2018年8月磁暴期间北斗GEO卫星电离层TEC时空变化分析

汤 俊,高 鑫,2,李垠健,钟正宇

1.华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013;2.武汉大学测绘学院,湖北 武汉 430079

电离层作为日地空间环境的重要组成部分，是地球高空大气层中的电离区域，主要分布在地面上约60～1000 km的范围内。研究表明，电离层产生的异常扰动会对无线电通信系统、卫星导航定位系统、雷达探测系统等电波信号的传播产生重要的影响[1]。尤其在受到太阳活动、地磁活动等的激励下，电离层形态结构会产生剧烈的变化，因此对电离层进行长期监测有助于对其时空变化的了解及进行精确建模。电离层总电子含量(total electron content,TEC)是描述电离层特征的一个重要参量，对于全球导航卫星系统(GNSS)用户来说，由于卫星信号穿越整个电离层，可以将电离层假想为一个距离地面一定高度的单层模型(single layer model,SLM)。星站连线与单层模型形成的交点为电离层穿刺点(ionosphere pierce point,IPP)，通过计算穿刺点处的TEC可以反映电离层的变化[2]。文献[3—6]利用全球定位系统(GPS)卫星观测值进行电离层的监测及建模研究，有效地分析了在不同空间环境变化下电离层所表现出的特征。文献[7]利用全球电离层格网图(global ionospheric maps,GIM)提供的电离层TEC分析了平静期与磁暴期间电离层TEC表现出的日变化、季节性变化、半年变化、年变化等周期性特点。但是由于GPS卫星与地面测站形成的电离层穿刺点同时在时间和空间上产生变化，因此不能通过观测数据直接给出固定穿刺点处电离层TEC随时间的变化规律，只能通过建模或者数学插值的方法给出穿刺点处的电离层TEC值，该方法必然会引入一定数学误差[8]。随着中国北斗卫星导航系统(BDS)的迅速发展，北斗星座中地球同步轨道卫星(geostationary earth orbit,GEO)独特的静地特性引起了诸多学者的兴趣。由于GEO卫星与地面测站形成的电离层穿刺点位置基本保持不变，在穿刺点处的TEC值仅随时间变化[9]，因此利用GEO卫星的观测数据可对固定穿刺点处电离层TEC的变化规律进行连续监测。文献[10]首次利用北斗GEO卫星观测值研究了在2015年3月的特大磁暴期间电离层TEC的响应特征。文献[11]利用北斗GEO卫星双频观测值验证了B1/B2码观测值提取电离层TEC有着更高的精度。文献[12]选取亚太地区20多个测站的GEO卫星观测值分析了电离层TEC在半年及全年的长时间尺度上的周期性变化规律。

综合以上研究成果，本文将利用北斗GEO卫星进行磁暴期间电离层TEC的连续变化监测，并进一步分析在磁暴期间电离层TEC暴时扰动响应特征在经纬度方向上的时空变化规律。同时引入全球电离层格网图GIM提供的TEC作为试验对比，分析GEO卫星实测电离层TEC值精度。

1 电离层TEC提取方法

本文利用非差非组合PPP算法进行电离层延迟项的解算。文献[13]提出一种基于GPS双频原始观测值的PPP算法。该算法相比于传统PPP算法存在诸多优势，不仅有效地避免了观测方程组合过程中产生较大的观测噪声和多路径效应的问题，同时将电离层延迟项作为未知参数解算出来，进一步提高了计算效率，拓宽了PPP技术的应用范围[13,27]。其后诸多学者也对非组合PPP算法的性能进行了进一步研究验证，文献[14]选取10个IGS测站的双频观测数据，比较了非组合PPP和组合PPP算法的定位精度与收敛速度。试验结果表明非组合PPP算法的定位精度及收敛速度均优于传统算法。文献[15]进一步联合多系统观测值数据，建立了基于多系统观测值的非组合PPP模型，试验结果表明，非组合PPP算法不仅具备更高的定位精度，同时也为电离层监测及建模研究提供了新的应用技术。

本文结合非组合PPP算法原理，解算得到北斗GEO卫星观测数据方程组中的电离层斜延迟项，原始双频伪距及相位观测方程如式(1)所示

(1)

由式(1)得到的电离层延迟项可表示为

(2)

由式(2)可以看出，非组合PPP方法提取的电离层斜延迟是吸收了卫星及接收机差分码偏差(differential code biases,DCB)后的值，因此需要进一步将实际的电离层斜延迟与DCB值进行分离[16]。本文通过引入中国科学院(CAS)提供的DCB产品值将非组合PPP算法解算的电离层延迟项中的DCB偏差值剔除出去，进而得到的实际的电离层延迟，最后基于电离层薄层假设模型得到最终的电离层垂直TEC值，具体如式(3)所示

(3)

式中，z为卫星的高度角，单位为rad；R为地球半径，单位为km，一般取6371 km；H为电离层薄层高度，单位为km，本文取值为450 km；

为了量化磁暴期间电离层TEC表现出的暴时响应特征，本文引入一种相对TEC扰动指数(relative TEC,rTEC)[21-22]，具体如式(4)所示

(4)

2 试验结果与讨论

本文主要选取亚太地区2018年8月21日—2018年8月28日20多个MGEX测站的北斗卫星观测值进行磁暴期间电离层TEC的时空变化分析，MGEX测站及北斗GEO卫星分布如图1所示。由图1可以看出，北斗GEO卫星均匀地分布在赤道上空，经度范围为60°E—160°E，由于GEO卫星的静地特性，使得其在地球表面的投影位置固定不变。MGEX测站分布主要集中在亚太区域中、低纬度范围内，本文研究重点为该区域内电离层TEC在2018年8月磁暴期间所表现出的不同经度、纬度方向的变化规律，并进一步分析此次磁暴期间电离层TEC的暴时响应特征。

图1 MGEX测站及GEO卫星分布Fig.1 Locations of MGEX stations and GEO satellites

2.1 GEO卫星电离层TEC精度验证

为了验证通过非组合PPP提取的北斗GEO卫星电离层TEC的精度，本文引入全球电离层格网图GIM模型作为试验对比。图2为8月21日—8月28日测站PTGG不同GEO卫星TEC序列与GIM模型值对比图。由图2可知，测站PTGG在该观测时段内共接收到4颗GEO卫星的观测信号。测站与卫星形成的不同电离层穿刺点的地理纬度几乎保持一致，数值均为13.0°N，穿刺点地理经度以一定间隔依次排列，数值分别为116.7°E(C02)、119.9°E(C03)、123.1°E(C01)、125.7°E(C04)。电离层穿刺点的空间位置表明利用GEO卫星可以监测固定经纬度处电离层TEC的连续变化规律。图3为8月21日—8月28日不同测站GEO卫星TEC序列与GIM模型值对比图。由图3可知，GEO卫星得到的TEC变化趋势与GIM模型整体保持一致，但是在26、27日两天的TEC值却出现较大的差异，其中测站GMSD、JFNG、DARW在26日得到的TEC与GIM模型相比数值差异最大达到近10 TECU，同样在27日测站JFNG、CIBG得到的TEC与GIM模型相比数值差异达到6～8 TECU。由于GEO卫星获取的TEC为实测值，因此理论上的精度较GIM模型更高；与GIM模型得到的平滑值相比，GEO卫星提取的TEC虽然变化趋势整体与GIM一致，但是GEO TEC变化更加细微，更有助于进行电离层高分辨率的扰动变化分析。对于同一测站不同GEO卫星的TEC整体变化趋势较为稳定且一致，本文认为由于同一测站与不同GEO卫星形成的穿刺点空间上较为接近，并且纬度方向上无明显差异，因此观测得到的TEC无明显差异。图3选取的不同测站与GEO卫星形成的电离层穿刺点空间位置差异明显，观测得到的TEC变化趋势也不尽相同，该现象表明电离层TEC在不同经纬度方向有着明显的变化差异。

图2 测站PTGG不同GEO卫星TEC与GIM值对比Fig.2 TEC comparison between different GEO satellites of station PTGG and GIM model

图3 不同测站GEO卫星TEC与GIM值对比Fig.3 TEC comparison between GEO satellites of different stations and GIM model

通过以上试验对比可以看出，GEO卫星提取的TEC变化趋势与GIM模型一致，且电离层穿刺点的准固定不变，使得GEO卫星更有利于监测电离层的连续变化。实测得到的TEC值有助于对电离层进行细微扰动变化的研究，为此在下文的试验中，主要研究利用GEO卫星进行磁暴期间电离层TEC时空变化规律及扰动响应的分析。

2.2 磁暴期间GEO卫星电离层TEC时空变化规律

磁暴是一种由地球磁场产生异常变化而引起的带电粒子剧烈扰动的现象，主要受太阳风所携带的能量与地磁场相互作用的影响而进一步激励电离层发生异常扰动[17]。本文采用行星际磁场南向分量IMF-Bz、赤道环电流指数Dst、全球地磁指数Kp等指标分析在磁暴发生时地磁空间环境表现出的特征，典型的磁暴发展过程通常可分为3个阶段：初相、主相和恢复相[18]。图4展示了2018年8月21日—2018年8月28日IMF-Bz、Dst、Kp等指数变化的趋势。由图4可知，在8月25日之前，3类指数变化趋势稳定，数值分别保持在-5～5 nT(IMF-Bz)、-10～5 nT(Dst)、0～2(Kp)的量级范围内；从8月25日UT 06∶00开始(磁暴急始，SSC)，Dst指数突然开始正向增大，增加到19 nT后进入初相阶段，持续时长为10个小时；从UT 17∶00开始，Dst指数突然急剧下降磁暴进入主相阶段，最低值出现在8月26日UT 07∶00，数值达到-174 nT，同时对应的地磁指数Kp数值达到了7.3，磁暴量级达到了特大水平；而后Dst指数开始逐渐恢复，磁暴过程进入恢复相阶段，至8月28日变为正常水平。对于行星磁场IMF-Bz分量，与其他两类地磁指数变化具有一致性，在8月25日UT 14∶00开始突然向南转向，幅度达到了27.8 nT，最低值出现在8月26日UT 6∶00时，数值达到了-16.8 nT。以上现象表明在行星际磁场向南转向后，太阳风携带的能量沿着行星际磁场南向分量传输并积累至地球磁层，当累计能量过大时，产生了此次磁暴事件。

图4 8月21日—8月28日IMF Bz指数、Dst指数及Kp指数变化趋势Fig.4 Temporal variations of IMF Bz,Dst and Kp indexes on 21 to 28 August

为分析磁暴期间电离层TEC纬度方向的变化规律，本文选取GEO卫星C01、C03两颗卫星的观测值进行展示。图5为C03卫星与不同测站解算得到的TEC变化趋势，该研究区域纬度范围为27.2°N—28.5°N，经度范围为100.5°E—115.9°E。由图5可知，选取的7个测站与GEO卫星形成的穿刺点位置在纬度方向上较为均匀的间隔排列。在8月26日磁暴发生前的平静期内7个测站解算得到的电离层TEC变化趋势较为平稳，未出现异常的扰动变化。在纬度方向上，测站HKSL及CIBG的TEC数值较大，最大值达到了30 TECU左右。测站MRO1及CUT0的TEC数值较小，平静期内变化范围在10～15 TECU左右；在26日发生磁暴后，受其激励影响7个测站观测到的TEC数值均显著增大，测站HKSL及CIBG的TEC最大值接近60～70 TECU，其次为测站JFNG、CPNM、ANMG，其中测站ANMG最大值达到了35 TECU。虽然测站MRO1及CUT0的TEC最大值在磁暴期间与其他测站相比较小，数值为20 TECU左右，但横向与其在平静期相比，TEC的数值增量为5～7 TEC；磁暴进入恢复相阶段后，测站JFNG、MRO1、CUT0的TEC数值逐渐减小并恢复至平稳状态，而测站CPNM、ANMG、CIBG的TEC数值并未减小，最大值保持在30 TECU以上。

图5 C03卫星不同穿刺点TEC变化趋势Fig.5 TEC variations of different IPPs from C03 satellite

考虑到不同纬度处的电离层TEC背景值变化范围不同，且由图5结果可以看出，电离层TEC在不同位置处的日变化差异明显，因此本文引入TEC扰动指数剔除电离层背景值的影响，进一步分析在此次磁暴发生时不同纬度上电离层TEC表现出的扰动响应特征。图6为南北纬度差异在50°范围内的5个测站C03卫星解算得到的电离层TEC扰动指数变化图，其中红色区域为TEC扰动指数、黑色虚线为电离层正负响应扰动界限、黑色阴影为磁暴主相阶段持续时间。由图6可知，在8月25日磁暴进入主相阶段后，北半球测站JFNG、HKSL、CPNM并未立即对磁暴产生响应，而是在经历约9 h后逐渐产生了正扰动响应，响应强度在主相阶段结束时达到最大，3个测站正响应持续的时间分别达到了约10、8、7 h。与北半球测站不同的是，南半球测站CIBG、MRO1在磁暴进入主相阶段后，经历约5 h后便对此次磁暴产生了正扰动响应，持续时间也同样达到了近10 h。图6中接近赤道地区的两个测站CPNM、CIBG表现出的响应特征与较高纬度测站有着明显不同的特征，其中测站CPNM的扰动指数在磁暴进入恢复相阶段后，先是产生了持续约9 h的负响应扰动，而后立即出现了与负响应强度相当的约20 h的正响应扰动；而测站CIBG的扰动指数在进入恢复相阶段后，产生了持续时间长达2 d的正响应扰动，且扰动强度较其余测站均更大。

图6 不同测站C03卫星电离层TEC扰动指数变化Fig.6 Variations of ionospheric TEC disturbance index from different stations with C03 satellite

图7为C01卫星与不同测站解算得到的TEC变化图，该研究区域纬度范围为31.6°N—28.3°S，经度范围为122.4°E—146.6°E。由图7可知，在平静期内测站NCKU、PTGG、PNGM的TEC数值变化较大，最大值接近30 TECU左右，其余5个测站的TEC值在平静期的变化十分平稳，数值范围在10～20 TECU且无明显的数值扰动变化；从8月25日磁暴发生后，各个测站观测得到的TEC数值均显著增大，其中测站NCKU、PTGG、DARW的TEC最大值达到了近45 TECU，其次为测站GAMG、GMSD、PNGM、ALIC，其中测站ALIC的TEC最大值约为35 TECU；测站CEDU的TEC变化相比其他测站较为特殊，可以看到在磁暴发生时该测站的TEC最大值为20 TECU，该值与在平静期间的TEC最大值相当，因此可以得到磁暴的发生对测站CEDU所在的电离层区域未产生明显的激励效果，该区域电离层保持平稳状态；磁暴进入恢复相阶段后，测站NCKU及PTGG的TEC数值较其他测站并未显著减小进入平静状态，最大值依旧维持在40 TECU左右，其余测站的TEC则逐渐减小，恢复到磁暴前的水平。

图7 C01卫星不同穿刺点TEC变化趋势Fig.7 TEC variations of different IPPs from C01 satellite

为分析图7中测站所在区域磁暴期间电离层TEC表现出的扰动响应特征，图8同样选取南北纬度差异在50°范围内的5个测站C01卫星解算得到的电离层TEC扰动指数进行分析，图中各标记元素与图6相同。由图8可知，在磁暴进入主相阶段6～9 h后，测站GAMG、DARW、ALIC均对此次磁暴产生了正响应扰动，正响应扰动持续时间分别约为9、22、15 h，可以看到在该区域内电离层TEC在北半球低纬度的扰动响应持续时间较长、强度略大；此后磁暴进入恢复阶段，3个测站所在区域均未产生扰动响应，电离层逐渐进入平稳状态。测站NCKU、PTGG的扰动指数变化较为特别，其中测站NCKU由于主相阶段数据的缺失，只能对其进行恢复相阶段的分析，在磁暴结束后的恢复相阶段，测站NCKU产生了两次强度接近且持续时间约为9～10 h的正响应扰动；而测站PTGG在磁暴进入主相阶段后，并未对其产生任何的响应。反而在恢复相阶段，先是产生了持续时间约为6 h的负响应扰动，经历短暂的平静状态后，产生了长达1.5 d的正响应扰动且强度较其他测站更大。

由图5、图7的试验结果可以发现，在平静期内不同区域的电离层TEC变化较为平稳，且不同观测日的TEC幅值变化平稳，但是部分赤道区域的电离层TEC在平静期也会出现程度较小的扰动；在磁暴发生的主相阶段，不同纬度区域的电离层TEC数值均会发生显著的增大，其中北半球及赤道区域的增大最为明显，增幅达到了25 TECU左右。结合图6、图8电离层TEC扰动响应特征可以看出，较高纬度区域的电离层TEC扰动指数变化较为规律，在磁暴进入主相阶段后电离层TEC主要表现出正响应扰动特征，且扰动强度及持续时间均差异不大；磁暴进入恢复相阶段后，以上区域电离层TEC均未发生任何的响应扰动。然而，在地理纬度20°N—10°S范围内，磁暴进入恢复相阶段后电离层TEC数值并未立即减小进入平稳状态，而是保持与主相阶段接近的TEC幅值近1～1.5 d后才逐渐减小。从扰动响应的特征也可以发现该区域内的电离层TEC在磁暴恢复相阶段产生了不同程度的正、负响应扰动，且持续时间较高纬度区域更长。对于2018年8月发生的磁暴已有学者对其进行了研究，文献[20]利用印度及周边区域多个测站的GPS卫星TEC分析了此次磁暴期间电离层TEC的响应特征，试验结果表明印度及周边区域电离层在此次磁暴期间主要表现为正响应扰动，主相阶段及恢复相阶段的正响应扰动主要受到低纬度东向穿透电场及热层中性成分的突然增大所导致。文献[23]分析了在2018年8月磁暴期间美洲及东太平洋区域电离层的变化特征，试验结果表明该区域电离层在此次磁暴期间表现出独特的南北非对称性，北半球产生了强度更大的电离层暴响应，而南半球强度较小，导致该现象的原因主要与高纬度等离子体密度的异常变化及热层O/N2比值的增加有关。有学者认为低纬度区域电离层在磁暴恢复相期间产生的正响应扰动主要受热层中性成分异常变化的影响导致[19,26]。结合现有研究成果，本文研究区域主要为亚太地区电离层在此次磁暴期间产生的响应特征，考虑到地理纬度20°N—10°S的范围对应的地磁纬度范围更容易产生赤道电离异常(equatorial ionization anomaly,EIA)现象[24]的发生，同时快速穿透电场是激发赤道电离异常的主要因素[25]，因此本文认为此次磁暴主相及恢复相期间亚太区域电离层产生的异常响应特征，主要受东向快速穿透电场引发的赤道电离异常及热层中性成分变化共同影响所导致。

图8 不同测站C01卫星电离层TEC扰动指数变化Fig.8 Variations of ionospheric TEC disturbance index from different stations with C01 satellite

为进一步研究利用GEO卫星监测磁暴期间电离层TEC在经度方向的变化规律及响应特征，本文选取南北半球纬度接近的6个测站分析电离层TEC在磁暴期间经度方向上的变化特征。图9为北半球选取的3个测站不同位置处的TEC变化图，选取区域的纬度范围为27.1°N—31.6°N，经度范围为110.7°E—134.6°E。由图9可知，同一个测站与不同GEO卫星形成的电离层穿刺点与先前分析的结论一致，不同穿刺点的纬度几乎保持不变，而经度以一定间隔均匀排列。在磁暴发生前的平静期内，不同位置处的电离层TEC变化趋势整体保持一致，经度方向上的TEC数值差异较纬度方向更小，但是在8月22日当测站JFNG与GMSD电离层穿刺点经度间隔达到24°时，TEC数值差异达到了6～8 TECU；且在世界时夜间，经度间隔较为接近的两个测站GAMG、GMSD得到的TEC在数值上差异也达到了近5 TECU。在25日磁暴发生进入主相阶段后，不同位置处TEC均产生明显的增大，数值达到了35 TECU左右，且经度间隔较大的测站TEC峰值差异较小。磁暴进入恢复相阶段后，不同位置电离层TEC均逐渐减小，恢复到平稳状态，但是在28日测站JFNG与GAMG的TEC数值差异达到了近10 TECU。

图9 北半球区域不同测站GEO卫星TEC变化Fig.9 GEO TEC longitude variations of different stations in the northern hemisphere

图10为南半球区域选取的3个测站不同位置处的TEC变化图，选取区域的纬度范围为21.1°S—23.8°S，经度范围为112.6°E—147.2°E。由图10可知，整个磁暴过程不同穿刺点处TEC的整体变化趋势保持一致，且TEC极值出现的时刻接近。但是在个别TEC日变化上，不同穿刺点TEC变化差异明显，其中在磁暴发生前的平静期内测站ALIC与其余两个测站的TEC数值差异便达到了5 TECU，经度间隔最大达到了22.4°；而后在磁暴进入主相阶段后，不同穿刺点TEC均显著增大，最大值接近35 TECU，但是TEC的峰值差异较小。以上试验结果表明，电离层TEC在经度方向上的差异相比纬度方向较小，当经度间隔大于15°～20°时电离层TEC会出现数值在5～8 TECU的差异性，在整体变化趋势上不同经度间隔处的TEC基本保持一致。

图10 南半球区域不同测站GEO卫星TEC变化Fig.10 GEO TEC longitude variations of different stations in southern hemisphere

为了分析磁暴期间电离层TEC在经度方向上的扰动响应特征，图11为北半球不同测站GEO卫星TEC扰动指数变化图。由图11可知，在磁暴进入主相阶段后，不同穿刺点处TEC扰动指数并未立即对磁暴做出响应，而是在滞后约9～10 h后均产生了持续时间在9～15 h的正响应扰动，且扰动响应强度在0.8～1之间。而后在磁暴进入恢复相阶段后，不同区域电离层TEC均未产生任何的扰动响应。图12为南半球不同测站GEO卫星TEC扰动指数变化图。由图12可知，在磁暴进入主相阶段5～7 h后，不同穿刺点处TEC扰动指数均产生了持续时间约为9～15 h的正响应扰动，扰动强度与北半球一致；而后磁暴进入恢复相阶段，不同位置电离层TEC均未产生任何的扰动响应。从以上试验结果可以发现，此次磁暴期间南北半球电离层TEC主要表现为正响应扰动，且在经度方向上的扰动响应特征差异较小。不同的是南半球电离层TEC产生正响应扰动的起始时刻较北半球约早3 h。并且在较高纬度区域电离层TEC在磁暴进入恢复相阶段后均未产生扰动响应。

图11 北半球区域不同穿刺点TEC扰动指数变化Fig.11 Variations of TEC disturbance index from different IPPs in the northern hemisphere

图12 南半球区域不同穿刺点TEC扰动指数变化Fig.12 Variations of TEC disturbance index from different IPPs in southern hemisphere

3 结 论

本文利用北斗GEO卫星观测值提取亚太区域电离层TEC，并在此基础上分析2018年8月磁暴期间电离层TEC时空变化规律及扰动响应特征，并将实测TEC值与全球电离层格网图GIM模型值进行对比，试验结果表明：①GEO卫星提取得到的TEC与GIM模型值变化趋势保持一致，并且可以更为有效地监测电离层TEC的细微扰动变化；②此次磁暴期间电离层TEC在纬度方向上的变化差异明显，其中赤道及北半球低纬度区域电离层TEC数值较大，南半球低纬区域TEC数值较小；③此次磁暴期间电离层TEC在经度方向上的变化差异较纬度方向较小，但是当穿刺点经度间隔大于15°～20°的经度带时，TEC数值差异达到了5～8 TECU；④在电离层暴时响应特征上不同纬度处也出现了十分明显的差异，当磁暴进入主相阶段后，南北半球较高纬度区域电离层TEC均产生了明显的正响应扰动，而后在磁暴恢复相阶段，该区域电离层TEC未发生任何的扰动响应。但是赤道及北半球较低纬度区域，在此次磁暴主相及恢复相阶段电离层TEC产生了持续时间更长、扰动强度更大的暴时响应特征。本文认为2018年8月磁暴主相及恢复相期间，亚太地区电离层TEC产生的扰动响应特征主要由赤道东向快速穿透电场引发的赤道电离异常及热层中性成分变化所导致。