張曉雪，鄒玉華

(桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林　541004)

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桂林實(shí)測(cè)VTEC與IRI模型VTEC的比較

張曉雪，鄒玉華

(桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林541004)

為了研究桂林(地理坐標(biāo)25.29°N，110.33°E，地磁坐標(biāo)15.04°N，181.98°E)電離層的垂直總電子含量(VTEC)變化特征，利用桂林的電離層閃爍與TEC監(jiān)測(cè)儀2014年3-4月的雙頻GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到了VTEC，并與國(guó)際參考電離層(IRI)模型估算的VTEC進(jìn)行比較。結(jié)果表明，IRI模型估算結(jié)果與實(shí)測(cè)VTEC相差較大。IRI模型VTEC的日變化比較平緩，實(shí)測(cè)VTEC的日變化較劇烈；與IRI模型VTEC相比，實(shí)測(cè)VTEC的日峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后1～3 h；實(shí)測(cè)VTEC的日峰值比IRI模型VTEC的日峰值高約40 TECU。

桂林；VTEC；IRI模型

電離層總電子含量(total electron content，簡(jiǎn)稱TEC)是電離層電子密度沿衛(wèi)星至接收機(jī)傳播路徑上的積分。采用電離層薄層模型(把電離層中的帶電粒子看成集中分布在與地球同心的一薄層內(nèi))，則可由TEC得到衛(wèi)星信號(hào)穿刺點(diǎn)(衛(wèi)星至接收機(jī)傳播路徑與電離層薄層的交點(diǎn))上的垂直TEC(vertical total electron content，簡(jiǎn)稱VTEC)，VTEC是描述電離層特征的重要參量。監(jiān)測(cè)VTEC的時(shí)空變化規(guī)律對(duì)于電離層物理研究、太陽活動(dòng)監(jiān)測(cè)、空間環(huán)境天氣預(yù)報(bào)、地震預(yù)報(bào)研究等具有重要意義。目前，監(jiān)測(cè)VTEC的時(shí)空變化規(guī)律主要利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，簡(jiǎn)稱GNSS)的地基信標(biāo)觀測(cè)。

基于多年的地基和衛(wèi)星觀測(cè)，國(guó)內(nèi)外研究人員已建立了一些經(jīng)典的電離層模型，其中應(yīng)用最廣泛的是國(guó)際參考電離層(international reference ionosphere，簡(jiǎn)稱IRI)模型。IRI模型自從1978年提出后不斷得到改進(jìn)和更新，目前已經(jīng)更新至2012版[1]。在中緯地區(qū)，IRI模型估算的VTEC比較準(zhǔn)確[2-3]，但在赤道地區(qū)和低緯地區(qū)，研究人員發(fā)現(xiàn)IRI模型估算的VTEC與實(shí)測(cè)VTEC相差較大[4-8]。

桂林(地理坐標(biāo)25.29°N，110.33°E地磁坐標(biāo)15.04°N，181.98°E)處于電離層赤道異常區(qū)的北峰附近。為了研究桂林的電離層VTEC變化特征，利用布設(shè)在桂林的電離層閃爍與TEC監(jiān)測(cè)儀2014年3-4月的雙頻GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到了桂林上空的VTEC序列，并與IRI模型估算的桂林VTEC進(jìn)行了比較。

1　數(shù)據(jù)處理方法

桂林的電離層閃爍與TEC監(jiān)測(cè)儀由武漢大學(xué)研制，具有72個(gè)接收通道，可同時(shí)接收14顆GPS衛(wèi)星和12顆GLONASS衛(wèi)星的L1/L2雙頻信號(hào)，提供1 Hz采樣率的雙頻偽距、雙頻載波相位、衛(wèi)星仰角和方位角等觀測(cè)數(shù)據(jù)。

通常情況下，30 s內(nèi)GNSS衛(wèi)星至地面接收機(jī)的射線路徑變化很小，因此，只分析電離層閃爍與TEC監(jiān)測(cè)儀提供的時(shí)間采樣間隔為30 s的雙頻偽距、雙頻載波相位和衛(wèi)星仰角觀測(cè)數(shù)據(jù)。由于低仰角GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)易受多路徑效應(yīng)影響，只分析仰角大于25°的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)。

利用雙頻偽距觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算絕對(duì)TEC(TECA)φTECA和雙頻載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算相對(duì)TEC(TECR)φTECR公式如下：

(1)

(2)

其中：f1、f2為GNSS衛(wèi)星的2個(gè)載波頻率；P1、P2為偽距；L1、L2為載波相位；λ1、λ2為波長(zhǎng)。對(duì)于GPS衛(wèi)星，f1=1575.42 MHz，f2=1227.60 MHz。對(duì)于GLONASS衛(wèi)星，f1=1602+0.562 5n，f2=1246+0.437 5n，n為GLONASS衛(wèi)星的頻道號(hào)，其值為-7，-6，…，-1，0，1，…，6。

由于載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)存在整周模糊度問題，由式(2)得到的相對(duì)TEC是一個(gè)相對(duì)值，含有一未知初值，但其精度比絕對(duì)TEC高[9]。為此，利用最小二乘法，采用相對(duì)TEC數(shù)據(jù)和絕對(duì)TEC數(shù)據(jù)“對(duì)齊”的方法，獲得沿GNSS衛(wèi)星至接收機(jī)斜路徑上的斜TEC(slant TEC，簡(jiǎn)稱STEC)。需注意的是，STEC數(shù)據(jù)包含了GNSS衛(wèi)星和接收機(jī)的差分儀器偏差(簡(jiǎn)稱儀器偏差)的影響。

采用電離層薄層模型(圖1)，設(shè)點(diǎn)P為衛(wèi)星信號(hào)穿刺點(diǎn)，S為GNSS衛(wèi)星，R為接收機(jī)。利用式(3)～(5)將STEC轉(zhuǎn)化為GNSS衛(wèi)星信號(hào)穿刺點(diǎn)上的VTEC。

(3)

(4)

(5)

其中：i為衛(wèi)星號(hào)；k為時(shí)間序列；b為接收機(jī)儀器偏差；bi為衛(wèi)星i的儀器偏差；Mi,k為電離層薄層模型的映射函數(shù)；γ為衛(wèi)星信號(hào)穿刺點(diǎn)的天頂角；Re為地球半徑，其值為6371 km；h為電離層薄層距地面的高度，其值為350 km；ε為衛(wèi)星仰角。

圖1　GNSS衛(wèi)星至地面接收機(jī)的射線路徑Fig.1　Ray path for GNSS signals from satellite to ground-based receiver

絕大多數(shù)情況下，每2 min內(nèi)桂林的電離層閃爍與TEC監(jiān)測(cè)儀能觀測(cè)到至少2顆仰角大于45°的GNSS衛(wèi)星(指GPS和GLONASS衛(wèi)星)。因此，利用仰角大于45°的STEC數(shù)據(jù)計(jì)算桂林上空的VTEC序列，將VTEC的時(shí)間分辨率取為2 min，即每天待求的VTEC為720個(gè)。求單站上空的VTEC時(shí)，通常認(rèn)為24 h內(nèi)接收機(jī)儀器偏差和衛(wèi)星儀器偏差是不變的[10]。由于僅利用了桂林的電離層閃爍與TEC監(jiān)測(cè)儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)，且2014年3-4月期間該監(jiān)測(cè)儀每天只觀測(cè)到54顆GNSS衛(wèi)星，每天待求的參數(shù)還包括接收機(jī)儀器偏差b和衛(wèi)星儀器偏差bi(i=1，2，…，54)，可將每天的接收機(jī)儀器偏差b與衛(wèi)星儀器偏差bi合并(相加)計(jì)算。為了簡(jiǎn)化公式，用bi表示衛(wèi)星i合并后的儀器偏差，即該衛(wèi)星的儀器偏差與接收機(jī)儀器偏差之和。式(3)可改寫為：

(6)

利用24 h內(nèi)所有仰角大于45°的STEC數(shù)據(jù)，由式(6)可得到矩陣表示式

d=AX。

其中：d為列矢量，其元素是φSTEC,i,k；X為列矢量，由720個(gè)待求的VTEC和54個(gè)衛(wèi)星儀器偏差bi組成，即X=(φVTEC,1，φVTEC,2，…，φVTEC,720，b1，b2，…，b54)T；A為二維矩陣，在A每一個(gè)行向量中，與待求參數(shù)φVTEC,k和bi對(duì)應(yīng)的元素分別為Mi,k和1，其他元素均為0。

采用基于行作用技術(shù)的代數(shù)重建法[11]求列矢量X，得到24 h內(nèi)時(shí)間分辨率為2 min的VTEC序列。

2　實(shí)測(cè)VTEC與IRI模型VTEC的比較

利用2014年3-4月的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析桂林上空的VTEC變化特征。需注意的是，2014年是太陽活動(dòng)高年，3-4月期間每天的太陽活動(dòng)指數(shù)F10.7為119.6～185.2。

將IRI模型2012版(網(wǎng)址為：http://omniweb.gsfc.nasa.gov/vitmo/iri2012_vitmo.html)估算的桂林上空VTEC(簡(jiǎn)稱VTEC-IRI2012)與VTEC-GNSS進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)VTEC-IRI2012與VTEC-GNSS相差較大。

圖2為2014-03-05、2014-03-18、2014-04-14和2014-04-29的VTEC-GNSS、VTEC-IRI2012和Nm,F2隨世界時(shí)UT的變化。采用地方時(shí)LT為UT加8 h。從圖2可看出，VTEC-GNSS與Nm,F2隨時(shí)間變化的趨勢(shì)比較一致，但VTEC-IRI2012與VTEC-GNSS相差較大。VTEC-GNSS與VTEC-IRI2012都表現(xiàn)出典型的日變化特征，即白天值較高，夜間值較低。然而，VTEC-GNSS日變化比較劇烈，而VTEC-IRI2012日變化較平緩。VTEC-IRI2012在UT6：30(LT14：30)左右達(dá)到日峰值，而VTEC-GNSS日峰值出現(xiàn)時(shí)間常滯后1～3 h。VTEC-GNSS日峰值比VTEC-IRI2012日峰值平均高約40 TECU(1 TECU=1016el/m2)。UT15-UT22期間，VTEC-GNSS的數(shù)值先小幅上升，隨后逐漸下降。然而，UT15-UT22期間VTEC-IRI2012的數(shù)值始終呈下降趨勢(shì)。

圖2　2014-03-05、2014-03-18、2014-04-14和2014-04-29 VTEC-GNSS、VTEC-IRI2012和Nm,F2隨世界時(shí)的變化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

圖3為2014-04-10-2014-04-14期間VTEC-GNSS和VTEC-IRI2012隨UT變化的曲線。從圖3可看出，VTEC-GNSS日峰值變化較大，而IRI模型估算的VTEC日峰值幾乎無變化。

圖3　2014-04-10-2014-04-14期間VTEC-GNSS和 VTEC-IRI2012隨世界時(shí)的變化Fig.3　The variations of VTEC-GNSS and VTEC-IRI2012 as UT from 10 April to 14 April in 2014

3　結(jié)束語

利用2014年3-4月桂林的雙頻GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到了桂林上空的VTEC序列，根據(jù)距桂林最近的邵陽市電離層垂測(cè)儀提供的f0,F2得到了Nm,F2序列。計(jì)算得到的VTEC與Nm,F2隨時(shí)間變化的趨勢(shì)比較一致，說明桂林實(shí)測(cè)VTEC是合理的。將桂林實(shí)測(cè)VTEC與IRI模型估算結(jié)果進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，兩者相差較大。這表明，IRI模型無法描述位于電離層赤道異常區(qū)的桂林的VTEC變化特征。為了研究桂林的VTEC變化特征，需研究分析長(zhǎng)期的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

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編輯：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

國(guó)家自然科學(xué)基金(41464005)；廣西自然科學(xué)基金(2014GXNSFAA118374)

鄒玉華(1976-)，女，廣西桂林人，教授，博士，研究方向?yàn)殡姴▊鞑ヅc電離層物理。E-mail:yhzou@guet.edu.cn

P352.7

A

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

引文格式： 張曉雪，鄒玉華.桂林實(shí)測(cè)VTEC與IRI模型VTEC的比較[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(3):240-243.