卫星信号仿真电离层闪烁模型研究
电离层闪烁对卫星导航系统性能影响的仿真分析
刘 钝 ， 卫 民 ， 甄 冯 健 ， 忠 新 ， 宝 田 邓 马
（ 国 电 波 传 播 研 究 所 ， 东 青 岛 ２ ６０ ） 中 山 ６ １ ７
摘 要 ：电 离层 闪 烁 是 影 响 卫 星 导 航 系统 定 位 性 能 的 重 要 因素 之 一 。 通 过 仿 真 方 法 对 中
因 此 ， 离 层 闪 烁 的 影 响 是 卫 星 导 航 系 统 应 用 电 领 域 关 注 的 一 个 重 要 问 题 。 电 离 层 闪 烁 的 影 响 可
卫 星导 航 接 收 机 接 收信 号 的载 噪 比 Ｃ Ｎ。可 ／ 由如下模 型 获得
Ｃ／ 。 Ｃ＋ Ｂ＋ Ｇ。 Ｌ一 （ ＋ Ｉ Ｎ 一 ＋ Ｎ。 ） （） １
烁 严 重 时 会 引 起 接 收 机 环 路 的 失 锁 ， 其 是 载 波 跟 尤
型 ， 出电离层 闪烁 参量 （ 闪烁 指 数 Ｓ ） 给 如 ４ 随时 间 、
季节、 地理 位置 的 变化 分 布 ， 真 分 析卫 星导 航 系 仿
统 性 能受 电离层 闪烁 影 响的分 布特性 ， 并作 为 闪烁
重 要 因 素 之 一 。 电 离 层 闪 烁 对 卫 星 导 航 系 统 的 影
高 发 区 ， 此 ， 对 我 国 区域 开 展 电离 层 闪 烁对 卫 因 针
星 导航 系统性 能 的影 响研究具 有重 要意 义 。 在 电离层 闪烁对 卫 星导航 系统 影响 的仿 真 中 ，
建立 闪烁情 况下 的接 收机环路 误差 模型 ， 仿真 分析
式 中 ：Ｃ为 接 收 机 天 线 端 接 收 到 的 最 小 信 号 强 度 ，
通过对 闪烁 期 间用 户 接 收机 定 位 性 能 的变 化 进 行
天基电离层探测体系与电离层闪烁预报模型研究
天基电离层探测体系与电离层闪烁预报模型研究随着我国卫星通信、雷达、北斗卫星导航等系统的发展与应用,对全球电离层探测与中国区域电离层闪烁预报预警能力需求日益迫切,然而国内面向工程业务应用的大区域电离层闪烁发生概率预报模型研究还比较薄弱,因此,研究全球电离层探测体系,以实现天基电离层探测,积累全球电离层观测数据,进而建立电离层闪烁中长期概率预报模型,将具有非常重要的研究意义以及应用价值。
基于该考虑,本论文着重于从三个方面开展了相关研究：(1)天基电离层探测体系研究。
(2)天基电离层载荷测试与数据处理技术研究。
(3)电离层闪烁发生概率中长期预报模型及应用研究。
首先对天基电离层探测体系论证设计方法进行了一些有益的探索与尝试。
第二章中分析了天基电离层探测需求；对天基电离层探测任务论证过程进行分析与探索,可为我国天基电离层探测系统研究与建设提供一点思路。
第三章,研究分析了天基三频信标电离层载荷测试技术,以及其它几种载荷的电离层数据处理技术。
基于地空无线电链路的电离层探测载荷性能的测试检验是一个有待解决的问题。
提出的三频信标测量系统半实物半模拟测试验证方法是一种可行的技术解决方案。
此外,也验证了基于星载DORIS接收机观测数据的电离层TEC反演算法,并分析了其精度。
最后是整个研究工作重点,针对国内外电离层闪烁预报研究与应用核心技术之一,基于国内现有观测数据,开展中国低纬地区电离层闪烁发生概率中长期预报模型研究工作,并获得了几个新发现。
(1)分析了中国低纬地区电离层不均匀体的功率谱指数的统计特性。
发现年平均谱指数p随时间存在规律变化,呈双峰变化趋势,最高峰位于午夜前22点至23点左右,午夜后下降至谷底,随后谱指数再次上升,在午夜后2点左右存在第二个谱指数p峰值。
发现春分季节平均谱指数呈单高斯函数结构,而秋季谱指数则呈现双高斯函数结构,秋季午夜后电离层不均匀体结构谱指数存在更大峰值。
首次利用有理数函数对海口站UHF频段年平均谱指数p进行数学建模。
我国电离层闪烁初步观测结果
第１９卷增刊２００４年１０月电波科学学报ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＲＡＤＩＯＳＣＩＥＮＣＥＶ０１．１９，Ｓｕｐ．Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００４我国电离层闪烁初步观测结果陈丽甄卫民马宝田（中国电波传播研究所青岛分所，ｃｈｅｎｌｉ．ｑｄ＠１６３．ｃｏｒｎｃｒｉｒｐ—ｚｗｍ＠１６３．ｃｏｍ，山东青岛２６６０７１）摘要电离层闪烁观测是研究电离层闪烁现象及其效应的实验基础。
本文中利用自行研制的电离层闪烁监测仪，开展了在我国中低纬地区的闪烁观测，初步的结果表明电离层闪烁在中低纬地区发生频繁，且对ＵＨＦ频段通信卫星的影响十分严重。
关键词电离层闪烁，观更’通信影响１引言２电离层闪烁监测仪的简介电离层闪烁的效应之一是导致信号幅度的衰落，使信道的信噪比下降，误码率上升，严重时使卫星通信链路中断。
这种现象在低纬度地区的夜间尤为频繁，影响也最严重。
我国长江（上海、武汉、重庆）以南的低纬度地区，特别是台湾、福建、广东、广西、海南及南海地区都是电离层闪烁的高发区，对通信的影响也比较严重。
通过对ＵＨＦ频段用户的调研得知，信号在夜间经常出现干扰（特别是在南方地区）甚至出现信号中断的现象。
进行电离层闪烁的观测是研究电离层闪烁现象及其效应的实验基础。
我们利用自行研制的电离层闪烁监测仪，建立了覆盖我国中低纬重点地区的电离层闪烁监测网，开展了电离层闪烁的观测。
电离层闪烁监测仪分为Ｌ频段和ＵＨＦ频段电离层闪烁监测仪，都是由工控计算机、卫星信号采集测量单元、接收天线及运行于主机的监控软件组成，如图１。
Ｌ频段电离层闪烁监测仪监测ＧＰＳ卫星信号，ＵＨＦ频段电离层闪烁监测仪监测某ＵＨＦ频段卫星信号。
卫星信号监测仪以工控机为中心，卫星信号采集板以２０Ｈｚ的频率监测卫星信号强度的变化，并通过串行数据端口将实时测得的信号送至计算机，由实时监测软件求出信号的平均值、增强最大值、衰落最小值及闪烁指数，并完成相关的显示、存贮、回放、闪烁判别等功能。
仪器在使用中无需人工干预，全天候工作，具有全自动功能。
电离层闪烁对全球导航卫星系统_GNSS_的定位影响分析_刘钝
电离层闪烁对全球导航卫星系统(GNSS)的定位影响分析刘 钝,冯 健,邓忠新,甄卫民(中国电波传播研究所,山东青岛266107) 摘 要:电离层闪烁是影响卫星导航系统定位性能的重要因素之一,中国南方区域是全球电离层闪烁多发区之一,开展电离层闪烁对卫星导航系统性能的影响研究具有重要意义。
利用中国区域的电离层闪烁数据和GPS测量数据,对电离层闪烁情况下的用户定位性能进行了比较分析,发现电离层闪烁将引起用户定位误差的普遍增大,严重时可能出现定位异常,电离层闪烁对不同的定位应用方式具有不同程度的影响,电离层闪烁对卫星导航系统的多种影响是卫星导航系统的重要威胁之一。
关键词:电离层闪烁;全球导航卫星系统;定位 中图分类号:T P79 文献标志码:A 文章编号:1008-9268(2009)06-0001-080引 言电离层闪烁是影响卫星导航系统定位性能的重要因素之一。
电离层闪烁将引起穿越其中的卫星信号的快速起伏,使导航接收机接收信号的信号载噪比快速抖动、信噪比下降,甚至引起卫星信号的中断[1]。
电离层闪烁对卫星导航系统的影响包括接收机码测量精度的降低、载波周跳的有效检测、电离层延迟的精确修正、DOP因子增大等。
上述各种效应之间又是相互影响的。
因此,在对闪烁对卫星导航系统产生上述影响分析的基础上,应进一步针对用户最终的定位结果进行分析。
对卫星定位方法及精度分析进行了简单的介绍;对不同用户定位方法在电离层闪烁情况下的结果进行了比较,并针对电离层闪烁影响的各个方面进行了分析;最后得出一些电离层闪烁影响的结论。
1 电离层闪烁对卫星导航系统影响的分析方法1.1 卫星导航系统定位方法及精度评估卫星导航系统伪距观测方程一般可表示为[2]: PR i=ρj i+b i-B j+I j i+T i+T j gd+M PR+E PR(1)其中,i=1,2,表示不同观测频率;j为卫星编号,表示不同的卫星;P R i为码伪距测量;ρj i为接收机至卫星的几何距离;b i,B j分别表示接收机钟差和卫星钟差;I j i,T i分别表示电离层延迟和对流层延迟;T j gd为卫星的硬件频间偏差;M PR,E PR为多路径误差和观测噪声误差。
桂林实测VTEC与IRI模型VTEC的比较
桂林实测VTEC与IRI模型VTEC的比较张晓雪;邹玉华【摘要】为了研究桂林(地理坐标25.29°N,110.33°E,地磁坐标15.04°N,181.98°E)电离层的垂直总电子含量(VTEC)变化特征,利用桂林的电离层闪烁与TEC监测仪2014年3-4月的双频GNSS观测数据计算得到了VTEC,并与国际参考电离层(IRI)模型估算的VTEC进行比较.结果表明,IRI模型估算结果与实测VTEC相差较大.IRI 模型VTEC的日变化比较平缓,实测VTEC的日变化较剧烈;与IRI模型VTEC相比,实测VTEC的日峰值出现时间滞后1～3 h;实测VTEC的日峰值比IRI模型VTEC 的日峰值高约40 TECU.【期刊名称】《桂林电子科技大学学报》【年(卷),期】2016(036)003【总页数】4页(P240-243)【关键词】桂林;VTEC;IRI模型【作者】张晓雪;邹玉华【作者单位】桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学电子工程与自动化学院,广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】P352.7电离层总电子含量(total electron content，简称TEC)是电离层电子密度沿卫星至接收机传播路径上的积分。
采用电离层薄层模型(把电离层中的带电粒子看成集中分布在与地球同心的一薄层内)，则可由TEC得到卫星信号穿刺点(卫星至接收机传播路径与电离层薄层的交点)上的垂直TEC(vertical total electron content，简称VTEC)，VTEC是描述电离层特征的重要参量。
监测VTEC的时空变化规律对于电离层物理研究、太阳活动监测、空间环境天气预报、地震预报研究等具有重要意义。
目前，监测VTEC的时空变化规律主要利用全球导航卫星系统(global navigation satellite system，简称GNSS)的地基信标观测。
利用全球导航卫星研究电离层总电子含量特性
利用全球导航卫星研究电离层总电子含量特性利用全球导航卫星研究电离层总电子含量特性引言电离层是地球上一部分大气层中电离程度较高的区域，电离层中存在着大量的自由电子和离子。
电离层的特性对于地球上的通信、导航、气象以及天文观测等方面有着重要的影响。
其中，电离层总电子含量是电离层的重要参数之一，对于进行天空信号传播、太阳天气监测和预测等领域具有重要意义。
本文将介绍利用全球导航卫星进行电离层总电子含量研究的方法和意义。
一、电离层总电子含量的意义电离层总电子含量表示在单位面积内电离层内包含的自由电子数目，是描述电离层状态的重要参数之一。
它具有广泛的应用领域，如通信系统、卫星导航、天气预报、气象灾害监测等。
了解电离层总电子含量的变化情况，有助于优化通信系统设计、改进卫星导航精度、提高气象预报准确性。
二、全球导航卫星全球导航卫星系统（GNSS）是一组由卫星发射的导航信号来提供全球定位和时间信息的系统。
目前使用最广泛的全球导航卫星系统是美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和欧盟的Galileo系统。
这些卫星系统通过向接收机发送导航信号，接收机可根据信号传播时延计算出位置和时间信息。
同时，这些导航卫星发射的信号在穿过电离层时会发生电离层影响，通过对信号传播时间延迟的测量，可以推算出电离层总电子含量的变化。
三、全球导航卫星对电离层总电子含量的测量全球导航卫星对电离层总电子含量的测量主要通过接收和分析卫星发射的导航信号来实现。
当卫星发射信号穿过电离层时，信号会在电离层中产生不同程度的传播延迟。
这个延迟与电离层中电子密度的变化有关，因此通过分析接收到信号的延迟变化，可以推算出电离层总电子含量。
为了精确测量电离层总电子含量，需要使用至少四颗以上的全球导航卫星。
利用众多卫星的信号，可以围绕该地区建立一个虚拟的电离层探测器。
通过比较卫星间的信号传播时间差异，可以计算出电离层总电子含量分布。
这种方法被称为差分相位测量，是全球导航卫星测量电离层总电子含量的常用方法。
一种考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化模型
一种考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化模型张红波;王飞飞;徐良;盛冬生;刘玉梅【摘要】通过分析2010年至2017年期间的中国低纬地区海口站(20°N,110°E)特高频(ultra high frequency,UHF)电离层闪烁,发现绝大部分年份中春分前后电离层闪烁事件发生概率高于秋分前后,综合电离层垂测观测数据,认为主要原因是春秋分背景电离层电子密度和h'F日落增强现象的不对称性.最后基于电离层闪烁月发生概率统计数据,及其与季节和太阳活动的相关性,建立了一种考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化统计模型.此模型能够较好地表征电离层闪烁发生概率的季节变化特性,具有重要应用价值.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2019(034)002【总页数】6页(P180-185)【关键词】春秋分不对称性;电离层闪烁;发生概率;季节变化;经验模型【作者】张红波;王飞飞;徐良;盛冬生;刘玉梅【作者单位】中国电波传播研究所,青岛266107;中国电波传播研究所,青岛266107;武汉大学电子信息学院,武汉430079;中国电波传播研究所,青岛266107;中国电波传播研究所,青岛266107【正文语种】中文【中图分类】P352引言鉴于电离层闪烁对星地链路的卫星通信、雷达、导航等系统具有显著影响,开展电离层闪烁事件不良影响减缓技术研发是低频段合成孔径雷达 (synthetic aperture radar, SAR)等前沿技术的重要研究内容之一. 电离层闪烁发生概率预测模型是星地链路电离层闪烁影响分析和应对措施研究的重要基础工具. 目前电离层闪烁发生概率气候学模型主要是美国全球电离层闪烁发生概率预报模型 (wide band model,WBMOD),其在欧洲的全球生物量普查卫星中极化P频段合成孔径雷达(polarimetric P-band synthetic aperture radar,P-SAR)的电离层闪烁减缓技术研究中发挥重要作用[1]. 国内诸多学者也在持续开展电离层闪烁发生概率模型研究[2-5],但均未提出考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化模型. 文献[6]和文献[7]分别利用2013和2014年电离层垂测临频数据foF2仅给出了一种表征春秋分不对称性的指数. 本文利用2010—2017年特高频 (ultra high frequency,UHF)电离层闪烁观测数据给出了一种考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化模型.1 观测数据UHF频段电离层闪烁指数S4观测数据由部署于中国低纬地区海口站(20°N, 110°E)的一台自主研制UHF频段电离层闪烁监测仪获取. 该仪器以20 Hz采样率实时记录我国一颗静轨通信卫星的380 MHz信号的原始幅度数据,经数据处理后获得采样间隔为1 min的电离层闪烁指数S4, 数据年限为2010—2017. foF2观测数据则由同站址部署的一台自主研制电离层垂测仪获取,采样间隔为1 h, 数据年限为2010—2017.电离层闪烁事件定义为连续15 min内有10个以上S4大于0.2. UHF频段电离层闪烁月发生概率定义为发生电离层闪烁天数/本月观测天数×100%. foF2月平均值定义为每月同一时刻foF2全部观测数据的平均值.2 发生概率季节变化特性分析2.1 季节变化特性2010—2017年海口站UHF频段电离层闪烁月发生概率统计结果如图1所示. 从图1可以看出,海口站电离层闪烁月发生概率存在明显的季节变化和年变化. 为了分析季节变化和年变化趋势,以季节为统计周期,给出了四季的最大电离层闪烁月发生概率. 图2给出了2010—2017年春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12—2月)的最大电离层闪烁月发生概率统计结果. 从图1和图2均可以看出春季和秋季电离层闪烁最多,夏季和冬季电离层闪烁较少. 对比春季和秋季数据后,发现除了2011年外,春季电离层闪烁发生概率均高于秋季,即春秋季不对称. 对于夏季和冬季而言,太阳活动上升年间,夏季电离层闪烁发生概率高于冬季,其余时间则相反.图2显示春季电离层闪烁月发生概率与年平均太阳黑子数呈正相关,即随着太阳活动的增加,春季电离层闪烁月发生概率会增大.秋季、夏季和冬季也与年平均太阳黑子数呈正相关,但可能受其他因素影响,使得其存在异常变化,比如2011年的秋季电离层闪烁月发生概率就出现异常.图1 2010—2017年海口站UHF频段电离层闪烁月发生概率Fig.1 Occurrence of UHF band ionospheric scintillations recorded at Haikou station from 2010 to 2017图2 2010—2017年四季电离层闪烁月发生概率最大值Fig.2 Maximum monthly occurrence of ionspheric scintillation in four seasons from 2010 to 2017基于本地F2层日落后时间(定义为地空无线电链路穿刺点(高度350 km)对应星下点的太阳天顶角为107°时的本地时间),将每个季节同一小时内电离层闪烁指数组成统计分析数据集,对该数据集进行发生概率统计. 图3给出了2010年、2011年和2013年的不同季节内电离层闪烁发生概率的日变化分布图. 春季电离层闪烁发生概率在日落后2～4 h最大,同时日落后5～6 h内(午夜后)又存在第二个发生概率较大的时段.(a) 2010(b) 2011(c) 2013图3 不同年份不同季节的电离层闪烁发生率的日变化分布Fig.3 Diurnal variation of ionospheric scintillation occurrence in different seasons in different years2.2 春秋分不对称性分析在电离层闪烁春秋分发生概率不对称性分析方面,Nishioka认为春秋分不对称可能是由积分电导率的春秋分不对称引起的[8]. Maruyama指出跨赤道经向风是春秋分不对称性的重要成因[9]. Sripathi基于全球紫外成像 (global ultra violet imager,GUVI)卫星的2004—2005年观测数据分析了F2层峰值电子密度沿纬度变化特性,发现春分前后南北半球驼峰区峰值电子密度对称,而秋分前后则对称性较差,从而推出背景电子密度可能在电离层闪烁发生概率春秋分不对称性方面起重要作用[10].为了深入理解中国低纬地区电离层闪烁发生概率春秋分不对称性的物理机理及其控制要素,本文分析了2010—2017年海口站月平均临频(foF2)和月平均最小虚高(h′F) 观测数据,foF2数据可以描述F2层峰值电子密度的变化,h′F在夜间表示F层底高(F层O模最小虚高),在白天表示F1层底高(F1层O模最小虚高). 图4给出了2010、2011和2013年海口站月平均foF2数据,图中垂直黑虚线对应本地时20:00LT的月平均foF2数据. 2012和2014—2017年月平均foF2数据的春秋季节变化特性与2013年一致.从图4可以看出,2010和2013年F2层日落时刻(20:00LT)的foF2是春分月份高于秋分月份,而2011年的foF2则相反. 由于foF2与背景电离层电子密度成正比,这意味着日落时刻的F2峰值电子密度呈现相同关系. 从图5可以看出,2011年h′F 在秋分季节(10月)日落增强现象明显强于同年的春分季节,而2013年h′F在春分季节(4月)日落增强现象明显强于同年的秋分季节.(a) 2010(b) 2011(c) 2013图4 不同年份海口站月平均foF2观测数据Fig.4 Monthly mean foF2 of Haikou station in different years(a) 2011(b) 2013图5 不同年份海口站月平均h′F观测数据Fig.5 Monthly mean h′F of Haikou station in 2011 and 2013等离子体泡或羽状烟云类F层不规则体的主要发生机制是广义瑞利-泰勒不稳定性,其增长率γ正比于垂直电离梯度∂N/∂h,向上为正. 增强的电离层电子密度,往往导致更大的垂直电离梯度值,进而更容易出现电离层闪烁,这与观测结果相吻合. h′F日落增强现象主要由磁赤道东向电场翻转前增强现象(pre-reversal enhancement,PRE)引起的,当F层底高增加时,也将有利于不稳定性增长[11]. 因此,综合上述分析可推断春秋分背景电离层电子密度和h′F日落增强现象的不对称性可能是造成中国地区电离层闪烁发生概率春秋分不对称的重要原因. 对于2011年电离层闪烁秋季比春季多的现象,分析发现广州站(23°N,113°E)电离层闪烁秋季也比春季多,综合分析海口站背景电离层电子密度和h′F日落增强现象,以及广州站电离层闪烁观测数据后,认为2011年属于春秋分不对称现象的年度异常,其内在电离层物理现象有待于进一步研究.3 发生概率季节变化模型季节变化模型可看做最大电离层闪烁发生概率值的季节变化调制系数,因此,电离层闪烁发生概率模型常将最大电离层闪烁发生概率值和季节变化调制系数均作为乘法因子之一进行建模. 最大电离层闪烁发生概率值建模可采取四维数字地图形式,即由经度、纬度、太阳黑子数和最大发生概率值四个维度构成的栅格数据. 本文主要是建立一种季节变化模型,季节变化模型包含两个子模型:春秋分不对称系数子模型,以及地磁子午面与晨昏线之间夹角变化子模型.3.1 春秋分不对称系数子模型由于春秋分前后的最大电离层闪烁月发生概率不对称,因此,季节变化模型还需要分析与建立春秋分前后最大电离层闪烁月发生概率的相关关系.由于仅有2011年一个年度异常现象,建模暂时不考虑该数据. 通过分析发现,春秋分不对称系数(秋季与春季之间的最大电离层闪烁月发生概率之比)与太阳黑子数存在较好的相关性,如图6所示. 可用高斯函数对春秋分不对称系数与太阳黑子数之间的函数关系fAS(RSN)进行拟合,图6同时给出了春秋分不对称系数与太阳黑子数之间的函数拟合结果,拟合均方根误差为0.09. 具体拟合结果如下:fAS(RSN)=(1)式中,RSN为年平均太阳黑子数.图6 秋季与春季不对称性系数对太阳黑子数的拟合结果Fig.6 Fitting result of equinoctial asymmetry coefficients vs sunspot number3.2 地磁子午面与晨昏线之间夹角变化子模型文献[12]指出,日落后与电离层等离子体泡发生相关的瑞利-泰勒不稳定性增长率在场向积分佩德森(Pedersen)电导率经向梯度最大的日子里最大,该时间和地磁子午面与晨昏线之间夹角相关. 当地磁子午面与晨昏线重合时,由此形成的磁赤道电离层条件最适宜等离子体泡发生与发展演化. 定义经过本地350 km高磁力线的磁赤道点的地磁子午面与晨昏线之间的夹角为季节变化控制参数φT. 采用参考文献[2]中电离层不均匀体强度函数形式,并利用中国海口站观测数据参与最优参数估计,建立了归一化季节变化调制系数随地磁子午面与晨昏线之间夹角变化的函数关系fSEASON(φT):(2)fS1(φT)=(3)fS2(φT)=(4)fS3(φT)=(5)fS4(φT)=(6)式中:d为φT所对应的年积日;dVE为春分日对应的年积日;dJS为夏至日对应的年积日;dAE为秋分日对应的年积日;WH=16-0.01×min(150,RSN);WL=13.0.图7给出了归一化季节变化调制系数函数fSEASON(φT)拟合结果与观测数据对比结果,图中曲线为函数计算结果,拟合均方根误差为0.10. 整体而言,建立的季节变化模型能够较好地表征电离层闪烁发生概率的季节变化特性.图7 归一化季节变化调制系数与观测数据对比结果Fig.7 Comparison of the normalizing seasonal variation coefficients with observations4 结论1) 基于中国低纬地区海口站8年的UHF频段电离层闪烁观测数据分析发现,电离层闪烁事件发生概率绝大部分年份中春分季节高于秋分季节．2) 对比电离层垂测观测数据后发现,电离层闪烁发生概率春秋分不对称性与背景电离层电子密度和h′F日落增强现象的春秋分不对称性具有强相关性,说明背景电离层电子密度和PRE对电离层闪烁能否发生具有重要影响．3) 建立了一种考虑春秋分不对称性的电离层闪烁发生概率季节变化统计模型,数据拟合误差较小. 目前该模型适用于中国低纬地区(经度范围60°E～160°E),未来可拓展至其他低纬地区[7]. 该模型对于建立全球中低纬地区电离层闪烁发生概率预测模型具有重要应用价值.参考文献【相关文献】[1] KIM J S, PAPATHANASSIOU K. 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中国低纬度地区电离层闪烁效应模式化研究
中国低纬度地区电离层闪烁效应模式化研究侍颢;张东和;郝永强;肖佐【摘要】GPS(Global Positioning System)周跳是一种GPS信号异常现象.研究发现一定仰角以上的GPS周跳与电离层闪烁有关,是强电离层闪烁造成的GPS载波信号短时失锁现象,因此其可作为表征电离层闪烁效应的参量.本文通过分析由中国低纬度地区GPS台站原始观测数据提取的GPS周跳发生率与地方时、季节、太阳活动以及磁活动之间的关系,开展电离层闪烁效应与这几种参量之间关系的模式化研究.研究结果表明:(1)周跳发生率存在着地方时分布,发生时段主要在日落19:00LT后到午夜02:00LT之前,发生次数在22:00LT左右达到极大,然后缓慢减少,这一变化特点可以用自变量为地方时的Chapman函数形式来描述;(2)周跳发生率存在年变化特点,主要发生在年积日45～135天(春分季节)和225～315天(秋分季节),可以通过高斯函数来描述每个分季闪烁效应的变化特点;(3)可以利用太阳辐射指数F10.7作为描述周跳随太阳活动周变化的参量,根据周跳随太阳活动周的变化特点,我们使用一个以F10.7为自变量的三次函数来描述这种变化;(4)电离层闪烁与磁活动的关系比较复杂,由于大多数情况下表现为磁活动对电离层闪烁的抑制作用,在本研究中使用一个以地磁活动指数Ap为自变量的的平方根函数来拟合这种变化.【期刊名称】《地球物理学报》【年(卷),期】2014(057)003【总页数】12页(P691-702)【关键词】电离层闪烁;GPS;周跳;电离层不均匀结构【作者】侍颢;张东和;郝永强;肖佐【作者单位】北京大学地球物理系,北京 100871;北京大学地球物理系,北京100871;北京大学地球物理系,北京 100871;北京大学地球物理系,北京 100871【正文语种】中文【中图分类】P3521 引言电离层中的不均匀结构使传播其中的无线电波的相位和强度出现闪烁现象，从而降低星地通讯链路的传播质量，在强闪烁情况下甚至造成无线电通讯系统无法正常工作，是重要的电离层天气现象（Afraimovich et al.，2003；Skone and de Jong，2000）.由于这一现象的危害性，从星地通讯得到应用以来，研究者们针对电离层闪烁现象开展了大量的观测研究工作，内容涉及电离层闪烁的观测、电离层闪烁的时空形态特征、电离层闪烁的效应、电离层不均匀结构的产生机理、以及电离层闪烁的预报等（Conker et al.，2003；Mendillo et al.，1992，2001；Nicollsand Kelley，2005；Sahai et al.，1998；张天华和肖佐，2000）.在这些研究内容中，电离层闪烁的观测是基础，传统的电离层闪烁研究依赖的观测手段包括电离层测高仪、基于卫星信标信号的闪烁接收机以及雷达方法（Abdu et al.，1998，2003；Abdu，2012；Afraimovich et al.，2002；Chen et al.，2006）.除了这些方法外，卫星实地电离层探测是电离层闪烁研究的重要补充（Ko and Yeh，2010）.电离层闪烁主要发生在地球低纬度地区和高纬度地区（Kelley，2009）.在低纬度地区，电离层闪烁发生率具有时间变化特点.在地方时变化上，其主要发生在日落以后到日出之前.电离层闪烁也存在明显的季节依赖性，但这种季节依赖性特点与经度有关，美洲—大西洋扇区电离层闪烁的季节依赖性特点与亚洲—太平洋扇区的季节依赖特点明显不同（Basu et al.，2006）.电离层闪烁的发生率和强度还存在着明显的太阳活动周变化特点，太阳活动高年的电离层闪烁发生率要远大于太阳活动低年（Zhang et al.，2010a）.另外电离层闪烁具有很强的日－日变化特征，这一特征增加了电离层闪烁预报的难度.除了这些时间变化特征外，电离层闪烁与磁活动的关系也是电离层闪烁研究的一个值得关注的问题.在高纬地区，电离层闪烁发生率和强度与磁活动正相关（Skone et al.，2008），而在低纬度地区，闪烁与磁活动的关系比较复杂，表现为在有些磁暴期间电离层闪烁发生率和强度会得到增强，但有些磁暴期间电离层闪烁的发生率和强度会降低（Li et al.，2009，2010；Zhang et al.，2012）.电离层闪烁的观测是研究电离层闪烁形态和认识电离层闪烁机理的基础，但由于电离层闪烁观测台站分布不均，对电离层闪烁的认识在全球范围内是不均衡的.美洲地区的电离层闪烁研究不论从研究的深度还是时间跨度来看都领先于世界其他地区.在亚洲扇区，印度和日本扇区的电离层闪烁研究开展的相对较多（Rama et al.，2006）.中国扇区的电离层闪烁研究始于20世纪70年代，但由于观测手段有限，研究相对偏少（Xu and Yeh，1993）.GPS是当今电离层研究的常规手段之一，20世纪90年代中期，基于商业GPS接收机改造的专业电离层闪烁监测仪研制成功，通过这一手段，研究者们开展了大量电离层闪烁研究（Beach and Kintner，2001；Van Dierendonck et al.，1993）.此外，除了传统的通过测量GPS载波信号的强度和相位来获得电离层闪烁指数外，通过双频GPS接收机输出的观测量也可获得一些能够反映电离层闪烁信息的参量.例如，利用GPS数据提取的星地链路电离层总电子含量的时间微分量ROT（the Rate Of change of TEC），通过GPS数据周跳检测方法提取的GPS数据周跳信息等（Aarons et al.，1996；Zhang et al.，2010b）.中国从2003年开始进行基于GPS载波信号的电离层闪烁观测，部分研究部门在低纬地区架设了一些电离层闪烁监测仪，利用这些数据开展了针对中国扇区的电离层闪烁形态分析工作，促进了中国扇区电离层闪烁时空变化规律的认识（尚社平等，2005；王斯宇等，2010；徐继生等，2007），但由于台站所属机构、接收机类型和观测模式等方面的原因，目前整合这些数据建立电离层闪烁模式的条件还不够成熟.比较而言，常规GPS观测数据的空间分辨率高，这类数据相对更容易获取.我们在前期工作中开展了利用低纬度地区GPS观测数据提取电离层闪烁效应信息（周跳）的方法和基于GPS常规数据的电离层闪烁效应研究，利用这些闪烁造成的周跳信息可以开展电离层闪烁效应模式研究，获得一种与实际应用紧密相关的电离层闪烁效应模式（Zhang et al.，2010a，2010b）.本研究将通过分析由电离层闪烁造成的GPS周跳发生率的时空变化特点来研究电离层闪烁效应的规律，开展中国赤道异常峰附近电离层闪烁效应模式化研究.2 数据与方法本文使用的GPS数据所属台站分布在中国低纬度地区，时间从1999年到2005年.台站隶属于中国地震局地壳形变监测网，所有台站的接收机型号和配置一致，均为Ashtech Z－XII3型高精度双频GPS接收机，天线为可抑制多径效应的扼流圈天线，接收机采用半无码方式工作，采样时间间隔为30s.表1给出了这些台站的位置信息.表1 本文用到的GPS台站的站名及其地理、地磁经纬度Table 1 Names，geographical and geomagnetic coordinates of the GPS stations used inthis paper台站名地理纬度／（°）地理经度／（°）地磁纬度／（°）地磁经度／（°）LUZH 28.9 105.4 17.5 175.6 XIAM 24.5 118.113.2187.3 GUAN23.2113.3 11.8 183.2 QION 19.0 109.8 7.6 179.7周跳现象表现为在一个观测历元内GPS接收机对载波相位的短时失锁.由于周跳会破坏GPS数据的连续性，影响GPS的定位精度，从GPS投入运行以来，GPS领域各研究团体研制了多种周跳检测和修复方法.最常见的方法包括电离层三差法、宽巷组合法、卡尔曼滤波法、以及高可靠性的DIA（Detection，Identification，and Adaptation）方法等（Blewitt，1990；Chen et al.，2006；Collin and Warrant，1995；Gao and Li，1999；Teunissen，1990）.本研究使用的周跳提取方法为DIA方法，将这一方法应用于各台站的GPS原始观测数据，可以获得电离层闪烁效应周跳数据库.为了便于对周跳产生的原因以及周跳发生的时空特点进行分析，每条周跳事件记录中还增加了周跳发生时刻的卫星仰角和方位角，周跳发生时刻星地连线与电离层球层交叉点IPP（Ionosphere Pierce Point）的经纬度等信息.在使用周跳现象进行电离层闪烁效应研究时，有三个问题需要说明.GPS有两个载波频率（L1，L2），由于载波L2信号的带宽更窄，更容易受到环境因素的影响（Hofmann et al.，1993；Misra and Enge，2001），因此在研究电离层闪烁对GPS信号的影响时，载波信号L2更便于反映电离层闪烁的效应.在本研究中，我们选用L2的周跳数据作为电离层闪烁效应研究数据库.另外，研究发现，并不是所有周跳都与电离层闪烁有关.当卫星仰角比较低时，电波的多径效应会明显增加，这也会造成周跳的发生.而在相对较高的仰角情况下，GPS周跳现象基本上是电离层闪烁引起的.为了更加明确地给出电离层闪烁效应规律，在进行周跳时间依赖性分析前，需要将周跳数据库中低仰角周跳事件剔除，在本研究中，我们将卫星最小仰角限定为25°.最后一个需要说明的问题是周跳和闪烁强度的关系，GPS系统在设计时已经考虑到了电离层闪烁的影响，因此，只有闪烁强度达到一定程度时，GPS接收机才可能发生周跳现象.因此本文所给出的周跳发生率反映的应该是一定强度以上的电离层闪烁的出现规律.图1给出了2003年在中国海南富克镇（19.3°N，109.1°E）观测的电离层闪烁发生率与同年厦门和广州GPS周跳发生率的关系，从图中可以看到，周跳发生率与强闪烁发生率的相关性更好.3 周跳发生率的统计形态特征利用GPS数据，我们对中国地区的电离层闪烁造成的周跳事件进行了统计分析，结果表明，电离层周跳的时空分布规律与中国低纬度地区的电离层闪烁具有很强的关联性，周跳数据可以作为描述电离层闪烁的一个补充参量（Zhang et al.，2007，2010b）.下面将对周跳发生率与地方时、季节、太阳活动性以及磁活动的关系进行归纳，作为下一步电离层闪烁效应模式化的基础.3.1 周跳的地方时变化地方时变化是低纬度地区电离层闪烁的重要特征之一，由于日落后电离层E区电子与分子性离子的复合速度要远大于电离层F区电子与原子性离子的复合速度，造成日落后电子密度剖面不稳定，具备造成引起电波闪烁的电离层不均匀结构发生的背景条件.图2是中国低纬度地区4个台站的GPS周跳发生率的地方时变化.从图中可以看到，虽然不同台站的周跳发生次数差别很大，但在地方时分布上规律基本一致.在19∶00LT后，周跳发生次数开始增加，在夜间22∶00L T附近周跳发生次数达到最大，然后周跳次数逐渐减少，在午夜后周跳发生的很少，在02∶00LT 以后几乎没有周跳发生.图1 2003年海南富克镇电离层不同强度闪烁月发生率与厦门和广州GPS周跳月发生率的比较Fig.1 The comparison between the monthly occurrence of amplitude scintillation observed at FUKE，HAINAN and Cycle Slip occurrence derived from XIAM and GUAN stations图2 2001年中国低纬度地区4个台站的GPS周跳发生率随地方时的变化Fig.2 The stacked occurrence of the GPS Cycle Slips in each 15minutes of a dayat 4low latitude stations in China in 2001低纬度地区的电离层闪烁主要发生在赤道异常峰附近区域，比赤道异常峰纬度更高的区域上电离层闪烁发生率会快速下降.到了中纬度地区，电离层闪烁很少发生，一般认为该区域观测到的电离层闪烁主要是电离层赤道异常峰区域或者是极区的电离层不均匀结构沿着磁力线扩散到中纬的结果，而这种不均匀结构向中纬度漂移的情况一般都发生在磁活动期间.从图2可以看到，GPS观测数据中，在赤道异常峰附近分布的GPS台站出现周跳的次数要明显多于位于赤道异常峰外侧的LUZH台站.图3是LUZH台站和QION台站在2001年发生的周跳事件的空间分布情况，从图中可以明显看到，周跳发生区域主要在LUZH台站以南、QION台站以北，也就是赤道异常峰出现的区域.3.2 季节变化低纬度电离层闪烁季节变化的一个重要特征是它的经度差异，美洲扇区与东亚—太平洋扇区的电离层闪烁季节变化规律明显不同，前者闪烁主要发生在10月到来年的3月之间，12月到1月闪烁发生次数和强度最大，而后者闪烁主要发生在两分季附近，也就是2月到4月间和8月到10月间，其中3月和10月闪烁发生次数和强度最大（Zhang et al.，2010b）.图4给出了2001年4个台站GPS周跳发生次数随年积日的变化.从图中可以看到，这4个台站的周跳主要发生在两分季附近，这种分布规律与太平洋扇区电离层闪烁发生率随季节的变化规律一致.说明在中国扇区闪烁的季节依赖特点与太平洋扇区一致.另外，从图中还可以看到，周跳的日－日变化是非常明显的，即使在周跳多发月份，也不是所有日期周跳发生次数都多，不同日期的周跳发生次数差别比较明显，这是电离层闪烁预报的难点之一. 图3 两台站在2001年发生的GPS周跳次数随方位角分布Fig.3 The distribution of the occurrence of the GPS Cycle Slips versus azimuth angle at two stations in 2001图4 2001年中国低纬度地区4个台站的GPS周跳发生率随年积日DOY（Day of Year）的变化Fig.4 Daily occurrence of the GPS Cycle Slips at 4low latitude stations in China in 20013.3 太阳活动周变化电离层闪烁与太阳活动周的相关性表现在太阳活动高年电离层闪烁发生率和闪烁强度大，而太阳活动低年电离层闪烁发生率和强度小.图5为XIAM和GUAN两个GPS台站数据获得的1999年到2005年间周跳发生次数的分布规律，除了前面提到的季节依赖特点之外，其太阳活动周依赖性也非常明显，总的来看依赖关系与电离层闪烁规律类似.从图5可以看到，周跳发生次数与太阳活动指数的关系并不是线性的，在2002年到2003年之间，也就是太阳活动性处于下降阶段的时候，由于电离层闪烁造成的周跳现象急剧减少，2003年以后周跳就很少发生，这一特征在图5a中表现得更为明显.我们认为出现这一现象的原因与GPS接收机对信号强度的设计域值有关.强闪烁更容易造成GPS周跳的发生，而当闪烁强度降到一定程度时，其闪烁已不足以造成GPS系统周跳现象的发生.3.4 磁活动变化图5 1999年到2005年间（a）XIAM台站GPS周跳半年总数，（b下）XIAM 和（c）GUAN两个台站的GPS周跳日发生次数及其与（b上，细线）太阳F10.7（10－22 W·m－2·Hz－1）指数及（b上，粗线）年滑动平均的比较Fig.5 （a）Semi－annual sum of the GPS Cycle Slip occurrence at XIAM station from 1999to 2005.Daily occurrence of the GPS Cycle Slips at（b down）XIAM and（c）GUAN stations from 1999to 2005，and comparing with（b up，thin line）the solar F10.7（10－22 W·m－2·Hz－1）index and（b up，thick line）its annual slip average磁活动期间的电离层闪烁形态是电离层闪烁研究中的一个重要内容，由于磁活动期间空间环境变化过程的复杂性，对这期间的电离层闪烁规律以及机理的认识还不够完善.从形态上来看，磁活动期间的电离层闪烁存在着增加、减少和没变化这三种情况.但从统计上来看，强磁活动期间电离层闪烁的减少，也就是抑制事件要大于其他两种情况.从电离层不均匀结构的激发机制来看，有多种物理因素影响到不均匀结构的产生与发展，这些因素包括电离层电子密度剖面、电离层电场、电离层电导率、风场、磁场等参数，这些参数在磁活动期间都会发生一定的变化，而这些因素中，有些对电离层不均匀结构的产生与发展起促进作用，有些对电离层不均匀结构的产生起抑制作用.造成磁活动期间电离层闪烁形态变化不确定的原因与磁活动期间这些物理因素的变化有关，电离层不均匀结构是这些物理因素综合作用的结果.图6是2001年周跳发生次数与地磁活动指数Ap之间的关系，从图中虚线框中的部分可以看到，强磁活动期间的周跳发生次数一般很少，但也不排除磁活动期间周跳发生次数增加的情况.要揭示磁活动期间电离层闪烁的发生规律，对一些磁活动期间空间环境参数与电离层闪烁的个例分析是必要的.4 闪烁效应模式化根据上面的分析，可以发现，周跳随着以下几个因素有规律的变化：地方时、季节、太阳活动以及磁活动.因此我们在模式化时可以根据这几个因素分别计算其影响，然后综合这几个方面的因子，计算出模式的系数项，即可完成初步的电离层效应模式.公式（1）给出了闪烁每15min间隔的发生率的计算公式，对15min间隔的闪烁发生率进行积分，即可得到日发生率，即公式（2）.下面我们对各个因素分别进行模式化计算.4.1 地方时因子的模式化从图2的周跳的地方时变化规律可以看到，周跳主要发生在19∶00LT以后到午夜02∶00LT之间，在周跳发生率增加过程中，发现周跳在开始出现到周跳发生率最大之间的增加速度很快，而在最大值处到午夜两点之间的下降速度要缓慢得多.我们发现这种变化规律与电离层电子产生率随高度的变化类似，因此针对周跳的地方时变化，我们采用电离层电子产生率的函数曲线形式来拟合，只是这时的自变量是地方时.具体公式形式如下：电离层闪烁效应的地方时因子模式化工作就是确定相应的时间参考值tM和系数Ht，并进行归一化.通过分析实测数据，tM被定在21∶00LT处，即tM＝21，24小时制下 Ht＝1，公式（5）是相应的获得的拟合公式，其中h为24小时制地方时，sgn为符号函数.图7是归一化后用Chapman函数拟合出来的地方时变化趋势.4.2 季节因子的模式化根据周跳的年变化特点，周跳的年积日覆盖范围大致为45～135天（春分季节）和225～315天（秋分季节），每个分季闪烁效应的变化趋势可以用一个高斯函数来描述，高斯函数的幅度由太阳活动指数和地磁活动指数来调制.需要指出的是，高斯函数并不能反映闪烁效应的日－日变化特征，这一点由太阳活动和地磁活动指数的日－日变化来反映.通过计算，高斯函数的半高宽为55.根据以上原则对闪烁的季节效应进行模式化，公式（7）为归一化的季节因子模式化公式其中d为年积日.图8为公式（4）的图形表示.4.3 太阳活动因子的模式化图6 2002年地磁（a）Ap指数与（b）XIAM和（c）GUAN台站的GPS周跳日发生次数分布规律的比较Fig.6 The（a）Apindex comparing with daily occurrence of the GPS Cycle Slips at（b）XIAM and（c）GUAN stations in2002图7 使用Chapman函数拟合的GPS周跳发生率地方时变化趋势Fig.7 The daily trend of the GPS Cycle Slip occurrence in each 15minutes，modeled by using the Chapman function图8 使用Gauss函数拟合的GPS周跳发生率季节变化趋势Fig.8 The seasonal trend of the GPS Cycle Slip occurrence，modeled by using the Gauss function周跳表现出的电离层闪烁效应的太阳活动周变化特征主要包括两个方面.首先，从长期趋势看，周跳发生次数具有太阳活动周依赖性，但与太阳活动强度并不是线性相关的.再就是2002年下半年周跳发生次数锐减，2003年以后周跳发生次数很少.从图5中可以看出，直接用F10.7指数不能反映这种突然减少现象，我们试图用一个与F10.7指数有关的函数来反映这种特征.图9给出了关于F10.7指数年平均值的四种函数随太阳活动周的变化，分别对应1到4次幂形式.通过与周跳发生次数随太阳活动周变化的相关性分析，我们选择图9中第3种函数来描述电离层闪烁效应的太阳活动周影响.函数表示为如下形式：其中4.4 地磁因子的模式化电离层闪烁与地磁扰动的关系一直是电离层研究者关注的问题.磁活动与电离层闪烁之间有很多不确定性因素，这说明控制电离层闪烁发展或者抑制因素的复杂性.从强磁活动期间周跳的统计结果来看，可以归纳以下三点：第一，强磁活动期间的周跳发生次数要少于地磁平静期；第二，对单个事件的分析表明部分情况下地磁具有抑制周跳发生的趋势，但也有磁活动期间周跳发生率明显增多的情况；第三，大的周跳发生次数基本上都发生在Ap指数小于20的情况.要搞清楚这些关系，更全面的空间环境以及电离层形态数据是必要的.图10给出了地磁指数与周跳发生次数的关系，从图中可以看到，磁活动对周跳发生次数，也就是电离层闪烁的抑制作用特征更加明显，在对磁活动对电离层闪烁效应的模式化中，这种抑制作用应该首先体现.通过分析，作为初步的探索，我们给出如下地磁因子的模式化公式最后，使用XIAM站1999年到2005年的周跳发生率的数据，对模式中的常数项进行拟合得到由（11）式的数值与地方时因子相乘之后，对一天24 h积分得到4.5 模式化计算结果与分析对于上述系数以及各因素对应的子式，我们使用F10.7原始数值、21天滑动平均以及183天滑动平均分别作为太阳影响因素的输入量，Ap指数作为磁活动影响因素的输入量，计算得到的结果如图11所示.由图可见，使用F10.7原始数值进行计算，在F10.7数值较大的情况下，模型会过高估计周跳的发生率，使用21天滑动平均计算得到的结果能够部分地反映周跳发生率的日－日变化情况，但仍存在过高估计周跳发生率的情况，而使用183天滑动平均计算得到的周跳发生率日－日变化虽不明显，但总体趋势仍与实际情况符合较好.图9 关于F10.7指数年平均值的四组函数，分别对应1到4次幂形式Fig.9 Four functions on the annual mean F10.7index，corresponding the forms from first to fourth power图10 2002年XIAM站GPS周跳发生次数与地磁指数Ap的比较Fig.10 Theoccurrence of the GPS Cycle Slips at XIAM station versus geomagnetic Apindex in 2002图11 使用（a）F10.7原始数据，（b）F10.7的21天滑动平均，（c）F10.7的183天滑动平均输入模型计算1999年至2005年XIAM站的周跳日发生率Fig.11 Modeled daily occurrence of the GPS Cycle Slips at XIAM station from 1999to 2005，inputting with（a）the original F10.7index，（b）21－day slip average of the F10.7index，（c）183－day slip average of theF10.7index表2是对模型计算精度的整体评估，表中给出了模型使用不同F10.7参量的计算结果与XIAM和GUAN台站之间的相关系数.使用原始F10.7计算的结果与实测数据的相关系数最小，约为0.5，使用F10.7的21天滑动平均计算的结果有所改善，相关系数约为0.55，使用183天滑动平均计算的结果则有明显的改善，相关系数约0.6.表2 模型计算的1999—2005年周跳发生率与实测数据的相关系数Table 2 The correlation coefficients between modeling and observation of GPS Cycle Slip daily occurrence，using three different types of F10.7as input相关系数F10.7原始数据 21天滑动平均 183天滑动平均XIAM 0.5 0.55 0.58 GUAN 0.51 0.56 0.61表3中列出了模型使用183天滑动平均F10.7计算的结果与实测数据之间的详细比较结果.这里我们将日周跳计数大于等于25记为闪烁日，表中所分析的对象为模型对于闪烁日的预报精度（准确率：Acc%；误报率：Mis%）.其中式中的Accuracy＿Count为模型预报的闪烁日与实际闪烁日相符的天数，Cycle＿Slip＿Day＿Count为实际的闪烁日天数，Miss＿Count为模型预报的闪烁日与实际闪烁日不相符的天数，Quiet＿Day＿Count为非闪烁日的天数.结果表明，模型对于闪烁日的预报准确率约为80%，而误报率约为20%.另外，由于我们选择的进行模式化的参数为GPS周跳，该参数是一种效应参数，可以理解为是电离层闪烁效应的一种示踪量.它与电离层闪烁有直接的关系，但不能全面描述电离层闪烁强度分布的连续变化.可以将周跳的统计分布规律理解为电离层闪烁大于一定强度的电离层闪烁的分布规律.可以从在地方时变化上周跳主要发生在午夜前，以及在2003年以后周跳很少发生这两个方面看出这一点.因此本文开展的电离层闪烁效应模式化研究结果描述的是电离层强闪烁统计规律，进一步的工作就是通过与具体电离层强闪烁数据的相关分析，修正模式的系数.表3 XIAM站与GUAN站使用183天滑动平均的F10.7作为输入，在2000—2002年间对闪烁日的预报准确率比较Table 3 Prediction accuracy for days of 2000to 2002that GPS Cycle Slip counts≥25by using slip 183day average of F10.7for modeling at XIAM and GUAN station注：CS为实测天数，Mod为预报天数，Acc为命中天数，Acc%为准确率，Mis%为误报率.XIAM 183天滑动平均天滑动平均CS Mod Acc Acc% Mis% CS Mod Acc Acc% Mis%GUAN 183 2000 60 126 48 80.0 25.5 76 126 62 81.5 22.1200173 109 53 72.6 19.173 109 57 78.0 17.8 2002 73 115 60 82.118.8 90 115 70 77.7 16.35 结论针对周跳发生率的统计分析表明，周跳发生率具有明显的时间变化特点，这些特点与中国低纬度地区的闪烁发生率的时间变化特点是一致的，可以作为闪烁效应数据开展电离层闪烁效应模式化工作.从建模过程中开展的工作来看，闪烁效应的计算模式基本考虑了影响电离层闪烁效应的各种参数，以地方时、年积日、F10.7、Ap 指数为输入参数，能够在一定程度上反映电离层闪烁效应的规律.研究结果表明：（1）周跳发生率存在着地方时分布，周跳主要发生在日落19∶00LT后到午夜。
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南海 地 区 ， 均 处在磁 赤 道异 常 区的峰值 区域 ， 其 闪 烁
出现 率 和严 重程度 较 磁 赤 道 和 极 区 都显 著 ， 在 全球 范 围 内是 电离层 闪烁 衰落 出现 最 频 繁 、 影 响 最 严 重
的地 区之 一 。甄卫 民［ 、 冯 健［ 、 周彩 霞 ［ 。 等 人 利用
（ Ｉ ． 中 国 电 波传 播 研 究 所 ， 山东 青 岛 ２ ６ ６ １ ０ ７ ；
２ ． 西安电子科技大学 ， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ７ １ ）
摘 要 ：电 离层 闪烁会 导致 地 空无 线 电信 号 产 生随机 起 伏 ， 影 响各 种 地 空信 息 系统 的 工 作 性 能 。为 了满足 电 离层 闪烁影 响效应 评 估 的应 用 需求 ， 建 立 了一 个 卫 星信 号 电 离层 闪烁模 型 。该模 型 是在 对 闪烁信 号 衰落特 性进 行 统计 分析 的 基础 上 建 立 的 ， 它将 信 道 函数 分 为 直接 分 量和 随机 多径 成分 两部 分 。模 型可根 据输 入 的 电离层 闪烁指 数和 去相 关 时间仿 真 出信 号振 幅 和相 位 的变化 ， 并 可直接 嵌入 到各 类卫 星 信 号模 拟 器 中， 用 于卫 星 导航 、 卫 星 通信 等 系统 的
的定位 性 能＿ ６ 。
电离 层 闪烁 的强度通 常利 用信 号 幅度 闪烁指 数 ｓ 来表 示 ， 它定 义为信 号强 度 的归一 化 方差 为
上 述 工作 主要 利用 实测 电离层， 还 需 要 实 现 对 电 离层 闪烁 影 响的可 重 复实现 能 力 ， 以满足 对接 收机 开发 测试 、 电
２ ． ２ 振 幅 概 率 分 布 模 型
由前 面 分 析 可 知 ， Ｎａ ｋ ａ ｇ ａ ｍｉ — ｍ 和 Ｎａ ｋ ａ ｇ ａ ｍｉ 一 １ ３ ．
两 种分 布 函数 都 能很好 的描 述 闪烁影 响下 衰落 信道
１ ４
全
球
定
位 系 统
第 ３ ８卷
２ 电离 层 闪烁 仿 真 模 型
要 描 述 闪烁 衰 落 信道 的变 化 ， 应先 分 析 闪烁信
号 的 振幅分 布特 性 ， 在此 基础 上建 立闪烁 仿 真模型 。
２ ． １ 闪烁 信号 振幅 分布 特征 分析
由图 １可 知 ， 在弱 、 中和强 三种 闪烁情 况 下， Ｎａ ｋ ａ ｇ ａ ｍｉ — ｍ 和 Ｎａ ｋ ａ ｇ ａ ｍｉ 一 １ ３ ＿ 分 布 的概 率分布 相似 。
Ｇ Ｐ Ｓ卫 星信 号 对 低 纬 地 区 Ｌ频 段 的闪 烁进 行 了监
测 和研 究 。刘 钝 等人 利 用 实 测 的 ＧＰ Ｓ数 据 和 闪烁
数据 ， 分 析 了 电 离 层 闪 烁 对 定 位 性 能 的 影 响 效 应［ ４ ］ ， 并 基 于 卫 星 导 航 接 收 机 模 型 和 用 户 定 位 算 法， 仿 真 了 中国区域 内卫 星 导 航 用 户 在 闪烁 情 况 下
相 关时 间 （ 表 征信 号 衰 落 的快 慢 ） 等 参量 ， 模 型 可 以
给 出信 号 的振 幅和相 位变化 。模 型输 出 的 电离 层 闪 烁影 响下 的信 号可 用 于 电离 层 闪烁对 接 收机影 响 的 分析、 测 试 和评估 。
１ 电离 层 闪烁
当无 线 电波 穿越 电离层 传 播 时 ， 受 电离层 不 规 则结 构 的影 响 ， 造 成 信 号 的振 幅 、 相 位 等 的 随 机 变 化， 称 作 电离层 闪烁 。 由于 电离 层 不 规则 结 构 内部 折射 指数 的 随机变 化 ， 无 线 电波 的 电磁 能 量 被 散 射 而重 新分 布 ， 波能量 的重 新 分 布 引 起 电波 振 幅和 相 位 以复杂 的方 式快 速 改 变 ， 使 接 收 到 的信 号 出现 闪 烁现 象 。 电 离 层 闪 烁 影 响 的 无 线 电 频 段 从 几 十
Ｓ ＝ ： ＝ ／ ＜ １ ２ ＞ － ＜ Ｉ ＞ ２ 一 ，
式中， —ａ 。 ， ａ为信 号振 幅 。
（ １ ）
离层 闪烁 强度 与接 收机性 能 影响定 量 分析 等工 作 的
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ４ — １ ２ 联系人 ： 冯健 Ｅ — ｍａ ｉ ｌ ： ｆ ｅ ｎ ｇ ｊ ｉ ａ ｎ ４ ２ ８ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ
第 ３ ８卷 第 ３期 ２ ０ １ ３年 ６月
全 球 定 位 系 统
Ｇ Ｎ ＳＳ Ｗ ｏｒｌ ｄ ｏｆ Ｃｈｉ ｎａ
Ｖｏ １ ． ３ ８， ＮＯ ． ３ Ｊ ｕ ｎ ｅ ． ２ Ｏ １ ３
卫星 信 号仿 真 电离层 闪烁 模 型 研 究
冯 健 ， 刘 钝 ， 甄 卫 民
衰 落信 道仿 真 。 关 键 词 ：卫 星 信 号 ； 电离层 闪烁 ； 衰 落信 道
中图分类 号 ： Ｐ ２ ２ ８ ． ４
文献 标 志码 ： Ａ
文 章 编 号 ：１ ０ ０ ８ — ９ ２ ６ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ － ０ ０ １ ３ － ０ ４
Ｉ Ｊ 引
舌
需 要 。为此 ， 开发 了电离层 闪烁 的仿 真模 型 ， 该 模 型 的输入 包括 电离层 闪 烁指数 （ 表 征 闪烁 的强弱 ） 和 去
电离 层 闪烁 会 引 起 地 空 无 线 电信 号 的 随 机 起 伏， 导致 地 空无线 电系统性 能 下降 ， 严 重 时可 造成 卫 星导 航 系统 、 卫 星通 信 系 统 、 地基 雷达和星载 Ｓ ＡＲ 等 系统 的信 号 中断 ， 使 系统 无法 工作 。 闪烁 现象 具有 较强 的时间 和空 间变化 特征 。我 国南 方 地 区 ， 特 别是 台湾 、 福建、 广东、 广西、 海 南及