[发明专利]一种基于北斗GEO卫星的电离层异常扰动探测方法

说明书

本发明公开了一种基于北斗GEO卫星的电离层异常扰动探测方法，包括：GEO卫星电离层TEC的提取；电离层扰动响应探测。本发明涉及北斗GEO卫星观测数据及电离层异常扰动探测新方法，具体为利用北斗GEO卫星观测得到的固定穿刺点处VTEC序列进行电离层异常扰动探测研究，并引入全球电离层格网图(GIM)作为电离层扰动背景值，验证北斗GEO卫星探测电离层扰动响应的性能及可靠性。

技术领域

本发明涉及电离层异常扰动技术，具体涉及一种基于北斗GEO卫星的电离层异常扰动探测方法。

背景技术

目前，电离层作为空间环境的重要研究对象，其产生的异常扰动会对地空无线电通信、卫星导航定位、雷达等无线电通信系统电波信号的传播产生重要的影响。对于GNSS导航定位用户来说，由于卫星信号穿越整个电离层，因此可以将电离层假想为一个距离地面一定高度的单层模型(Single Layer Model, SLM)。卫星与地面测站的信号传播路径与SLM的交点称为穿刺点(Ionosphere Pierce Point, IPP)。利用传统的GPS卫星进行电离层扰动监测及磁暴对电离层影响的研究已经被大多数学者验证，但是由于GPS卫星与地面测站形成的电离层穿刺点同时在时间和空间上产生变化，因此不能通过实际观测数据直接给出固定穿刺点处电离层总电子含量(Total Electron Contents, TEC)随时间的变化规律，只能通过建立模型或者数学插值的方法给出固定穿刺点处的电离层TEC值变化，该方法必然会引入一定数学误差，尤其在研究剧烈空间环境变化期间电离层的响应时产生的误差将会更大。由于地球同步轨道卫星(Geostationary Earth Orbit, GEO)的静地特性，卫星与地面测站形成的穿刺点位置基本保持不变，在穿刺点处的TEC值仅随时间变化。因此利用北斗GEO卫星的实际观测数据可对固定穿刺点处电离层TEC值的变化规律进行长期监测，尤其在恶劣的空间环境发生期间能更加有效的监测电离层的异常变化，这将有助于我们对电离层在不同空间环境下表现出的形态特征进行研究分析。研究表明，太阳活动会引起地磁扰动，当地磁扰动强度过大时常伴随着电离层的异常变化，目前关于磁暴期间电离层TEC变化的统计分析已有大量的研究成果，诸如磁暴期间电离层TEC表现出的日变化、季节性变化、半年变化、年变化等，但是这些特征只是一个非常平均的结果，实际上在磁暴发生期间空间中某一个时间点、某一个位置处对应的电离层扰动响应将如何表现，仍然有待进一步研究。因此，对于特定经纬度位置的电离层扰动响应特征为本发明重点研究的对象。

随着全球定位系统(Global Positioning System, GPS)的发展，大多数学者利用GPS卫星观测值进行电离层建模并研究电离层的扰动变化。但是由于GPS卫星与地面测站形成的电离层穿刺点同时在时间和空间上产生变化，因此不能通过实际观测数据直接计算出固定穿刺点处电离层TEC随时间的变化规律，只能通过建立模型或者数学插值的方法给出穿刺点处的电离层TEC值。

传统的电离层扰动响应研究是基于相位平滑伪距的方法提取出GPS卫星观测得到的电离层延迟，双频伪距及相位原始观测值方程如(1)所示：

(1)

式中，为频率对应的伪距观测值(m)；为 频率对应的相位观测值(m)；为对应频率的波长；为接收机到卫星的距离(m)；为光速；为接收机钟差(s)；为卫星钟差(s)；为对流层延迟(m)；为频率下的接收机到卫星视线上的电离层延迟(m)；为下的模糊度(周)；为其他观测误差；，为不同频率的码偏差(m)；，为不同频率相位偏差(m)；，其中, 为北斗导航定位系统固有信号频率。

利用双频伪距及相位观测值的线性组合，可得到电离层延迟项，如式(2)所示：

(2)

式中，；；；；为与观测弧段相关的累计误差。而后利用球谐函数对电离层进行建模，从而可以进一步得到固定穿刺点处电离层TEC的时间变化序列值，球谐函数模型如式(3)所示：

(3)