海口地区扩展F和GPS电离层闪烁发生时间相关性分析

李静静,盛冬生,张红波

(中国电波传播研究所,山东 青岛 266107)



海口地区扩展F和GPS电离层闪烁发生时间相关性分析

李静静,盛冬生,张红波

(中国电波传播研究所,山东 青岛 266107)

对2012年8月至2013年7月太阳活动高年海口地区扩展F和GPS L1频段电离层闪烁进行了发生时间相关性分析。结果表明,该地区的GPS电离层闪烁与扩展F具有较好的相关性,二者发生的相关系数为0.95.受太阳活动高年低纬电离层不均匀体发展演化特性和设备观测方式的影响,观测到的电离层闪烁起始时间稍早于扩展F。扩展F结束时间比电离层闪烁结束时间有所滞后,分析认为,在低纬电离层不均匀体的消亡阶段,1 km以下中小尺度的不均匀体首先消失。

扩展F;电离层闪烁;不均匀体;相关分析

0 引 言

全球定位系统(GPS) L频段电离层闪烁会导致卫星导航接收机伪距抖动、相位发生周跳,造成导航定位误差增大,严重时导致接收机失锁,导航定位中断。生命安全服务、高精度大地测量等多种高端卫星导航应用对卫星导航精度和完好性要求较高,电离层闪烁事件成为一种不能忽视的现象。扩展F和GPS电离层闪烁均是电离层不均匀体的无线电观测现象,前者是电离图上表现出频域、区域的回波信号弥散,后者则是地面接收的GPS信号发生强的衰落。统计分析扩展F和电离层闪烁相关性有助于理解GPS电离层闪烁发生和演化机制,以及掌握GPS电离层闪烁发生前兆信息,对GPS电离层闪烁预警减缓措施研发具有一定意义。

近几十年来,诸多学者开展了扩展F与电离层闪烁的对比研究工作。Medeiros等[1]在统计分析了巴西两个观测站的VHF频段电离层闪烁数据和扩展F数据后,发现两者在发生概率和持续时间上存在较好的一致性。龙其利等[2]统计分析了1989年12月至1990年12月期间VHF频段电离层闪烁数据和扩展F数据后发现扩展F起始时间早于电离层闪烁。Iyer等[3]根据分析印度两个观测站监测的1987至1989年期间VHF频段闪烁和扩展F数据发现,二者只在太阳活动高年具有很好的相关性。朱太平等[4]分析1990年8月至9月期间的电离层闪烁和扩展F发生概率发现,4 GHz频段电离层闪烁和扩展F的相关性弱于VHF频段电离层闪烁和扩展F的相关性。近年来,王国军等[5]分析了强区域扩展F发生概率和GPS L1频段电离层闪烁发生概率随时间的变化趋势。史建魁等[6]分析了三亚地区2003年至2007年期间强区域扩展F和GPS L1频段电离层闪烁月发生概率的相关系数。本文主要研究太阳活动高年海口地区扩展F和GPS L1频段电离层闪烁在起始和结束时间方面的相关性,以探究电离层不均匀体在不同发展演化阶段对GPS L1频段电离层闪烁影响。

1 观测数据

目前,国际上一般将扩展F划分为频域扩展F、区域扩展F、混合扩展F和强扩展F.对海口站(20.0°N,110.3°E)电离层垂测仪观测的扩展F数据和GPS L1频段电离层幅度闪烁数据进行统计分析发现,在弥散点超过6.6 MHz时,扩展F和电离层闪烁具有较好的相关关系,因此本文仅选取弥散点超过6.6 MHz的扩展F作为分析对象,不再作类型区分。扩展F选取标准如图1所示。

图1 扩展F选取标准

本文使用数据的采集时间为2012年8月1日至2013年7月31日夜间(10:00UT至0:00UT,本地时=UT+7.0)。扩展F的采样间隔为15 min.

部署在海口站的GPS闪烁监测仪,以20 Hz的采样速率对接收信号进行采集处理,实时计算电离层闪烁S4指数,采样间隔为1 min.为避免多径干扰和低仰角引起的其他效应,仅选取卫星仰角在25°以上的数据。电离层闪烁事件识别准则为S4指数大于0.3,且持续时间超过15 min的事件。

2 结果与讨论

2.1 事件相关性

图2示出了2012年8月至2013年7月夜间的扩展F和电离层闪烁事件月发生天数统计结果。从图2可以看出,春分和秋分月份的扩展F和电离层闪烁的月发生概率最高,冬季较少发生,夏季次之。在365天的统计数据中,共有89天电离层闪烁和扩展F均出现,有19天只有扩展F出现,仅有1天只有电离层闪烁出现。基于相关性统计分析得到两者同时发生的相关系数为0.95.该结果说明绝大部分电离层闪烁事件均会伴随扩展F现象。

图2 2012年8月至2013年7月期间扩展F和电离层闪烁事件

2.2 起止时间相关性

对2012年8月至2013年7月89次同日出现的扩展F和电离层闪烁事件的起止时间进行进一步的分析。图3示出了两类事件起始时间的相关分析结果,其中虚线为14:00UT之前数据的线性拟合结果,实线为全部数据的线性拟合结果。图4示出了两类事件结束时间的相关分析结果,实线为全部数据的线性拟合结果。

从图3、图4中可以看出,扩展F和电离层闪烁事件的起始时间相关系数为0.71,结束时间相关系数为0.62.两者在起始时间和结束时间具有较好的一致性。在起始时间方面,14:00UT之前,两者的相关系数为0.87,说明在21:00LT之前两者几乎同时出现,且电离层闪烁出现事件(平均起始时间19.4LT)稍早于扩展F(平均起始时间19.5LT)。在结束时间方面,扩展F结束时间比电离层闪烁结束时间略有滞后,平均滞后时间约为1.2 h.

图3 扩展F和电离层闪烁事件起始时间相关分析结果

图4 扩展F和电离层闪烁事件结束时间相关分析结果

3 讨论

通过分析发现,我国海口地区扩展F和电离层闪烁事件具有较好的相关性,但在起始时间和结束时间存在一定差异。这可能是电离层垂测仪和GPS L1频段电离层闪烁仪所观测到的电离层不均匀体尺度和范围不同所致,也与电离层不均匀体发展演化过程有关。

首先,电离层不均匀体发展演化过程以及观测手段的局限性,会影响到观测到的扩展F和电离层闪烁事件的起止时间。GPS L1频段的电离层闪烁监测是通过接收多颗GPS卫星信号实现的,根据卫星链路与电离层不均匀体的穿刺点在地面投影的位置计算公式:

angle= π/2-α-arcsin[(R·cosα)/

(R+h)],

(1)

φ= arcsin[sinφj·cos(angle)+

cosφj·sin(angle)·cosαz]

(2)

λ=λj+arcsin[sin(angle)·sinαz/cosφ],

(3)

其中: 假定不均匀体高度h为350 km[7];R为地球半径(6 371 km);α为卫星仰角;αz为卫星方位角;(λj,φj)为观测站位置(110.3°E,20.0°N); (λ,φ)分别为穿刺点的经纬度。当电离层闪烁监测设备观测的卫星截止仰角为25°时,其监测范围的最大半径为640 km.而电离层垂测仪的工作模式为同站址垂直发射与接收,综合F层电离图回波描迹的高度数据,认为电离层垂测仪对电离层不均匀体的观测半径远小于200 km.甄卫民等[8]通过分析多站的GPS信号发现,我国低纬地区电离层不均匀体源于赤道电离层不均匀体的北向扩展。此外,电离层不均匀体的东向漂移也是海口站观测到不均匀体的原因之一。由于在14:00UT以前扩展F和GPS电离层闪烁的起始时间相差甚少,推测14:00UT之前我国低纬地区电离层不均匀体源于赤道电离层不均匀体的北向扩展。考虑到GPS电离层闪烁的观测范围更大,可能是导致GPS电离层闪烁起始时间略早于电离层垂测仪观测到扩展F的主要原因。

其次,根据第一菲涅耳半径公式计算可知,引起L1频段电离层闪烁的不均匀体尺度小于1 km[9],而电离层垂测仪工作频段为短波频段,其可观测的电离层不均匀体尺度远大于1 km.鉴于扩展F和GPS电离层闪烁在14:00UT以前的起始时间几乎相同,表明太阳活动高年的赤道电离层不均匀体在发展起始阶段便包含低于1 km的中小尺度电离层不均匀体。

最后,大部分扩展F结束时间滞后于电离层闪烁的结束时间,平均滞后时间约为1.2 h,表明在不均匀体发展演化的结束阶段,中小尺度的电离层不均匀体首先消失。甄卫民等[10]根据海口地区VHF信号功率谱斜率在闪烁初期和末期不同,认为赤道电离层不均匀体在消亡阶段,1 km以下中小尺度的不均匀体首先耗散消失。本文统计结果也同样支持该结论。

4 结束语

对2012年8月至2013年7月太阳活动高年海口地区扩展F和GPS L1频段电离层闪烁观测数据进行了相关性分析,发现我国海口地区扩展F和电离层闪烁事件具有较好的相关性,但在起始时间和结束时间存在一定差异。在21:00LT以前,GPS电离层闪烁平均起始时间比扩展F稍早,可能是该时段的电离层不均匀体源于赤道电离层不均匀体的北向扩展,且起始阶段便包含低于1 km的中小尺度电离层不均匀体所致。扩展F结束时间比电离层闪烁结束时间略有滞后,平均滞后时间约为1.2 h,可能是在电离层不均匀体消亡阶段,1 km以下中小尺度的不均匀体首先耗散消失所致。后续将利用更长周期的观测数据来深入分析二者的相关性及其随季节、太阳活动周期等的变化特征。

[1] MEDEIROS R T, DE ABDU M A, KANTOR I J. A comparative study of VHF scintillation and spread F events over natal and fortaleza in Brazil[J].Journal of Geophysical Research 1983(88):6253-6258.

[2] 龙其利,马健敏. 海口VHF信号幅度闪烁观测结果[J]. 电波与天线,1996,11(2):1-4.

[3] IYER K N, JIVANII M N, PATHAN B M,etal. Equatorial spread F: Statistical comparison between ionosonde and scintillation observations and longitude dependence[J]. Advances in Space Research, 2003, 31(3):735-740.

[4] 朱太平,龙其利. 低纬电离层闪烁与扩散[J].电波科学学报,1995,10(3):69-71.

[5] WANG G J,SHI J K,SHANG S P,etal. Correlations between strong range spread-F and GPS L-band scintillations observed in Hainan in 2004[J]. Chinese Physics Letters, 2009, 26(1):375-378.

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[10]甄卫民,龙其利,马健敏,等. 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.

Correlation Analysis on Occurrence Time of Spread F and Ionospheric Scintillations in Haikou Region

LI Jingjing,SHENG Dongsheng,ZHANG Hongbo

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Using spread F observations and GPS L1-band ionospheric scintillation observations recorded by ionosonde and GPS L1-band Ionospheric Scintillation monitor respectively in Haikou region during August 2012 and July 2013, we carried out correlation analysis on the occurrence time of each other. It’s found that there is a good correlation between the occurrences of Spread F and GPS L1-band ionospheric scintillation. The correlation coefficient is 0.95.Due to development and evolution characteristics of low-latitude ionospheric irregularities during solar maximum and different observing modes of equipments, the average starting time of GPS ionospheric scintillations is a little earlier than that of Spread F, and the average end time of the latter is somewhat lagged. Analysis from the statistical results also showed that small scale irregularities less than 1km died off firstly in the decay phase of ionospheric irregularities.

Spread F; ionospheric scintillation; irregularity; correlation analysis

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.009

2016-12-12

TN966

A

1008-9268(2017)02-0040-04

李静静 (1984-),女,工程师,主要研究方向为电波环境数据处理与电波传播预测技术。

盛冬生 (1986-),男,工程师,主要研究方向为电离层闪烁及其影响评估技术。

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。

联系人: 李静静E-mail:lijingjing2009@yeah.net