无线电掩星技术探测电离层的误差分析研究-上海天文台

中国科学院上海天文台年刊

2014年总第35期Annals of Shanghai Astronomical Observatory,CAS No.35,2014

无线电掩星技术探测电离层的

误差分析研究

仵梦婕1,2，郭鹏1，胡小工1，马新欣3，徐贤胜4

(1.中国科学院上海天文台，上海200030； 2.中国科学院大学，北京100049； 3.中国地震局地球物理

研究所，北京100081；4.浙江大学宁波理工学院，宁波315100)

摘要：无线电掩星技术探测中性大气和电离层已经成为探索地球空间环境、科学研究以及天气

预报的较为成熟的手段，如何更好地了解数据采集和计算处理过程中出现的误差和它们的作用机

制，是现今该领域的研究热点。掩星探测技术的误差主要包括平台及星上测量误差和地面反演算

法误差。基于EGOPS软件和自编程序，分别采用球对称电离层双查普曼(double Chapman)模

型和非球对称的国际参考电离层(international reference ionosphere,IRI)模型，模拟GPS电离

层掩星数据，从而分析星上的各种测量和平台误差源以及基于球对称假设的算法误差的影响，通

过反演的电离层F2层电子峰值密度来进行误差统计。结果表明：一方面，几项主要的测量和平

台误差对掩星反演电离层的影响均较小，其中，2mm以下的接收机噪声误差可以保证反演精度

基本不受影响；钟稳定度在10−13∼10−12量级范围内时，接收机钟误差对反演的影响较小，可

以满足基本的精度需求；局部多路径效应的模拟正弦波信号通过误差幅度和周期共同影响反演误

差；20cm以下的轨道误差可以确保电离层反演的精度，电离层反演时采用定轨误差为10cm量

级的现有轨道，则反演结果基本不受影响。另一方面，电离层的电子密度球对称假设是反演的主

要误差源，可引起高达30%的峰值密度相对误差，其误差分布具有地方时、地磁纬度和季节特

性：在冬季，日出(地方时4.00h－8.00h)和日落(16.00h－20.00h)时段误差最大，冬半球误

差大于夏半球，中纬(30◦－60◦)地区比低纬(0◦－30◦)和高纬区(60◦－90◦)的反演结果好。在

夏季，误差的分布在地方时、纬度尺度上都与冬季情况相反。

关键词：无线电掩星；电离层；平台和测量误差；非球对称；EGOPS

中图分类号：P412.294

1引言

自1995年4月美国大学大气研究联合会(University Cooperation for Atmospheric Re-search,UCAR)将携带有全球定位系统(global positioning system,GPS)接收机的Microlab-1低轨卫星发射升空，圆满完成预期的科学实验目标后，其他国家相继开展了各自的掩星计划，探索并推进GPS无线电掩星技术在地球大气和电离层探测领域的应用。比较著名的有SUNSAT(美国、南非)、CHAMP(美国)、SAC-C(阿根廷)、Metop(欧盟)、GRACE(美

收稿日期：2013-12-30；修回日期：2014-05-09

资助项目：地震行业科研专项(201108004)；国家自然科学基金(11273047)；上海市科委科研计划项目(12DZ1111100)

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国、德国)和COSMIC(美国、中国台湾)，其中COSMIC(constellation observing system for meteorology ionosphere and climate)是由美国和中国台湾地区合作发射的包含六颗同平面低轨卫星的星座。这项计划提供近实时的天气和空间气候数据，并且向全球发布折射率、气压、温度、湿度和倾斜路径电子含量、电子密度以及电离层闪烁等信息，其携带的GPS接收机具有开环接收功能，可以有效地接收低信噪比信号，对于提高底层大气的探测能力有重要作用，也大大地提高了观测得到的掩星数目[1]。近年来，中国在发射气象、地磁卫星、建立中国气象和地震探测网的领域有了很大发展。中国气象局在风云卫星计划中规划了全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)/低轨卫星(low earth orbit satellite,LEO)掩星探测任务，力图开展全球大气探测的气象业务。地震电磁探测试验卫星将用于获取全球电磁场、等离子体和高能粒子的数据，通过加载于试验卫星上的掩星天线，收集掩星观测数据，进行电离层反演，从而识别大地震发生前相关的电磁、电离层和高能粒子异常情况，探索大地震短期预报的方法。

如今利用掩星技术探测地球大气已经发展出较为成熟的探测体系和处理方法，研究如何提高观测数据质量，消除或削弱误差影响，改进计算方法是许多学者关心的课题。Kuo等人利用CHAMP卫星的掩星观测数据评估了不同高度处测量误差对反演的影响[1]，Yue等人从仿真和实测两方面验证阿贝尔(Abel)反演电离层的方法带来了赤道两侧的电子密度异常[2]，张训械等人讨论了电离层水平不均匀性对无线电掩星反演的影响[3]。系统中存在的误差主要包括平台及星上测量误差和地面反演算法误差。星上的测量误差包括天线相位中心误差、接收机测量噪声、数据采样频率、多路径效应等，平台引起的误差主要有LEO和GNSS卫星的轨道误差、钟误差、卫星姿态等。地面反演算法误差有总电子含量(total electron content, TEC)改正引入的误差、电离层的信号直线传播假设、电子密度球对称分布假设等[4]。

本文从掩星探测技术反演电离层的全过程出发，首先利用端对端通用掩星仿真及处理系统(end-to-end generic occultation performance simulation and processing system,EGOPS)软件模拟测量平台的各项误差，研究这些误差对反演结果的精度影响。为了减少其他误差源的影响，采用球对称的电离层背景模型以减少算法误差，仅关注接收机测量噪声、钟误差、多路径效应以及LEO和GNSS卫星的轨道误差等对反演结果造成的影响、各自的比重和精度范围。然后利用COSMIC数据分析和归档中心(COSMIC Data Analysis and Archival Center,CDAAC)发布的COSMIC的观测数据，避免直接使用真实相位观测值，使用IRI模型独立计算掩星事件的TEC进行反演，在消除测量误差源的情况下，研究电离层球对称分布假设对反演的影响，获得了误差大小和分布随地方时、地磁纬度和季节变化的特征。

2基本原理

2.1电离层反演

电离层反演基于阿贝尔算法，在圆轨道假设、信号近似直线传播、电子密度球对称分布的基本假设下进行[4]。通过GPS双频f1和f2的载波相位延迟的观测数据L1和L2进行线性组合，可以得到单条信号的总电子含量T EC(单位：1016m−2)：