利用GPS观测值监测电离层的时空变化

2018-10-09寇瑞雄李仲勤高志钰

全球定位系统 2018年4期

寇瑞雄,李仲勤,高志钰

(1.兰州交通大学测绘与地理信息学院,甘肃兰州730070;2.甘肃省地理国情监测工程实验室,甘肃兰州 730070)

0 引言

电离层是高度约为60～2000 km范围内的离子化的大气层,由于大气分子以及原子受到了太阳紫外线、X射线和高能粒子的辐射作用,从而电离产生了大量的自由电子和正离子,因此电离层总电子含量(TEC)的变化受太阳活动的影响较大,具有明显的时空变化特征[1]。信号通过电离层时会发生反射、折射、散射和吸收等情况,全球导航卫星系统(GNSS)的测距信号在电离层中的时延可达数米甚至上百米,是影响GNSS测量、导航和授时等性能的较大误差源[2]。根据电离层的时空变化规律建立精确的电离层改正模型,从而提高GNSS观测精度,因此研究电离层时空变化特征对GNSS时延改正有很重要的意义[3-4]。

从20世纪90年代就已经开始运用GPS监测电离层了,随着研究的深入,其监测方法不断完善,因此对电离层监测已经趋于成熟,是一条可靠实用的电离层时空变化监测途径[5]。国际GNSS服务(IGS)利用全球数百个GNSS卫星跟踪站的数据进行处理分析,从1992年开始发布电离层产品。吴风波等人利用IGS全球格网数据对中国区域TEC时空变化进行了分析,但没有考虑中国境内IGS站分布较少的因素,全球电离层在中国境内有偏差[6]。袁菲等人利用IGS电离层产品研究了零度子午线上的电离层随纬度的变化规律,不是直接计算零度子午线上的电离层TEC的值[7]。史坤朋等人利用山东省的SDCORS数据构建了区域VTEC球谐格网模型,只对山东区域电离层时空变化规律进行分析,因此纬度跨度不大[8]。本文利用区域电离层模型,将天顶方向的电离层总电子含量(VTEC)看作纬度差和太阳时角差的函数,解算得到GPS系统硬件延迟(DCB)。根据站点的空间分布和选取数据的时间变化,避免了测站分布不均匀造成的问题,如通过插值和拟合等方法获取区域上空的电离层TEC,直接计算得到该站上空的绝对TEC,选取经度相差较小且相邻站纬度分布均匀的四个IGS站2012年、2015年和2017年的观测资料,利用这四个站的GPS观测数据进行电离层TEC时空变化研究。

1 数据来源和电离层TEC解算

1.1 数据来源

由于太阳活动对电离层VTEC影响较大,太阳活动的周期为11年,而2012年为太阳活动高峰年,2017年为太阳活动平静年,可以分析电离层TEC的时间变化。在全球四百多个IGS站中选了西经64°左右,纬度分布较为均匀的四个站,即CRO1、BRMU、UNBJ和QIKI站,利用这四个站的GPS观测资料进行电离层TEC的时空变化分析。测站详细信息如表1所示:

表1 测站信息

1.2 电离层TEC解算

GPS卫星不同频率的信号在卫星中通过不同的线路产生,因此信号从产生到离开天线有一定的时间延迟,因为每个信号频率不同,所以时间延迟也就不同,这种导航信号之间的时延差异称为差分码偏差DCB,也就是卫星硬件延迟偏差[9-10]。同理,这种接收机也存在这种偏差,称之为接收机硬件延迟偏差。卫星硬件延迟偏差和接收机硬件延迟偏差比较难分离,因此将其合称为GPS系统硬件延迟偏差[11]。卫星和接收机DCB偏差是影响GPS电离层TEC监测与建模精度最主要的误差,卫星硬件延迟和接收机硬件延迟将有可能分别造成±3 ns和±10 ns的误差,所以在电离层TEC计算时,必须考虑并消除系统硬件延迟带来的影响。因为GPS系统硬件延迟偏差的值随着时间的变化而发生变化,因此不能用一个固定的值来表示其大小。一般可以把GPS系统偏差值当作未知数,引入观测方程,通过平差估计出偏差值[12-13]。

一般情况下,将电离层压缩成一个单层,并把所有的自由电子集中到这个单层上,则可以用该单层表示整个电离层。多项式函数模型是将单层上的VTEC表示成以纬度和太阳时角的函数[14],由于要估计系统硬件延迟,所以多项式函数模型为

9.52437Bcosz=9.52437(P2-P1)cosz,

(1)

通过伪距可以计算得到绝对的电离层TEC信息,但因有观测噪声以及多路径效应等因素的影响,导致计算精度降低;相位观测得到电离层精度较高,但其包含整周模糊度,从而可靠性相对较差。顾及伪距和相位观测所产生的电离层延迟量相等但符号相反的特征,因而考虑利用载波相位平滑伪距的方法来改善伪距观测精度,也避免了直接利用相位提取电离层信息时对模糊度参数的估计。

设 ΔP2P1=P2-P1,L4=φ1λ1-φ2λ2,在不考虑地磁因素的电离层延迟高阶项条件下,第i个历元测码伪距差ΔP2P1的预报值为

(ΔP2P1)prd(i)= (ΔP2P1)sm(i-1)+

[L4(i)-L4(i-1)].

(2)

第i个历元平滑后的平滑值为

(ΔP2P1)sm(i)=wi(ΔP2P1)obs(i)+(1-

wi)[(ΔP2P1)prd(i)+

L4(i)-L4(i-1)] ,

(3)

当i=1时:

(ΔP2P1)sm=(ΔP2P1)obs,wi=1.0 ,

(4)

式中，wi为与历元i相对应的权重因子,其随平滑时间延续而递减,而平滑率则按照经验调整。当平滑时间足够长后,(ΔP2P1)sm(i)将主要由L4的变化来决定,此时,wi应予以固定。在使用载波相位观测值之前必须进行周跳探测,当观测值发生周跳时,wi需要重新初始化。利用L4组合观测值平滑ΔP2P1以后,用(ΔP2P1)sm作为模型的预处理观测值。

用式(1)解算GPS系统硬件延迟,用载波相位平滑伪距,然后可以得到绝对TEC值。

TEC=9.52437[(ΔP2P1)sm-B].

(5)

为更好的研究TEC的时空变化特征,通常采用天顶方向的电离层总电子含量VTEC来进行分析,VTEC的计算式为

VTEC=9.52437[(ΔP2P1)sm-B]cosz.

(6)

至此,电离层VTEC已经求得,其单位为TECU。

由以上计算绝对电离层VTEC的方法对电离层的变化规律进行研究。由于GPS系统硬件延迟对VTEC的精度影响很大,所以必须首先估计GPS系统硬件延迟。利用COR1站的2012年2月14至16日的数据,计算这三天GPS系统硬件延迟,分别将COR1站单天解算的星站组合DCB与CODE提供的值进行比较,因为CODE的结果已经分离了卫星和测站接收机的DCB,所以先将卫星和COR1站接收机的DCB相加,得到星站组合硬件延迟,然后进行比较,结果如图1所示。

根据COR1站的2012年2月14至16日的观测数据计算电离层VTEC值,图2是无GPS系统硬件延迟的电离层VTEC周日图,图3是加上GPS系统硬件延迟时的电离层VTEC周日图。通过对比图2和图3所示,若不考虑硬件延迟偏差时,由于其影响较大而使电离层VTEC周日变化规律不明显,考虑硬件延迟偏差后,周日变化规律较为明显,也证明GPS系统硬件延迟估计得较为准确。

2 电离层TEC时空变化

2.1 时间变化规律

为了研究电离层VTEC随时间的变化规律,且太阳黑子的活动周期是11年,文献[8]中提到上一个太阳活动周期是2001-2011年,2012年是太阳活动高峰年。文献[15]中将太阳活动分为高年、低年,将介于高年和低年之间的过度年份称之为中间年份,高年和低年间隔5～7年。而2012年到2017年只有6年,因此本文选用了COR1站2012、2015和2017三年的数据分别代表太阳活动的高年、中间年和低年。用每一个月的14日、15日和16日的观测数据计算电离层VTEC值,为了减小高度角对电离层VTEC的影响,截止高度角设为50°,并且每一个历元只要截止高度角不小于50°的卫星都用参数计算。本月的VTEC用14～16日三天的VTEC周日变化平均值来表示。图4是2012年、2015年和2017年的每年12个月的VTEC周日变化图。

由于北半球的季节是按照3月、4月和5月份为春季,6月、7月和8月份是夏季,9月、10月和11月份是秋季,12月、1月和2月是冬季进行划分。根据北半球季节的划分,研究电离层VTEC的季节性变化,统计COR1站三年的每个月VTEC周日变化数据,如图5和图6所示。图5是每年每个月VTEC周日平均值,黑色柱状表示2017年每个月的VTEC周日平均值,白色是指2015年与2017年对应月份VTEC周日平均值的差值,灰色是2012与2015年对应月份VTEC周日平均值的差值。图6是每年每个月VTEC周日最大值,黑色柱状表示2017年每个月VTEC周日最大值,白色是指2015年与2017年对应月份VTEC周日最大值的差值,灰色是2012与2015年对应月份VTEC周日最大值的差值。

分析图4,电离层VTEC从2012年、2015年到2017年总体呈现变小的趋势,同时都在10时左右出现转折,2012年由于太阳活动处于高峰年,电离层VTEC的全天起伏变化比较大,而2015年是过渡年,因此2015年相比2012年变化幅度减小,但夜间还是有变化,到了2017年太阳活动处于低年,该年夜间VTEC基本趋于一个常数,白天VTEC变化接近于正弦函数正的部分,周日变化规律明显。由图5和图6可以看出,COR1三年的VTEC月平均值和月最大值都在春季和秋季出现了两个峰值,夏季和冬季相对较小,有明显的季节性变化规律。

2.2 空间变化规律

为了研究电离层VTEC的空间变化规律,选择了经度相差不超过1°,在纬度分布较为均匀的COR1、BRMU、UNBJ和QIKI四个IGS站。分别计算了2012年和2017年两年的每个月的VTEC值,如图7和图8所示。

根据计算出每月的VTEC值,统计四个站所有月份的VTEC周日平均值,其中2012年四个站的月平均VTEC值如图9所示,2017年四个站的月平均VTEC值如图10所示。由于2012年和2017年太阳活动情况不一样,因此将四个站两年的每月VTEC平均值做差,结果如图11所示。

由于COR1、BRMU、UNBJ和QIKI四个IGS站基本上属于同一经度,所以由图7和图8可以看出VTEC周日变化在11时之前变化较为平缓,11时之后变化较大,在18时左右VTEC值达到最大,所有站的每个月VTEC周日变化趋势基本一致,具有明显的单峰效应。又因为四个站的纬度从左到右依次增大,从图7和图8中可以看出,同一年四个站的VTEC从左到右依次呈现出减小趋势。分析图9和图10,比较四个站同一年中对应的每个月份的月平均VTEC值,COR1站的月平均VTEC值最大,其次是BRMU站,接着是UNBJ站,QIKI站的月平均VTEC值最小,可以很明显地得出电离层VTEC随着纬度的增大而减小。图11示出了2012年和2017年各站对应的月平均VTEC值的差值,由图11看出COR1、BRMU、UNBJ和QIKI四个站的月平均VTEC的差值整体上是减小的趋势,因此可得不同年份电离层VTEC的变化幅度随纬度的增大而减小。