周 榮，侯威震，曾晨曦，張紹成，柴炳陽

(1. 河南測(cè)繪職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451464; 2. 自然資源部職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心，北京 100830; 3. 中國地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

GPS掩星是一種強(qiáng)大的近地空間探測(cè)技術(shù)，以高精度、高垂直分辨率、全球覆蓋、不受地形限制等優(yōu)勢(shì)成為空間物理探測(cè)不可缺少的觀測(cè)手段[1-2]。近年來，衛(wèi)-地?cái)?shù)據(jù)融合是空間電離層的重要研究方向[3-4]，然而單顆掩星觀測(cè)事件數(shù)量和時(shí)空分辨率不足，不同掩星計(jì)劃衛(wèi)星間可能存在接收機(jī)內(nèi)部硬件設(shè)計(jì)、接收天線增益等硬件條件的不同，造成不同掩星計(jì)劃所反演的電離層產(chǎn)品精度和可靠性存在差異。此外掩星觀測(cè)誤差、數(shù)值計(jì)算誤差及反演時(shí)球?qū)ΨQ假設(shè)等一系列假設(shè)誤差[5]，也會(huì)造成同一掩星反演任務(wù)的電離層產(chǎn)品反演精度存在區(qū)域性差異，因此需要對(duì)不同掩星技術(shù)得到的電離層產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)定，驗(yàn)證GPS電離層掩星產(chǎn)品的一致性。

為了評(píng)定GPS電離層掩星的精度，很多學(xué)者利用模式及其他獨(dú)立數(shù)據(jù)源對(duì)掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證工作[6-7]。文獻(xiàn)[8]利用兩個(gè)非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)和SPIDR發(fā)布的電離層測(cè)高儀數(shù)據(jù)驗(yàn)證了掩星COSMIC反演的整個(gè)密度剖面及電離層特征參量(NmF2、hmF2)，證實(shí)了兩者之間都有較好的一致性。文獻(xiàn)[9]利用掩星COSMIC最開始發(fā)射時(shí)各COSMIC衛(wèi)星發(fā)射位置相近的優(yōu)勢(shì)，分析了FM2和FM4距離相近時(shí)兩者之間的電子密度剖面在不同高度的差值，證實(shí)了兩者具有很高的符合度。不同類型掩星與地面電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證工作已經(jīng)做了很多，但不同類型掩星反演的電離層驗(yàn)證工作目前研究較少[10]。

本文使用COSMIC、GRACE、CHAMP和FY3C的電離層電子密度剖面數(shù)據(jù)，首先根據(jù)已有的檢驗(yàn)方法及掩星電離層產(chǎn)品的基本特性對(duì)掩星電離層產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除數(shù)據(jù)中明顯存在粗差的產(chǎn)品；然后針對(duì)大量的COSMIC電離層電子密度剖面數(shù)據(jù)，分析不同COSMIC衛(wèi)星電離層產(chǎn)品之間的偏差及在不同區(qū)域和不同高度的電子密度剖面精度;最后計(jì)算不同類型掩星之間的電子密度剖面參數(shù)NmF2和hmF2之間的相關(guān)系數(shù)，驗(yàn)證不同類型掩星電離層剖面產(chǎn)品的一致性。

1 數(shù)據(jù)分析

1.1 電離層掩星數(shù)據(jù)

1995年，由美國UCAR主導(dǎo)、NSF資助的首個(gè)地球大氣掩星探測(cè)項(xiàng)目GPS/MET實(shí)驗(yàn)搭載的Microlab-1衛(wèi)星發(fā)射成功，用于接收GPS衛(wèi)星被掩時(shí)信號(hào)。試驗(yàn)結(jié)果給出了GPS/MET觀測(cè)中射線彎曲角和折射率的垂直剖面，并從中反演出電離層的電子密度和大氣的密度、壓力、溫度和水汽等剖面，論證了電離層掩星技術(shù)的可行性，激勵(lì)了后續(xù)一系列掩星衛(wèi)星的發(fā)射及算法優(yōu)化[11-12]。本文利用COSMIC、GRACE、CHAMP和FY3C 4種類型的掩星電離層數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)已有的研究對(duì)幾種類型的掩星進(jìn)行總結(jié)[13-16](見表1)，計(jì)算了不同類型掩星每天反演的電離層剖面數(shù)，如圖1所示。

表1 掩星衛(wèi)星計(jì)劃

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文使用的數(shù)據(jù)是掩星觀測(cè)得到的電離層電子密度剖面，屬于高階數(shù)據(jù)資料，可以直接應(yīng)用于電離層研究分析。但是從原始資料到高階資料的計(jì)算過程中反演算法及誤差修正無法掌握，且在GPS掩星電離層反演中，觀測(cè)值中的周跳會(huì)給電離層反演帶來較大的誤差，各分析中心的電離層反演過程中的數(shù)據(jù)處理并不完善，部分含有粗差的觀測(cè)值被用于電離層反演過程中，在電子密度剖面產(chǎn)品中引入偏差，影響電子密度剖面產(chǎn)品質(zhì)量。本文在進(jìn)行精度分析前，首先利用文獻(xiàn)[17]中提出的控制COSMIC的質(zhì)量分析方法，對(duì)COSMIC掩星數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，剔除數(shù)據(jù)質(zhì)量差的COSMIC掩星事件，將挑選過的COSMIC掩星電離層數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析。對(duì)于CHAMP、GRACE和FY3C電離層數(shù)據(jù)，目前并沒有系統(tǒng)性的方法對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量分析，本文使用電子密度剖面數(shù)據(jù)記錄中的物理量(edmaxalt)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行質(zhì)量控制。

2 掩星相關(guān)性分析

2.1 COSMIC相關(guān)性分析

利用COSMIC發(fā)射初期不同低軌衛(wèi)星同步飛行特征，對(duì)這些幾乎同時(shí)同地對(duì)同一顆GPS測(cè)量的電離層掩星反演結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析。將不同COSMIC衛(wèi)星對(duì)同一顆GPS衛(wèi)星發(fā)生的事件相隔時(shí)間差在1 min之內(nèi)、經(jīng)緯度在5°之內(nèi)定義為一組掩星對(duì)，分析掩星對(duì)在不同高度的差異，并統(tǒng)計(jì)分析掩星對(duì)的電子密度參量hmF2和NmF2之間的相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)上述劃分標(biāo)準(zhǔn)，在COSMIC發(fā)射初期(2006.121—2006.151)共有2594組掩星對(duì)，圖2給出了4組掩星對(duì)的電子密度剖面。

圖2給出了2006年年積日146 d的COSMIC2、COSMIC3、COSMIC4三顆衛(wèi)星之間的掩星對(duì)電子密度剖面，并標(biāo)出了掩星對(duì)發(fā)生的時(shí)間和位置。從圖2(a)—(d)依次給出了低緯度地區(qū)、中低緯度地區(qū)、中緯度地區(qū)和高緯度地區(qū)的掩星對(duì)事件電子密度剖面。從圖2(a)中可以看出，電子密度剖面在180、350 km處各有一個(gè)高峰，該現(xiàn)象可能是電離層分層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的F1和F2峰值，但是180 km處的小高峰電子密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于350 km處的電子密度值；電子密度在達(dá)到最大值350 km處掩星對(duì)之間的電子密度有所差異；在150～230 km之間的電子密度剖面不平滑，但是整個(gè)電子密度剖面符合得較好，電子密度之間幾乎沒有差異。圖2(b)和(c)代表了中低緯度和中緯度地區(qū)的掩星對(duì)電子密度剖面，整個(gè)電子密度剖面符合得較好，電子密度最大值出現(xiàn)的高度分別在280、240 km處，相比于圖2(a)，最大值的高度明顯下降，100 km以下掩星對(duì)電子密度剖面差別較大。圖2(d)代表了高緯度區(qū)域的電子密度剖面，掩星對(duì)的整個(gè)剖面都是不平滑的，該現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是因?yàn)楦呔暥鹊貐^(qū)的電離層變化受多種來源的影響，電子密度剖面產(chǎn)生較大抖動(dòng)，但是定義得到的掩星對(duì)在整個(gè)剖面的變化趨勢(shì)一致，掩星對(duì)之間的電子密度剖面在相同高度處符合得也很好，電子密度值差別不大。

為了更好地研究掩星對(duì)之間的電子密度偏差，本文定義了偏差計(jì)算方法，如下

(1)

式中，E1和E2分別為一組掩星對(duì)電子密度剖面在相同高度的電子密度。

本文統(tǒng)計(jì)計(jì)算2006年年積日為146 d當(dāng)天所有掩星對(duì)的電子密度偏差，并計(jì)算得到相同高度電子密度偏差均值和標(biāo)準(zhǔn)差，依據(jù)高中低緯度進(jìn)行劃分，得到不同緯度處的掩星對(duì)之間的符合結(jié)果,如圖3所示。

圖3給出的是年積日146 d掩星對(duì)之間的電子密度偏差，掩星對(duì)共261對(duì)。其中，圖3(a)表示的是當(dāng)天261對(duì)掩星對(duì)的總電子密度偏差，圖3(b)、(c)和(d)分別代表了低緯度、中緯度和高緯度的掩星對(duì)事件的電子密度偏差，圖中給出了掩星對(duì)事件個(gè)數(shù)。由圖3(a)可以看出，電子密度偏差在250 km以下和500 km以上有較大的偏差，250 km以下電子密度偏差約為0.2，500 km以上電子密度偏差較大，高度越高偏差越大，較大值能達(dá)到0.8左右。圖3(b)共103對(duì)掩星對(duì)，電子密度偏差在250 km以下差值較大，變化范圍在0.3以內(nèi)。中緯度區(qū)域發(fā)生的掩星對(duì)事件有128對(duì)，掩星電子密度偏差與圖3(a)近似一致，也是在低高度和高高度以上的偏差較大。圖3(d)表示了高緯度區(qū)域的電子密度偏差，共有30對(duì)掩星對(duì)，相比中低區(qū)域，掩星對(duì)數(shù)目較少。整個(gè)高度上，電子密度偏差都有較大的變化，高緯度區(qū)域電離層變化較為劇烈，在高度200 km以下和500 km以上變化最大。由圖3可知，電子密度偏差大的高度幾乎都出現(xiàn)在250 km以下和500 km以上，在底部和頂部有較大誤差，中間高度的電子密度偏差較小。

為了更好地分析COSMIC掩星電子密度參量，研究統(tǒng)計(jì)了COSMIC衛(wèi)星發(fā)射初期的全部掩星對(duì)，圖4繪出了2594組COSMIC掩星對(duì)之間的NmF2和hmF2之間的相關(guān)系數(shù)。

由圖4可知，COSMIC掩星對(duì)之間NmF2的相關(guān)系數(shù)為0.99，hmF2的相關(guān)系數(shù)為0.97，并且由散點(diǎn)圖可知，NmF2之間的分布較好，幾乎都在同一直線上，但hmF2的分布相對(duì)分散。NmF2的相關(guān)系數(shù)要大于hmF2的相關(guān)系數(shù)，但是兩者之間的相關(guān)關(guān)系都很好，相關(guān)系數(shù)接近1，掩星對(duì)之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。通過上述研究，掩星對(duì)之間的電子密度剖面和電子密度參量NmF2和hmF2之間的符合度都很好，即不同COSMIC衛(wèi)星之間沒有明顯的系統(tǒng)誤差，觀測(cè)數(shù)據(jù)有很好的一致性。

2.2 不同掩星產(chǎn)品相關(guān)性分析

COSMIC發(fā)射初期每天獲取的電子掩星事件約2500個(gè)，后續(xù)電子密度反演較少，如圖1所示，CHAMP、GRACE和FY3C衛(wèi)星得到的掩星剖面較少，每天約150個(gè)，研究分析不同掩星類型的相關(guān)性時(shí)采用不同類型掩星發(fā)生的掩星事件時(shí)間在5 min，經(jīng)差5°、緯差2.5°內(nèi)定義為一組掩星對(duì)。由于不同類型掩星的發(fā)射時(shí)間及觀測(cè)電離層的時(shí)間不同，在選取數(shù)據(jù)時(shí)筆者選擇了不同的時(shí)間段[18]。其中，COSMIC和CHAMP衛(wèi)星、COSMIC和GRACE衛(wèi)星采用的時(shí)間為2007年年積日059—089,共31 d的數(shù)據(jù)，COSMIC和FY3C采用2014年年積日213—243，共31 d的數(shù)據(jù)，CHAMP、GRACE和FY3C衛(wèi)星每天的掩星電離層事件較少，能夠匹配的掩星對(duì)事件較少，研究不再進(jìn)行分析。對(duì)定義得到的不同類型掩星之間的掩星對(duì)從掩星事件發(fā)生位置的差異、電子密度剖面隨高度的變化及電子密度參量NmF2和hmF2的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究。

根據(jù)上述定義的掩星對(duì)事件，共得到CHAMP和COSMIC掩星對(duì)事件130個(gè)，如圖5所示。COSMIC和CHAMP掩星對(duì)全球分布，且在定義范圍內(nèi)掩星對(duì)事件發(fā)生的位置較為一致，經(jīng)緯度之間的差異較?。浑娮用芏绕拭媸苄l(wèi)星軌道高度的影響，反演得到的電子密度剖面高度不同，但是在相同高度處兩種類型掩星電子密度剖面相當(dāng)，COSMIC掩星在最大電子密度處要大于CHAMP掩星，在100 km以下受觀測(cè)條件的影響，兩者之間的差異也較大；統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到的NmF2的相關(guān)系數(shù)為0.95，hmF2的相關(guān)系數(shù)為0.86。由散點(diǎn)圖可知，除極個(gè)別數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大差距外，其他數(shù)據(jù)分布都較為集中，掩星對(duì)的電子密度參量NmF2和hmF2具有高度相關(guān)性。

COSMIC和GRACE、COSMIC和FY3C在該時(shí)段發(fā)生的掩星對(duì)事件地點(diǎn)，電子密度剖面及電子密度特征參數(shù)如圖6和圖7所示。該結(jié)果與COSMIC和CHAMP匹配得到的掩星對(duì)結(jié)果一致，匹配得到的掩星對(duì)事件全球分布，但是數(shù)據(jù)較少，反演得到的電子密度剖面在高度變化上依賴于衛(wèi)星軌道高度，不同類型掩星反演得到的電子密度剖面整體上相關(guān)性較高，但是不同高度處的電子密度值有差異，統(tǒng)計(jì)得到的掩星對(duì)之間的電子密度參量NmF2和hmF2之間的相關(guān)系數(shù)都很高，屬于高度相關(guān)，證實(shí)了不同掩星類型反演得到的電子密度剖面具有很好的相關(guān)性。

3 結(jié) 語

本文使用COSMIC、GRACE、CHAMP和FY3C 4種不同類型的電離層掩星產(chǎn)品驗(yàn)證其剖面信息的一致性。分析結(jié)果顯示：對(duì)COSMIC 6顆衛(wèi)星進(jìn)行研究時(shí)，掩星對(duì)的電子密度剖面在不同高度之間的差異不大，電子密度剖面在整個(gè)輪廓上都有很好的一致性，計(jì)算得到的電子密度偏差總體上在250 km以下和500 km以上存在一定的偏差，250～500 km區(qū)域偏差較??；同時(shí)在不同區(qū)域，高緯度區(qū)域的電離層受多種來源的影響，得到的電子密度剖面及對(duì)應(yīng)偏差都有一定的抖動(dòng)，計(jì)算得到的電子密度參量NmF2和hmF2之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.99和0.97，具有高度相關(guān)性。不同類型掩星對(duì)電子密度剖面進(jìn)行比較時(shí)，電子密度剖面依賴于衛(wèi)星軌道高度，數(shù)據(jù)融合時(shí)要進(jìn)行考慮，電子密度剖面間都有不同差異，但是整體走向一致，得到的電子密度參量NmF2和hmF2的相關(guān)系數(shù)也具有高度相關(guān)性，不同掩星的電子密度剖面產(chǎn)品有很好的符合度。