基于SHF的欧洲区域电离层模型建立概述*

2021-06-03张明泽

科学与信息化 2021年14期

张明泽

辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院辽宁阜新 123000

引言

近地空间环境的组成包括中高层大气（对流层，平流层）、电离层以及磁层。中高层大气位于地面至地球上层60km处。电离层是近地空间环境的重要组成部分。位于地球上层约60～2000km之间大气中的分子和原子在太阳的紫外线，X射线和高能粒子的作用下发生电离，形成了等离子体区域，这个区域被称为电离层[1]。位于电离层顶至数万千米处的区域为磁层。电离层中的自由电子和离子是电磁波传播的主要误差源之一，会给导航定位带来延迟误差。电离层延迟一般在几米左右，但当太阳黑子活动强烈时，电离层电子密度会上升，电离层延迟会增大，达到10米甚至几十米[2]。因此，削弱和消除电离层延迟对导航定位的影响成为当今全球导航卫星系统领域急需解决的问题[3]。电离层的相关科学研究(例如，电离层风暴、电离层闪烁和地磁风暴、地震和海啸的异常变化)也需要对电离层状态进行永久和持续的监测。因此，如何最好地获得全球范围内具有高空间和时间分辨率的连续精确电离层模型是精确定位和空间气象应用的一个热门方向[4]。

1 建模方法

进行区域电离层建模时，实验采用的十五阶球谐函数模型，因为其具有优良的数学结构并能较好地反映总电子含量的时空分布变化。VTEC球谐函数模型的表达式为：

2 数据来源以及实验流程

本文选取时间为2019年第305天至第334天长达30天的全球均匀分布的240个cors站作为基准站，实验采用GPS、Glonass、Galileo观测值进行全球电离层建模。观测数据的采样间隔为30s，卫星截止高度角采用10°。电离层薄层高度选择为450km，时间分辨率1h，空间分辨率5°×2.5°，广播星历为IGS提供。本次实验中，欧洲区域电离层建模采用十五阶球谐函数模型，按照标准电离层格网的格式进行输出。

3 电离层穿刺点分析

电磁波源由外空间向地球上某点传播时，该电磁波束射入电离层时的交点被称为电离层穿刺点。分析IPP的特点以及全球定位系统、GLONASS和伽利略的电离层可观测值的精度。图1显示了2019年11月4日2小时内(UT00:00-02:00)三个系统的IPP分布。如图1所示，GPS系统的IPP分布最密集，覆盖范围为全球大部分大陆地区，因为GPS系统具有全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座，使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存的导航信息。并且GPS在全球范围内有大量的跟踪站，囊括了全球大部分地区。随着GLONASS恢复工作的完成，它在大多数地区都有很好的IPP分布，但和GPS系统相比，虽然穿刺点分布大致相同，但密集程度明显低于GPS系统。这一发现的主要原因之一是，目前只有13颗运行卫星，其中5颗是地球静止卫星，无法随着时间的推移提高IPP分布的空间分辨率。此外，跟踪北斗卫星的监测站相对有限，分布不均匀，导致IPP数远小于GPS。由于受到卫星数量的限制，伽利略系统在全球范围内比北斗系统拥有更少的独立定位卫星。毫无疑问，随着北斗和伽利略卫星数量的增加和IGS跟踪网络的升级，轨道上的MGEX站和北斗和伽利略卫星将越来越多；这意味着IPP分布将在世界大部分地区变得非常密集。此外，电离层监测能力也将进一步得到加强。

图1 各系统穿刺点位置

4 VTEC精度分析

对全球CORS站的2019年第305天-334天的GPS,Glonass，Galileo双频观测数据进行预处理后，采用载波相位平滑伪距的方法对电离层延迟观测量进行提取，采用最小二乘估计，得到各个时段球谐系数作为模型参数，建立全球电离层模型，并进行精度评估与可靠性分析。得到的30天的VTEC平均值如图2。从图2可以看出，利用GPS，Glonass，Galileo计算出的电离层VTEC虽然数值上略有偏差，但是从趋势上看，它们的趋势大致相同。

图2 多系统VTEC平均值

以CODE提供的电离层产品作为参考值，将建立的全球电离层产品与CODE提供的电离层产品进行比较分析，比较后将得到的VTEC差值作为评价依据。图3描绘处年积日为305-334日的全球电离层模型与CODE发布全球模型VTEC差值统计。

图3 多系统VTEC差值分析

从图上可以看出，用GPS数据进行全球电离层建模的精度最高，与CODE提供的电离层产品最为接近。第332天差值的RMS和平均值的绝对值达到最大，分别是2.52TECU和0.35TECU，第318天差值的RMS和平均值的绝对值最小，分别为1.75TECU和0.05TECU。30天RMS的均值为2.08。GPS、Glonass、Galileo趋势相同，但Glonass数据不稳定，波动性较大。