熊雯,孙阳,刘明,於晓

(1.中国电波传播研究所,山东 青岛 266107;

基于GNSS观测的地下核试验电离层扰动研究

熊雯1,孙阳2,刘明2,於晓1

(1.中国电波传播研究所,山东 青岛 266107;

2. 96669部队610分队, 北京 100036)

地震、海啸以及核爆炸等现象都会对电离层产生影响,利用全球导航卫星系统(GNSS)可以有效地研究这些物理现象产生的电离层效应。本文利用朝鲜地下核试验期间部分IGS台站的GNSS观测数据,提取电离层倾斜总电子含量,并通过高阶差分的方法将电离层扰动进行放大,实现对核爆触发的电离层扰动事件的提取和识别。基于该方法,本文进一步提出了一种核爆检测识别的实现思路。

全球卫星导航系统;地下核试验;行进式电离层扰动;倾斜总电子含量;

0 引 言

地震给人类造成了巨大的灾难。为了减少地震灾害,人们通过研究众多与地震相关的物理现象来获取相应的物理参数与地震之间潜在的联系[1-3]。研究发现,电离层对地震影响非常敏感,探测与地震有关的电离层扰动对地震预报非常有效。因此近年有相当多的研究聚焦在用无线电探测的方法直接探测地震对大气层和电离层的影响,其中最主要的是利用GNSS观测数据研究电离层扰动与地震的关联[4]。

与地震类似,核爆炸对电离层来说也是一个巨大的扰动源。核爆炸常见的类型包括大气层核爆炸和地下核爆炸,其中大气层核爆炸对电离层的影响主要有两种形式:一是产生的强烈激波使高层大气形成声重波,进而造成电离层扰动;另一种是缓发γ射线与大气相互作用,在电离层D层附近形成附加电离区。对于这两种效应,前人用电离层垂测仪、宇宙噪声探测仪、高频连续波多普勒设备、高频返回散射雷达等方式进行了探测,取得了不少的研究成果[5,6]。而地下核爆炸通常都是进行小当量的核试验,产生的绝大部分能量都被大地吸收了,只有极少数的能量能够进入电离层,造成电离层扰动。因此,如何提取出这些微弱的电离层扰动成为一道技术难题。

本文通过对朝鲜地下核试验期间数个IGS站的观测数据进行分析,提取并放大电离层扰动的信息,通过排除气象、地质等其他因素的影响,发现该扰动与地下核试验的关联性非常大。说明利用GNSS观测数据提取电离层扰动信息来判别核爆炸的可行性。

1 方法介绍

基于GNSS双频载波相位几何自由(GF)组合观测,电离层延迟可通过以下公式提取:

(1)

(2)

式中,β为总的偏差项,根据电离层延迟与倾斜总电子含量(STEC)的关系,可以建立STEC与GNSS载波相位GF组合间的关系:

(3)

因此电离层STEC可以通过GNSS载波相位观测值获取

(4)

载波相位的精度一般可以达到毫米级,因此非常适合提取由于某些特定事件(如地下核试验)引发的电离层微小扰动。从上式可以看出,提取的STEC还包含了一个由于载波相位模糊数引入的未知常数值β,因此基于载波相位观测提取的电离层STEC不是一个绝对值,但由于β一般是恒定不变的,因此它可以非常精确的反映出电离层的相对变化特征。

为提取地下核试验事件引起的微小的电离层扰动,可采用高阶差分的方法对扰动量进行放大和提取,从而消除未知常数β的影响,本文中用到了三阶差分的处理结果。

(5)

随着更高阶差分的使用,噪声、多径效应的影响被逐渐消除,电离层扰动更加明显。

2 试验结果

分析了多次朝鲜地下核试验期间的GNSS数据,这里挑选了2006、2013年两次朝鲜核试的结果进行分析说明。如图1所示,其中,GNSS数据采用IGS提供的朝鲜附近suwn站、daej站的GNSS观测数据。

图1 IGS台站的位置

根据这些IGS站点的GNSS观测数据,计算了电离层STEC随时间的变化序列,以及它的一阶、二阶和三阶差分序列,提取出电离层扰动信息,分析结果如下:

1) 2006年10月9日朝鲜地下核试验

朝鲜在2006年10月9日01:35:27.8(UTC)进行了一次地下核试验,对daej站prn=7号星的STEC处理结果以及一、二、三阶差分处理结果如图2所示。

图2 2006年10月9日，daej站prn=7号星STEC处理结果 (a)STEC ; (b)STEC的一阶差分; (c)STEC三阶差分; (d) STEC三阶差分

从图2(a)可以看出,STEC的变化趋势主要受到电离层的日变化和卫星与监测站之间几何位置关系的影响。在STEC变化曲线上叠加的都是

一些微小的扰动,难以识别。为了对这些微小的扰动进行分析,必须采用差分方法消除STEC的主要变化趋势。图2(b)～图2(d)分别表示STEC和STEC一、二、三阶差分结果,其中STEC的主要变化趋势已经消除,2点(UTC)附近的电离层扰动影响逐渐凸显。可见,随着高阶差分的使用,噪声、多径效应的影响被逐渐消除,地下核试验引起的电离层扰动更加明显,电离层扰动峰值出现在02:05-02:09(UTC),核试验后传播延迟时间约为29.54～33.54 min.

2013年朝鲜地下核试验

朝鲜在2013年2月12日 02:57:53 UTC进行了地下核试验。分别对daej和suwn站的GNSS数据进行分析。其中,daej站prn=9号星STEC处理结果以及一、二、三阶差分处理结果如图3所示。

图3 2013年2月12日，daej站prn=9号星STEC处理结果 (a) STEC;(b) STEC一阶差分结果; (c) STEC二阶差分结果;(d) STEC三阶差分结果

可见,随着高阶差分的使用,电离层扰动更加明显,扰动峰值出现在03:22-03:27 (UTC),地下核试验后传播延迟时间约为24.1～29.1 min。

suwn站prn=9号星STEC处理结果如图4所示。

图4 2013年2月12日，suwn站prn=9号星STEC处理结果 (a)STEC ;(b)STEC一阶差分；(c)STEC二阶差分；(d)STEC三阶差分

随着高阶差分的使用,噪声、多径效应的影响被逐渐消除,电离层扰动更加明显,扰动峰值出现在03:21-03:27 UTC,地下核试验后传播延迟时间约为23.1～29.1 min.

通过daej和suwn这两个IGS站的GNSS观测数据进行分析,得到了电离层扰动传播延迟分析结果。根据daej和suwn这两个站与试验地点的相对位置进行分析,suwn站距核试验地点更近,因此传播延迟更短,实测结果与理论结果相一致。

表1 2013年朝鲜地下核试验电离层

3 讨 论

从几次核试期间的GNSS数据分析可以看出:

1) 地下核爆会激发电离层扰动事件(电离层行扰,TID);

2) 利用GNSS载波相位的高精度测量特性,可以通过提取电离层STEC及其差分变化,对核爆引起的TID事件进行探测;

3) 电离层STEC高阶差分变化中存在的峰值突起变化是检测TID事件的重要依据;

4) 电离层STEC高阶差分变化中的峰值发生时刻与核爆发生时间,触发TID的传播速度,以及GNSS观测站与核爆点之间的距离等因素有关。

需要说明的是,上述地下核试验引起的电离层TID事件分析与确认是在有先验知识(核爆发生),并且排除了气象和地质因素影响的前提下得到的。在实际应用中,必须建立没有先验知识下的电离层TID事件性质分析方法。为此可以考虑下面的改进措施。

电离层TID波形可用通过对载波相位提取的电离层STEC进行三次差分得到,其中很重要的TID信息要从波形的尖峰中提取,该过程可利用交叉协方差(Cross-Covariance)分析方法进行实现,其主要目的是从波形中分辨出特定事件的特征参数,还有就是从噪声中提取其它TID波形。

利用交叉协方差自检测算法检测到相应TID波形后,通过与TID参考波形进行频域上的相关性分析,可以对引起电离层TID的事件性质进行定性分析。同时,综合利用天基观测数据,可进一步实现事件定位以及事件类型的识别,其实现具体流程如图5所示。

图5 电离层扰动识别流程

4 结束语

利用GNSS信号进行遥感探测是GNSS应用的新领域。尤其是利用GNSS的双频测量特点,可以实现对电离层环境扰动的探测。

本文利用部分IGS站的观测数据对朝鲜地下核试验期间的电离层状态进行了分析,提取出电离层扰动信息,并利用高阶差分的方法消除了噪声、多径效应的影响,从而放大了电离层扰动信号,实现对核爆触发的电离层扰动事件识别和探测。

由于GNSS电离层环境探测受多种环境影响,实际应用中必须考虑电离层扰动事件的有效识别方法,本文进一步提出了一种基于GNSS观测数据对电离层扰动事件性质进行识别的可行方法,为核爆的研究提供了便利。

本文给出了利用GNSS数据进行核爆电离层扰动效应探测的初步研究成果,下一步将通过多个IGS站点的协同观测结果对电离层TID的传播规律进行研究。

[1] 蔡军涛. 地震期间电离层扰动现象研究[J]. 地球物理学进展,2007,22(3):695-701.

[2] HAYAKAWA M. 与地震有关的电离层扰动的甚低频/低频无线电探测[J]. 世界地震译丛,2009(2):53-64.

[3] 熊晶. 玉树Ms7.1地震前电离层VTEC异常[J]. 大地测量与地球动力学,2010,30(5):24-27.

[4] LIU J Y, CHEN Y1, CHEN C H,etal. Seismoionospheric GPS total electron content anomalies observed before the 12 May 2008 Mw7.9 Wenchuan earthquake [J]. Journal of Geophsical Research A. 2009, VOL 114, A04320. doi:10.1029/2008JA013698.

[5] ROW R V. Acoustic-gravity waves in the upper atmosphere due to a nuclear detonation and an earthquake [J]. Joural of Geophsical Research A. 1967,5(72): 1599-1610.

[6] BREITLING G G. Travelling ionospheric disturbances associated with nuclear [J]. Journal of Geophsical Research A, 1967(72): 405-419.

GNSSObservationBasedStudyofIonosphericDisturbanceInducedbyUndergroundNuclearExplosion

XIONGWen1,SUNYang2,LIUMing2,YUYao1

(1.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China;2. 96669Army,Beijing100036,China)

Earthquake, Tsunami and nuclear explosion will affect the ionosphere. With the help of Global Navigation Satellite System (GNSS), the ionospheric effect of these phenomena can be well studied. Based on the IGS observed GNSS data, this paper obtains Travelling Ionospheric Disturbance (TID) from Slant Total Electron Content (STEC) and amplifies the disturbance by high order derivatives so as to identify the ionospheric disturbance induced by underground nuclear explosion (UNE). Finally, a new way for nuclear explosion identification is proposed which will be a convenient way to study UNE induced ionospheric effect.

GNSS; UNE; TID; STEC

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.04.006

P228.4

A

1008-9268(2017)04-0032-06

2017-07-05

联系人: 熊雯 E-mail: crirp_xw@163.com

熊雯(1984-),男,博士,高级工程师,主要从事电离层理论和卫星导航信息处理技术方面的研究。

孙阳(1976-),男,高级工程师,主要从事卫星导航相关领域研究。

刘明(1981-),男,高级工程师,主要从事卫星导航相关领域研究。

於晓(1982-),女,博士,高级工程师,主要从事电离层理论和卫星导航信息处理技术方面的研究。