司南电离层监测机精度分析

王誉铮，周禧田

（1.北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院，北京 102616；2.中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

电离层是高度约为60~1000km 范围内的离子化大气层，大量的自由电子和正离子存在于该区域内[1]。当GNSS 卫星信号穿过电离层时，会发生反射、折射、散射和吸收等现象，使信号产生传播时延、色散效应和多普勒效应等[2]。电离层电子密度不均性会影响无线电波的速度及传播质量，使信号发生的振幅、相位以及偏振方向快速随机起伏现象被称为电离层闪烁。统计表明，电离层闪烁有明显的日变化，并受当地地方时、季节、经纬度、太阳活动和地磁活动所影响[3-4]。在太阳活动比较剧烈的时候，电离层闪烁比平时更加剧烈[5]。在不同纬度，电离层闪烁的程度也不一样，一般在中纬度地区电离层闪烁主要发生在夜间且闪烁程度大，而白天很少有闪烁发生[6]。

电离层不规则结构是引起电离层闪烁的原理。在20 世纪50 年代中期以前，关于电离层结构及物理特性的探讨主要使用地面电离层测高仪。在20 世纪50 年代后，随着地球卫星的研发成功，电离层探测进入了一个从地面到空间的观测时代。除了电离层测高仪，大功率雷达（相干和非相干雷达）是后来发展起来的探测手段。雷达的频率范围有数十兆到数百兆之间，探测频率是大于电离层的最大频率，收到的是不规则结构或者电子的散射波。利用非相干散射雷达可以获得有关电离层中不规则结构的漂移速度、相应的电场或漂移等信息[7]。

但是由于非相干散射雷达造价和运营的成本昂贵，难以推广。同时，全天空光学图像也被应用于等离子体泡的观测与研究[8]。

另一类探测技术主要是依据电离层对电波传播的效应。即当卫星信号穿过电离层的时候，其相位路基、群路基和信号强度都会受电离层不规则结构的影响，造成多普勒频移或偏振面旋转等，这样就可以得到沿传播路径的积分效应（电离层电子含量）[9]。

随着大量电离层闪烁探测设备的发明和探索数据的大量积累，国际上很多机构建立了区域或全球电离层闪烁经验模式，用于电离层闪烁的预报。NWRA（Northwest Research Associates）组织根据电离层等离子不规则的结构和穿过电离层的电波传播效应，提出了一种电离层闪烁模型WBMOD。WBMOD 可以通过结合实时电子密度不规则结构和电离层闪烁资料，比较准确地估算出当前的电离层闪烁情况。Grovesetat 将WBMOD 模型应用在SCINDA（Scintillation Network Decision Aid）系统上，可以向用户实时提供区域性的电离层闪烁状况预报[10]。

为此，国内对电离层闪烁的监测进行了大量研究，本文将国内的司南电离层监测机与Spetentrio PolaRx5s 电离层监测机进行比较。

1 电离层闪烁指数

在电离层闪烁过程中，通过计算幅度闪烁指数和相位闪烁指数来衡量电离层闪烁造成的影响，其中幅度闪烁指数尤为重要[11]。GNSS 接收机收到的信号可以用以下简化模型表达

式中：r（t）是接受的信号，p 是收到的信号功率（watts），w 是载波频率（rad/s），s（t）为归一化后的传输信号，n（t）为信号造成，φ 为接收机接受的载波相位。

电离层闪烁引起的幅度或相位扰动以及闪烁下的信号可以用以下模型表示

式中：δφ 为接收机接受的载波相位误差。

1.1 幅度闪烁指数

幅度闪烁一般由尺度在数十米至数百米的不规则体引起的，确切地说是小于第一非涅尔半径的不规则体。S4 是表征电离层闪烁强度的一个重要指标，定义为每分钟信号强度的标准差除以接收功率的平均值[12]。但为更精确确定幅度变化情况，信号强度还需要剔除信号源运动和多路径效应等对接受信号的影响，在本文中主要通过滤波的方式剔除[13-14]。

式中：＜*＞表示*的数学期望，SI 表示信号的强度。S4越大，则表示电离层闪烁得越强，当达到1 时闪烁达到了饱和。

1.2 相位闪烁指数

相位闪烁也是衡量电离层闪烁强弱的重要指标之一，表示接受信号的相位变化情况。通常是由尺度数百米至数千米的不规则体引起的，用phi 表示相位闪烁指数，定义为载波相位的标准差[15-18]。

式中：φ 为接收机接受的载波相位。由于幅度和相位闪烁指数对频率不同的依赖性，导致相位闪烁指数比幅度闪烁指数更为敏感。

2 实验方案和结果

2.1 方案

方案1：在单GPS 系统下，分别使用司南电离层监测机和Spetentrio PolaRx5s 监测机监测L1C 频率的幅度闪烁差值时间序列数据。

方案2：在单GPS 系统下，分别使用司南电离层监测机和Spetentrio PolaRx5s 监测机监测L1C 频率的相位闪烁差值时间序列数据。

方案3：在单BDS 系统下，分别使用司南电离层监测机和Spetentrio PolaRx5s 监测机监测BIL 频率的幅度闪烁差值时间序列数据。

2.2 结果

一般电离层闪烁中的幅度闪烁可以分为3 个等级：弱闪烁（0.1＜S4＜0.3）、中等闪烁（S4＞0.3）、高等闪烁（S4＞0.6）。从图1 和图2 可以看出，对比GPS 在L1C频率中Septentrio 和司南的幅度闪烁发现，用Septentrio 电离层闪烁监测机监测发生中等幅度闪烁卫星数大于司南电离层闪烁监测机，而且司南电离层闪烁监测机监测的幅度闪烁一般都是弱闪烁，意味着在监测期间电离层闪烁对数据接受以及定位影响不大。同时从2 个电离层闪烁监测机看出发生幅度闪烁一般是中午和凌晨2 个时间段。

图1 在GPS 的1 号卫星L1C 频率，司南电离层监测机与Spetentrio PolaRx5s 监测机监测的幅度闪烁差值时间序列数据

图2 在GPS 的2 号卫星L1C 频率，司南电离层监测机与Spetentrio PolaRx5s 监测机监测的幅度闪烁差值时间序列数据

在图3 和图4，Septentrio 和司南在GPS 的相位闪烁活动时间序列可以看出，相同卫星存在变化趋势一致的部分，只是由于不同电离层监测机观测，导致观测卫星数目不统一和观测的相位闪烁标准不一致使数值之间存在差异。但对于Septentrio 和司南电离层监测机，相位闪烁变化大都是处于中午和凌晨时间段。

图3 在GPS 的1 号卫星L1C 频率，司南电离层监测机与Spetentrio PolaRx5s 监测机监测的相位闪烁差值时间序列数据

图4 在GPS 的2 号卫星L1C 频率，司南电离层监测机与Spetentrio PolaRx5s 监测机监测的相位闪烁差值时间序列数据

从图5 和图6 可以看出，从趋势上：Septentrio 和司南监测到幅度闪烁变化趋势是有一定相似的，都是在中午、凌晨这个时间段发生幅度闪烁快速变化。从大小上：司南电离层闪烁监测机监测到的卫星几乎都是发生弱幅度闪烁，故需要探讨谁监测的幅度闪烁更准确，则需要从接受数据质量或者定位精度等方面进行比较。

图5 在BDS 的1 号卫星BIL 频率，司南电离层监测机与Spetentrio PolaRx5s 监测机监测的幅度闪烁差值时间序列数据

图6 在BDS 的2 号卫星BIL 频率，司南电离层监测机与Spetentrio PolaRx5s 监测机监测的幅度闪烁差值时间序列数据

3 结论

在GPS 系统，司南电离层监测机监测的电离层幅度闪烁和相位闪烁在精度上与Spetentrio PolaRx5s 监测机相一致，幅度闪烁互差和相位闪烁互差不超0.1mm。因此，在电离层闪烁的地区，对GPS 电离层闪烁监测的设备可以用司南电离层监测机代替Spetentrio PolaRx5s 监测机。

在BDS 系统，本文对电离层幅度闪烁进行了实验，司南电离层监测机和Septentrio PolaRx5s 电离层监测机监测的幅度闪烁变化趋势是有一定相似。在电离层闪烁程度不大的情况下，对BDS 电离层幅度闪烁监测的设备可以用司南电离层监测机代替Spetentrio PolaRx5s 监测机。

综合上述，不论对GPS 系统还是BDS 系统电离层闪烁监测，司南电离层监测机的监测精度相对Spetentrio PolaRx5s 监测机的监测精度十分接近。