司南電離層監測機精度分析

王譽錚，周禧田

（1.北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院，北京 102616；2.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

電離層是高度約為60~1000km 范圍內的離子化大氣層，大量的自由電子和正離子存在于該區域內[1]。當GNSS 衛星信號穿過電離層時，會發生反射、折射、散射和吸收等現象，使信號產生傳播時延、色散效應和多普勒效應等[2]。電離層電子密度不均性會影響無線電波的速度及傳播質量，使信號發生的振幅、相位以及偏振方向快速隨機起伏現象被稱為電離層閃爍。統計表明，電離層閃爍有明顯的日變化，并受當地地方時、季節、經緯度、太陽活動和地磁活動所影響[3-4]。在太陽活動比較劇烈的時候，電離層閃爍比平時更加劇烈[5]。在不同緯度，電離層閃爍的程度也不一樣，一般在中緯度地區電離層閃爍主要發生在夜間且閃爍程度大，而白天很少有閃爍發生[6]。

電離層不規則結構是引起電離層閃爍的原理。在20 世紀50 年代中期以前，關于電離層結構及物理特性的探討主要使用地面電離層測高儀。在20 世紀50 年代后，隨著地球衛星的研發成功，電離層探測進入了一個從地面到空間的觀測時代。除了電離層測高儀，大功率雷達（相干和非相干雷達）是后來發展起來的探測手段。雷達的頻率范圍有數十兆到數百兆之間，探測頻率是大于電離層的最大頻率，收到的是不規則結構或者電子的散射波。利用非相干散射雷達可以獲得有關電離層中不規則結構的漂移速度、相應的電場或漂移等信息[7]。

但是由于非相干散射雷達造價和運營的成本昂貴，難以推廣。同時，全天空光學圖像也被應用于等離子體泡的觀測與研究[8]。

另一類探測技術主要是依據電離層對電波傳播的效應。即當衛星信號穿過電離層的時候，其相位路基、群路基和信號強度都會受電離層不規則結構的影響，造成多普勒頻移或偏振面旋轉等，這樣就可以得到沿傳播路徑的積分效應（電離層電子含量）[9]。

隨著大量電離層閃爍探測設備的發明和探索數據的大量積累，國際上很多機構建立了區域或全球電離層閃爍經驗模式，用于電離層閃爍的預報。NWRA（Northwest Research Associates）組織根據電離層等離子不規則的結構和穿過電離層的電波傳播效應，提出了一種電離層閃爍模型WBMOD。WBMOD 可以通過結合實時電子密度不規則結構和電離層閃爍資料，比較準確地估算出當前的電離層閃爍情況。Grovesetat 將WBMOD 模型應用在SCINDA（Scintillation Network Decision Aid）系統上，可以向用戶實時提供區域性的電離層閃爍狀況預報[10]。

為此，國內對電離層閃爍的監測進行了大量研究，本文將國內的司南電離層監測機與Spetentrio PolaRx5s 電離層監測機進行比較。

1 電離層閃爍指數

在電離層閃爍過程中，通過計算幅度閃爍指數和相位閃爍指數來衡量電離層閃爍造成的影響，其中幅度閃爍指數尤為重要[11]。GNSS 接收機收到的信號可以用以下簡化模型表達

式中：r（t）是接受的信號，p 是收到的信號功率（watts），w 是載波頻率（rad/s），s（t）為歸一化后的傳輸信號，n（t）為信號造成，φ 為接收機接受的載波相位。

電離層閃爍引起的幅度或相位擾動以及閃爍下的信號可以用以下模型表示

式中：δφ 為接收機接受的載波相位誤差。

1.1 幅度閃爍指數

幅度閃爍一般由尺度在數十米至數百米的不規則體引起的，確切地說是小于第一非涅爾半徑的不規則體。S4 是表征電離層閃爍強度的一個重要指標，定義為每分鐘信號強度的標準差除以接收功率的平均值[12]。但為更精確確定幅度變化情況，信號強度還需要剔除信號源運動和多路徑效應等對接受信號的影響，在本文中主要通過濾波的方式剔除[13-14]。

式中：＜*＞表示*的數學期望，SI 表示信號的強度。S4越大，則表示電離層閃爍得越強，當達到1 時閃爍達到了飽和。

1.2 相位閃爍指數

相位閃爍也是衡量電離層閃爍強弱的重要指標之一，表示接受信號的相位變化情況。通常是由尺度數百米至數千米的不規則體引起的，用phi 表示相位閃爍指數，定義為載波相位的標準差[15-18]。

式中：φ 為接收機接受的載波相位。由于幅度和相位閃爍指數對頻率不同的依賴性，導致相位閃爍指數比幅度閃爍指數更為敏感。

2 實驗方案和結果

2.1 方案

方案1：在單GPS 系統下，分別使用司南電離層監測機和Spetentrio PolaRx5s 監測機監測L1C 頻率的幅度閃爍差值時間序列數據。

方案2：在單GPS 系統下，分別使用司南電離層監測機和Spetentrio PolaRx5s 監測機監測L1C 頻率的相位閃爍差值時間序列數據。

方案3：在單BDS 系統下，分別使用司南電離層監測機和Spetentrio PolaRx5s 監測機監測BIL 頻率的幅度閃爍差值時間序列數據。

2.2 結果

一般電離層閃爍中的幅度閃爍可以分為3 個等級：弱閃爍（0.1＜S4＜0.3）、中等閃爍（S4＞0.3）、高等閃爍（S4＞0.6）。從圖1 和圖2 可以看出，對比GPS 在L1C頻率中Septentrio 和司南的幅度閃爍發現，用Septentrio 電離層閃爍監測機監測發生中等幅度閃爍衛星數大于司南電離層閃爍監測機，而且司南電離層閃爍監測機監測的幅度閃爍一般都是弱閃爍，意味著在監測期間電離層閃爍對數據接受以及定位影響不大。同時從2 個電離層閃爍監測機看出發生幅度閃爍一般是中午和凌晨2 個時間段。

圖1 在GPS 的1 號衛星L1C 頻率，司南電離層監測機與Spetentrio PolaRx5s 監測機監測的幅度閃爍差值時間序列數據

圖2 在GPS 的2 號衛星L1C 頻率，司南電離層監測機與Spetentrio PolaRx5s 監測機監測的幅度閃爍差值時間序列數據

在圖3 和圖4，Septentrio 和司南在GPS 的相位閃爍活動時間序列可以看出，相同衛星存在變化趨勢一致的部分，只是由于不同電離層監測機觀測，導致觀測衛星數目不統一和觀測的相位閃爍標準不一致使數值之間存在差異。但對于Septentrio 和司南電離層監測機，相位閃爍變化大都是處于中午和凌晨時間段。

圖3 在GPS 的1 號衛星L1C 頻率，司南電離層監測機與Spetentrio PolaRx5s 監測機監測的相位閃爍差值時間序列數據

圖4 在GPS 的2 號衛星L1C 頻率，司南電離層監測機與Spetentrio PolaRx5s 監測機監測的相位閃爍差值時間序列數據

從圖5 和圖6 可以看出，從趨勢上：Septentrio 和司南監測到幅度閃爍變化趨勢是有一定相似的，都是在中午、凌晨這個時間段發生幅度閃爍快速變化。從大小上：司南電離層閃爍監測機監測到的衛星幾乎都是發生弱幅度閃爍，故需要探討誰監測的幅度閃爍更準確，則需要從接受數據質量或者定位精度等方面進行比較。

圖5 在BDS 的1 號衛星BIL 頻率，司南電離層監測機與Spetentrio PolaRx5s 監測機監測的幅度閃爍差值時間序列數據

圖6 在BDS 的2 號衛星BIL 頻率，司南電離層監測機與Spetentrio PolaRx5s 監測機監測的幅度閃爍差值時間序列數據

3 結論

在GPS 系統，司南電離層監測機監測的電離層幅度閃爍和相位閃爍在精度上與Spetentrio PolaRx5s 監測機相一致，幅度閃爍互差和相位閃爍互差不超0.1mm。因此，在電離層閃爍的地區，對GPS 電離層閃爍監測的設備可以用司南電離層監測機代替Spetentrio PolaRx5s 監測機。

在BDS 系統，本文對電離層幅度閃爍進行了實驗，司南電離層監測機和Septentrio PolaRx5s 電離層監測機監測的幅度閃爍變化趨勢是有一定相似。在電離層閃爍程度不大的情況下，對BDS 電離層幅度閃爍監測的設備可以用司南電離層監測機代替Spetentrio PolaRx5s 監測機。

綜合上述，不論對GPS 系統還是BDS 系統電離層閃爍監測，司南電離層監測機的監測精度相對Spetentrio PolaRx5s 監測機的監測精度十分接近。