莫平華,歐　明,張風(fēng)國

(1.中國商飛上海飛機設(shè)計研究院大客項目部,上海 200232;

2.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430079;3.中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

GNSS/LEO無線電掩星電離層探測仿真研究

莫平華1,歐明2,3,張風(fēng)國3

(1.中國商飛上海飛機設(shè)計研究院大客項目部,上海 200232;

2.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430079;3.中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

摘要：無線電掩星是實現(xiàn)全球電離層探測的重要手段之一。針對GNSS/LEO掩星探測電離層的特點,基于電離層掩星的判決條件,通過NeQuick模型實現(xiàn)了電波彎曲角和絕對總電子含量的數(shù)據(jù)仿真,利用阿貝爾變換法(Abel Transform)和穿刺法實現(xiàn)了電離層電子密度剖面的有效反演,統(tǒng)計分析結(jié)果驗證了NeQuick模型用于GNSS/LEO無線電掩星電離層探測仿真的可行性。

關(guān)鍵詞：無線電掩星;電離層;NeQuick模型

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.002

中圖分類號：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：號： 1008-9268(2015)03-0006-05

收稿日期：2015-03-31

作者簡介

Abstract:Radio occultation is one of the most important ways in ionospheric monitoring. By analyzing the characteristic of GNSS/LEO-based radio occultation, NeQuick model was utilized for absolute total electron content (TEC) and bending angle calculation based on the judgments of ionospheric occultation, while Abel transform and piecing method are using for the inversion of the ionospheric electron density profiles. Simulation results validate the feasibility of the NeQuick model for simulating the ionospheric monitoring with GNSS/LEO-based radio occultation.

0引言

電離層延遲是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重要的誤差源之一,嚴(yán)重影響著用戶的定位精度。為實現(xiàn)電離層的精確探測,世界各國發(fā)展了大量的電離層探測方法,GNSS/LEO無線電掩星作為最近幾年迅速發(fā)展起來的一門全新的空間電離層遙感技術(shù),它利用低軌LEO衛(wèi)星搭載高精度的雙頻GNSS接收機,臨邊接收GNSS衛(wèi)星發(fā)射的信號。由于衛(wèi)星平臺及地球的相互運動及掩星過程中電磁波與電離層的相互作用,獲得不同高度的附加相位及振幅等信息,由此反演出電波彎曲角、電離層總電子含量、電子密度等參數(shù)廓線。該技術(shù)具有覆蓋區(qū)域廣、探測精度高等特點,正在成為世界各國電離層探測領(lǐng)域的熱點方向之一[1]。1995年,美國Microlab-1低軌衛(wèi)星(GPS/MET)發(fā)射成功,首次從理論和技術(shù)上證實了GPS無線電掩星技術(shù)用于探測電離層的可行性。隨后丹麥、南非、德國、阿根廷等也發(fā)射了專用的衛(wèi)星進(jìn)行電離層掩星探測[2-3]。2006年美國與中國臺灣成功發(fā)射了氣象/電離層及氣候衛(wèi)星探測星座(COSMIC),該星座由6顆低軌小衛(wèi)星組成,每天能在全球范圍內(nèi)提供超過2000 筆掩星電離層探測資料,大量的電離層觀測數(shù)據(jù)極大地促進(jìn)了空間物理學(xué)研究的發(fā)展,提升了空間環(huán)境預(yù)報的水平,具有極其重要的科學(xué)意義[4]。另外,澳大利亞和日本也都制定了各自的GNSS/LEO掩星觀測計劃,可以預(yù)見,掩星電離層探測在未來幾年中將獲得更大的發(fā)展。

為驗證單顆LEO衛(wèi)星或衛(wèi)星星座對電離層探測的敏感度、精度等指標(biāo)的影響,并對星座設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化,很多學(xué)者開展了大量的掩星探測的仿真研究,如利用射線追蹤法[5]、衛(wèi)星工具包(STK)[6]、EGOPS[7]等軟件模擬并分析掩星發(fā)生事件。NeQuick是由意大利薩拉姆國際理論物理中心的高空物理和電波傳播實驗室(ARPL ICTP, Trieste) 與奧地利格拉茨大學(xué)的地球物理、氣象和天體物理研究所(IGAM,University of Graz) 聯(lián)合開發(fā),用于支持歐洲伽利略(GALILEO)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一種電離層模型[8],NeQuick模型可以計算地球周邊60～22000 km上空任意點的垂直方向上電子總含量和斜距方向上的電子總含量,因此非常適合用于GNSS/LEO掩星電離層探測的仿真。本文針對GNSS/LEO掩星電離層探測仿真的需求,提出了一種基于NeQuick模型的掩星電離層探測仿真方法,該仿真方法針對電離層對掩星無線電信號的彎曲效應(yīng)非常小的特點,避免了復(fù)雜的射線追蹤運算,可降低仿真過程的計算量,仿真結(jié)果驗證了本文方法的可行性。

聯(lián)系人： 歐 明 E-mail: ohm1122@163.com

1掩星事件判決

根據(jù)LEO/GNSS無線電掩星實驗原理可知,只有當(dāng)GNSS衛(wèi)星發(fā)出的電波信號經(jīng)過地球大氣到達(dá)LEO衛(wèi)星時,掩星事件才發(fā)生。為了獲得掩星事件發(fā)生的條件,可以通過LEO衛(wèi)星對GNSS衛(wèi)星的碰撞點高度來進(jìn)行判斷[3]。碰撞點位置需要利用GNSS衛(wèi)星以及LEO衛(wèi)星的位置矢量坐標(biāo)進(jìn)行計算,具體計算方法為

1)計算矢量夾角θ

(1)

2)計算rLEO在rGPS-rLEO方向的投影截距

|rp|=|-rLEO|×cosθ.

(2)

3) 計算中間矢量

(3)

4) 計算碰撞點矢量

p=rLEO+rp,

(4)

其中: rLEO表示LEO衛(wèi)星的位置矢量; rGNSS表示GNSS衛(wèi)星的位置矢量,其它位置矢量的定義如圖1所示。

圖1　掩星事件位置矢量示意圖

根據(jù)碰撞點矢量信息即可計算得到碰撞點的高度。根據(jù)掩星碰撞點的高度可將掩星現(xiàn)象分為大氣掩星和電離層掩星。在真空近似下,電離層掩星的判斷條件為:掩星碰撞點大于 60km,小于LEO衛(wèi)星高度。

2掩星數(shù)據(jù)仿真

2.1　仿真流程

采用數(shù)值仿真的方法實現(xiàn)基于掩星電離層探測的模擬,仿真流程如圖2所示。

圖2　掩星電離層探測仿真流程

在仿真過程中,首先設(shè)定參與掩星電離層探測的GNSS與LEO衛(wèi)星星歷、時間、電離層模型等參數(shù)信息;衛(wèi)星軌道利用兩行軌道星歷(TLE)文件計算得到地心地固系下的衛(wèi)星坐標(biāo);基于GNSS-LEO射線傳播路徑與地球電離層的碰撞點,判決是否滿足電離層掩星事件條件,并完成掩星事件預(yù)測;利用預(yù)測的掩星事件的衛(wèi)星位置,結(jié)合NeQuick電離層模型,實現(xiàn)對掩星觀測數(shù)據(jù)的模擬,獲得電離層彎曲角與絕對TEC數(shù)據(jù),利用Abel轉(zhuǎn)換和穿刺法反演獲得電離層電子密度剖面,最后將反演結(jié)果與NeQuick模型給出的“真實”電子密度進(jìn)行對比,驗證電子密度反演方法的有效性。

1) 仿真參數(shù)設(shè)置

在電離層掩星預(yù)測與分析前,首先需要選擇GNSS與LEO衛(wèi)星作為掩星事件的輸入條件,在模擬時選擇GPS和GLONASS的TLE星歷作為GNSS衛(wèi)星的星歷輸入,選擇COSMIC星座六顆小衛(wèi)星的TLE星歷作為LEO的星歷輸入。仿真過程中同時需要輸入掩星預(yù)測的起始時刻。

2) 衛(wèi)星軌道計算

按照需要預(yù)測的起始時刻,利用TLE星歷結(jié)合簡化常規(guī)擾動的近似解析解模型(SGP4),計算得到GNSS與COSMIC衛(wèi)星的X,Y,Z坐標(biāo)與地理經(jīng)緯高坐標(biāo)。

3) 掩星事件預(yù)測

對電離層掩星事件進(jìn)行預(yù)測,如果符合電離層掩星的條件則將掩星發(fā)生時刻與GNSS、COSMIC衛(wèi)星的坐標(biāo)信息保存下來。如圖3所示為2011年3月21日UT20:03:55-20:06:40時刻的GPSPRN26衛(wèi)星與COSMICFM2衛(wèi)星間發(fā)生的一次掩星事件。圖中淺色的線為掩星在電離層中的射線路徑,淺線上的黑點代表碰撞點位置。

圖3　電離層掩星事件仿真結(jié)果

4) 掩星數(shù)據(jù)模擬

根據(jù)GNSS、COSMIC衛(wèi)星坐標(biāo),利用NeQui-

ck模型可計算出GNSS衛(wèi)星與COSMIC衛(wèi)星間的電離層TEC與電波彎曲角。

5) 仿真結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)據(jù)模擬結(jié)果,采用阿貝爾變換法(AbelTransform)和穿刺法(Piercingmethod)進(jìn)行電離層電子剖面反演并對反演精度進(jìn)行分析。

2.2　電離層TEC與電波彎曲角數(shù)據(jù)仿真

對于掩星觀測而言, 其直接測量即為電離層總電子含量(TEC),TEC可表示為沿觀測信號傳播路徑上電子密度的積分:

TEC=∫SNe(r)ds,

(5)

式中: TEC即為LEO衛(wèi)星與GNSS衛(wèi)星間射線路徑上的TEC觀測值; Ne(r)為路徑上的電離層電子密度; S為接收機至衛(wèi)星的視線路徑。通過輸入觀測時間、LEO衛(wèi)星和GNSS衛(wèi)星的坐標(biāo),利用NeQuick模型可以通過數(shù)值積分算法計算得到信號傳播路徑上電離層TEC數(shù)據(jù)。由電離層引起的導(dǎo)航信號頻率(L頻段)上的電波彎曲角是非常小的,掩星射線路徑被認(rèn)為是接近于直線,彎曲角可通過對電離層TEC的求導(dǎo)近似得到:

(6)

式中: α表示由于電離層折射導(dǎo)致的彎曲角; p表示碰撞點高度; f表示信號頻率。

2.3　電離層電子密度剖面數(shù)據(jù)仿真

掩星反演電離層電子密度剖面主要有兩種方法[3]:

1) 基于Abel變換法,利用彎曲角反演得到電離層的折射指數(shù)為

(7)

折射率與電子密度Ne間存在以下關(guān)系,通過折射指數(shù)與電子密度的轉(zhuǎn)換關(guān)系即可計算電子密度剖面:

(8)

2) 基于穿刺法,利用絕對TEC反演電離層電子密度剖面為

(9)

式中:

εk=(pi+1-pi)/pi.

3掩星仿真結(jié)果分析

基于掩星電離層探測仿真流程,如圖4示出了2011年3月21日UT00:00時刻仿真得到的一次掩星事件的電離層TEC與L1頻率(1 575.42 MHz)上的彎曲角計算結(jié)果。從圖中可以看出,對于電離層TEC而言,隨著LEO衛(wèi)星與GNSS/LEO掩星間的碰撞點高度的變化,電離層TEC有一個逐漸升高然后在緩慢下降的過程,其中電離層TEC在約260 km的碰撞點上達(dá)到最大,由此可判斷電離層在260 km附近存在一個極大值。從電波彎曲角的結(jié)果來看,隨著碰撞高度的上升,彎曲角呈現(xiàn)出了在260 km以下為正,260 km以上為負(fù)值的特點,可見隨著GNSS/LEO衛(wèi)星之間相對位置的變化,信號穿越的電離層區(qū)域發(fā)生了較大變化,從而導(dǎo)致了電波彎曲角由正值變成了負(fù)值。

圖4　電離層TEC與L1頻率上的彎曲角仿真結(jié)果

獲取電離層TEC和電波彎曲角后,分別利用Abel變換法與穿刺法反演了電離層的電子密度剖面。如圖5所示為同一時刻電離層電子密度反演結(jié)果。通過反演結(jié)果可以看出,兩種反演方法均能很好的反演出電離層的電子密度剖面分布,但是兩種方法在電離層底部反演的效果與真實分布存在一定的偏差,這一方面是由于電離層水平不均勻性分布造成的,另一方面是由于算法本身的誤差造成的。

圖5　電離層電子密度剖面反演結(jié)果

為進(jìn)一步驗證本文方法的掩星電離層反演精度,分別對無線電掩星反演的F2峰值電子密度NmF2和峰值電子密度高度hmF2進(jìn)行比較,如圖6所示為選取的64次掩星事件中兩種算法計算的電離層NmF2/hmF2與真實值之間的比較,從圖中可以看出,兩種算法均較好的重構(gòu)出了電離層的兩個特征參量,驗證了本文仿真方法的有效性。

圖6　電離層NmF2和hmF2的仿真結(jié)果比較

4結(jié)束語

本文基于NeQuick模型,利用數(shù)值仿真的方法對GNSS/LEO無線電掩星電離層探測技術(shù)進(jìn)行了研究,給出了電波彎曲角、電離層TEC、電離層電子密度剖面的計算方法,并對Abel變換法及穿刺法反演的電子密度剖面精度進(jìn)行了統(tǒng)計比較,驗證了本文仿真方法的可行性。

GNSS/LEO無線電掩星技術(shù)能提供高精度、高分辨率、全球覆蓋的地球電離層和中性層大氣剖面,具有全天候、低費用、無系統(tǒng)長期漂移等優(yōu)點。隨著世界各國GNSS系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展,未來可用于無線電掩星探測的信號來源將日益增多,這將為地球表面難以進(jìn)行地基電離層探測的地區(qū),如海洋、沙漠和高山等荒涼地區(qū)提供了一個全新的測定電離層參量的方法,其研究成果將對穿越電離層的無線電信息系統(tǒng)、如衛(wèi)星導(dǎo)航、測控、通信等領(lǐng)域起到重要的影響作用。

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莫平華(1982-),男,工程師,主要從事飛機總體技術(shù)、GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)研究。

歐明(1984-),男,博士生,主要從事電離層探測技術(shù)研究。

張風(fēng)國(1985-),男,工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)研究。

Simulation of GNSS/LEO Based Ionospheric Radio

Occultation Monitoring

MO Pinghua1,OU Ming2,3,ZHANG Fengguo3

(1.ItemManagementDepartmentofShanghaiAircraftDesignand

ResearchInstitute,Shanghai200232,China;

2.SchoolofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430079,China;

3.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Key words: Radio occultation; ionosphere; NeQuick model