个别“坏”数据没有被闪烁数据批处理和质量检测程序识别和剔除. 这也是造成2013年模型精度分析中,误差分布存在较小偏差的原因.

4 分析与结论

电离层不均匀体强度模型是电离层闪烁建模的重要组成部分. 参考国外电离层闪烁建模的思路,利用海口地区2003年至2008年的GPS闪烁观测数据建立了中国低纬地区的电离层闪烁不均匀体强度模型,并对模型的精度进行了分析.

利用2003年至2008年海口地区GPS闪烁数据进行的模型内符精度分析表明,模型误差为无偏正态分布,误差方差为0.44. 利用国外相同模型进行同样的精度分析,其误差均值为0.33,方差为0.99,且为有偏分布. 利用2013年海口地区和广州地区GPS闪烁数据进行的模型精度分析表明,建立的不均匀体强度模型其误差基本保持无偏的正态分布特征,误差方差与海口地区2003—2008年数据的比较结果具有一致性. 由此表明,建立的闪烁不均匀体强度模型在中国低纬地区具有良好的适用性.

观测环境影响(主要为射频干扰或多径影响)是造成GPS闪烁观测质量降低的重要因素,将会影响闪烁强度模型的建立和验证. 因此在电离层闪烁分析和建模中,应建立有效的闪烁事件识别和数据处理机制与方法,降低这些因素的影响.

利用中国地区电离层闪烁观测数据对闪烁强度模型进行完善是下一步拟开展的工作,同时,进一步完善闪烁事件的有效识别和无效数据剔除方法也是下一步的工作.

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刘钝 (1973-),男,河北人,中国电波传播研究所高级工程师,主要研究方向为电波传播应用技术、GNSS应用技术研究.

闫永宝 (1986-)，男，甘肃人，博士，助理研究员，毕业于装甲兵工程学院，主要研究方向为电波环境建模及应用技术研究.

郭珊 (1981-),女,河南人,中国电波传播研究所工程师,主要研究方向为GNSS电波环境监测技术与数据处理技术.

於晓 (1982-),女,湖北人,中国电波传播研究所工程师,主要研究方向为电离层闪烁建模技术研究.

Irregularity strength modeling in ionospheric scintillation model

LIU Dun YAN Yongbao GUO Shan YU Xiao FENG Jian ZHEN Weimin

(China Research Institute of Radiowave Propagation, Qingdao 266107, China)

Disturbance strength modeling of scintillation-producing irregularity is one of the main tasks in ionospheric scintillation models. A strength model for ionospheic irregularity is constructed with GPS scintillation data from Haikou China with relating foreign models as reference. The validity of the model is also checked with extensive data. The residual of model shows unbiased distribution with mean of zero and standard deviation 0.44 for the test data of Haikou from 2003 to 2008. More test with data from Haikou and Guangzhou in 2013 also show an unbiased distribution almost with standard deviation of 0.42. On the contrary, a biased result is obtained for the models constructed in the

with a mean of 0.33 and standard deviation 0.99 when the same Haikou data set is used. The test results show the validity of the scintillation irregularity model established in the work.

ionospheric scintillation; irregularity; disturbance strength; model; GPS

10.13443/j.cjors.2015081901

2015-08-19

P352

A

1005-0388(2016)03-0432-06

刘钝, 闫永宝, 郭珊, 等.电离层闪烁模型中的不均匀体强度建模[J].电波科学学报,2016,31(3):432-437.

LIU D, YAN Y B, GUO S, et al. Irregularity strength modeling in ionospheric scintillation model[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(3):432-437.(in Chinese). DOI:10.13443/j.cjors.2015081901

联系人： 刘钝 E-mail: dun.l@163.com