CN108957488A - 一种基于相位屏理论的电离层不规则体的漂移速度计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于相位屏理论的电离层不规则体漂移速度计算方法，得相位变化与传播路径之间的关系；在接收机端可将相位的空间变化转换为相位变化与时间之间的关系，与电离层电子含量TEC的时间变化相关联；将电离层电子含量TEC的时间变化与ROTI指数时间变化率相联系；根据电离层幅值闪烁指数与信噪比，得出电离层不规则体在IGRF坐标系下的漂移速度以及其在x向,y方向上的分量与ROTI的时间变化率、电离层幅值闪烁指数、信噪比以及卫星仰角之间的函数式。本发明得到电离层不规则体的漂移速度与ROTI指数的时间变化率、电离层幅值闪烁指数S4、信噪比以及卫星仰角之间的关系，该方法可实现电离层不规则体及引起的电离层闪烁之间耦合机理的深入研究。

Description

一种基于相位屏理论的电离层不规则体的漂移速度计算方法
技术领域
本发明涉及一种基于相位屏理论的电离层不规则体漂移速度计算方法，属于电离层领域。
背景技术
目前，卫星导航技术已成为世界各国在现代化战争中的重要武器组成部分。北斗卫星导航系统是中国自行研制、自主控制的卫星定位导航系统，已经实现亚太地区的定位、导航、授时、短报文等服务；BDS将在我国经济军事社会的发展中发挥重大作用。
卫星导航系统的空间部分大都位于20000公里以上，导航信号的传输都经过电离层，不可避免要受到电离层闪烁效应的影响。电离层闪烁影响无线电波的传播与电离层总电子含量TEC以及电离层不规则体相关。由于电离层电子浓度的不均匀，其中的相位折射指数通常小于1，会使穿过它的无线电波相比于自由空间存在一定的相位超前和相位色散；另外，电离层作为各向异性介质，其中传播的无线电波通常可分解为两个特征波模，两种波模具有不同的相速和传播路径，从而造成多普勒频移。所以，当无线电波穿过电离层时，其载噪比会减小，严重影响接收端信号的质量。同时电离层电子含量存在各种时空变化，即形成电离层不均匀体，其会受到太阳活动和地磁活动的影响，具有电离层暴、突然骚扰(SID)和电离层行扰(TID)等扰动现象，使电离层的形态更加复杂化。研究表明，电离层会对频率低于10GHz的无线电波传播产生明显影响，对于频率在L波段的全球卫星导航系统(GNSS)电离层的影响更大。
深入理解和认识电离层不规则体的形成和演化规律及其对卫星导航性能的影响，必须对其物理特征进行完备表征。电离层不规则体的磁纬向漂移速度定义在地磁坐标系下，且垂直于地磁子午向，是反映电离层不规则体空间尺度、演化速度及内部等离子体分布的重要物理特征，其大小及变化受到相关领域研究人员的广泛关注。目前研究人员(参见Priyadarshi,S.(2015).A review of ionospheric scintillation models.Surveys inGeophysics,36(2):295-324.
Carrano,C.S.,Groves,K.M.,Rino,C.M.,Doherty,P.H.(2016).A technique forinferring zonal irregularity drift from singlestation gnss measurements ofintensity(s4)and phase(σφ)scintillations.Radio Science,51(8):1263-1277.)主要通过地基GNSS观测网络、地面观测雷达及电离层测高仪来获得电离层不规则体的纬向漂移速度；美国波士顿学院的学者最新提出利用电离层闪烁监测仪获得的电离层闪烁指数和导航观测数据来反推电离层不规则体的形态，其方法具有一定的启示性，但其计算需要高频率(50Hz)的原始导航观测量，因此降低了方法的普适性。因此，设计并实现一种更简捷、普适和有效的电离层不规则体纬向漂移速度计算方法是本领域研究人员致力解决的难点之一。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于相位屏理论的电离层不规则体漂移速度计算方法，该方法在相位屏理论的基础上建立了电离层不规则体漂移速度与电离层幅值闪烁指数S4、信噪比以及电离层ROTI指数的时间变化率之间的映射关系，通过测量相关物理量来实现电离层不规则体纬向漂移速度的有效估计，并进一步解释了电离层幅度闪烁指数S4及电离层ROTI指数之间的相关性机理。本发明所需物理量可在具备电离层闪烁监测能力的GNSS闪烁监测接收机直接测量，为相关领域的研究提供方便可靠的纬向漂移速度计算方法。
本发明的技术方案如下：一种基于相位屏理论的电离层不规则体漂移速度计算方法，具体实现步骤为：
(1)根据一维相位屏理论模型，假设相位变化只发生在沿信号传播的x方向上，则信号沿传播路径上的相位变化可以表示为：
式中，I表示接收到信号的幅值强度,I0表示不存在闪烁现象时接收到的信号幅值，λ为信号的波长，φ表示信号的相位，s为信号的传播路径向量。
(2)由相位屏理论可知，在信号传播方向上的相位变化与该路径上的电离层总电子含量TEC的变化△NT(x)相关，即为：
φ(x)＝-λre△NT(r)
其中re＝2.8×10-15为电子的半径。
(3)由于电离层不规则体会在信号传播方向上漂移，从接收端来看信号相位的空间变化可以转换为时间变化，所以可以由下式来表示：
公式左侧可以近似为ROTI的变化，公式右侧
其中为GNSS测量的信噪比，并认为<I0-I>＝<I0>-<I>，其中接收信号的功率I0作为标准，即<I0>＝I0，幅值闪烁指数
(4)进一步公式可写为：
其中为电离层相位屏穿透点与卫星接收机之间的距离，Re为地球半径hipp为电离层穿透点高度，一般选取hipp＝450km，v为在IGRF地磁参考坐标系下的电离层不规则体漂移速度，为卫星到观测站之间视线的天顶角，θ为观测站处穿透点的仰角，dROTI为ROTI指数的变化率。如图2所示。
(5)由此计算的电离层不规则体漂移速度为相对IGRF地磁参考坐标系的，如图2所示，在此坐标系下各地磁分量的关系如下式：
公式中Bx，By，Bz分别为x，y，z方向上的地磁强度。地磁偏角D和地磁倾角I定义如下：
因此电离层穿透点处观测的速度在IGRF地磁参考坐标系下可如下描述：
vipp＝(vp,x+vi,x)x+(vp,y+vi,y)y
式中vp,x，vp,y分别为由于卫星在x(北)和y(东)方向运动而造成的电离层不规则体在x(北)和y(东)方向上的速度，vipp为电离层穿透点的速度，vi,x，vi,y分别为电离层不规则体在x(北)和y(东)方向上的漂移速度。
(6)进一步，从卫星到接收站的视线路径可以表示为：
k＝-sin(δ)cos(αipp)x-sin(δ)sin(αipp)x+cos(δ)z
其中为视线的天顶角，θ为观测站处的仰角，αipp为电离层穿透点处的方位角。由此视线速度的投射为：
v＝vipp·k。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)相比传统的计算方法，本发明(图1所示)的优越性在于可以利用简单电离层闪烁监测仪的观测物理量来直接计算得到电离层不规则体的纬向漂移速度及时空分布，相比其它方法，具有简单、普适的优点，并具有较好的测量精度。如图2所示。
(2)相比传统的计算方法，本发明可有效研究不规则体纬向漂移速度的时间分布特征，利用长期观测获得电离层闪烁指数和GNSS导航观测量计算得到的电离层总电子含量，可实现电离层不规则体纬向漂移速度的时间特征和变化趋势，可获得指定区域范围内电离层不规则体的活动情况，其效果如图3所示。
(3)相比传统的计算方法，本发明建立了不规则体漂移速度与ROTI指数、S4指数、卫星导航信号接收信噪比之间的直观映射关系，有效解释了目前相关领域对ROTI与闪烁指数之间关系的一系列困惑，对电离层不规则体物理特征的完备表征具有较强的启发性。如图4所示。
附图说明
图1为本发明方法实现流程图；
图2为不规则体漂移速度计算空间示意图；
图3为不规则体漂移速度随月份及日小时的变化规律；
图4为不规则体漂移速度与ROTI指数、S4指数和信噪比映射关系。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而不起任何限定作用。
本发明提出了一种基于相位屏理论的电离层不规则体漂移速度计算方法，该方法详细的描述了电离层不规则体漂移速度与卫星仰角、信噪比、幅值闪烁指数以及ROTI的变化率之间的关系。能够较好的描述电离层形态变化对闪烁产生的影响。
如图1所示，本发明具体实现步骤如下：
1、根据一维相位屏理论模型，假设相位变化只发生在沿信号传播的x方向上，可以得到信号的相位变化与传播路径的关系：
式中，I表示接收到信号的幅值强度,I0表示不存在闪烁现象时接收到的信号幅值，λ为信号的波长，φ表示信号的相位，r为信号的传播路径向量，s为一维相位屏理论中信号穿过电离层时的穿透点与卫星接收机之间的距离。
2、由相位屏理论可知，在信号传播方向上的相位变化与该路径上的电离层总电子含量TEC的变化△NT(x)相关，即相位变化为：
φ(x)＝-λre△NT(r)
其中re＝2.8×10-15为电子的半径。
3、将相位在空间中的变化转换为随时间的变化并将△NT做近似处理△NT＝△TEC，因此得到即相位变化与ROTI随时间的变化率相关。其中△NT为与信号传播路径相关的TEC变化；其中i表示不同的GNSS卫星，TECk+1和TECk分别表示在k+1时刻和k时刻的电离层总电子含量的值，△tk＝tk+1-tk为k+1时刻与k时刻之间的时间间隔；公式中的<ROT>为N个历元中ROT的平均值。
4、标准化接收信号的功率I0，即<I0>＝I0，并认为<I0-I>＝<I0>-<I>，其中I0为无闪烁时接收机接收到的信号功率，I为闪烁发生时接收机接收到的信号功率；
5、计算GNSS的信噪比与幅值闪烁指数最终得到其中为电离层相位屏穿透点与卫星接收机之间的距离，Re为地球半径hipp为电离层穿透点高度，一般选取hipp＝450km，为卫星到观测站之间视线的天顶角，θ为观测站处穿透点的仰角，dROTI为ROTI指数的变化率，v为在IGRF地磁参考坐标系下的电离层不规则体漂移速度，dROTI为ROTI指数的变化率。
6、进一步根据电离层穿透点的速度计算不规则体漂移速度在IGRF地磁参考坐标系下各个方向上的分量。在此坐标系下各地磁分量的关系如下式公式中Bx，By，Bz分别为x，y，z方向上的地磁强度。地磁偏角D和地磁倾角I定义如下：因此电离层穿透点处观测的速度在IGRF地磁参考坐标系下可如下描述：vipp＝(vp,x+vi,x)x+(vp,y+vi,y)y，式中分别为由于卫星在x(北)和y(东)方向运动而造成的电离层不规则体在x(北)和y(东)方向上的速度，vipp为电离层穿透点的速度，vi,x，vi,y分别为电离层不规则体在x(北)和y(东)方向上的漂移速度。
本发明提出了一种基于相位屏理论的电离层不规则体漂移速度计算方法，如图2所示，(a)图为电离层漂移空间示意图，R为地球半径，h为穿透点到地球表面的高度，其中P为电离层穿透点的位置(经纬高)，R为接收机的位置(经纬高)，I为地磁倾角，B地磁向量，k为卫星到接收站的视线路径，δ为卫星到观测站之间视线的天顶角，2β为接收机处穿透点的仰角，Vi表示不规则体表漂移速度，x、y、z分别为漂移速度在北向、东向、地向上的分量；(b)图为卫星到接收站的视线向量k在水平面上的分量；(c)图为卫星到接收站的视线向量k在竖直面上的分量，βp为卫星信号与水平面的夹角。
此方法详细的描述了电离层闪烁与信噪比、不规则漂移速度以及ROTI时间变化率之间的关系。
由仿真结果如图3和图4所示，图3计算了澳大利亚WEIP(左侧)与DWNI(右侧)观测站2011-2015年期间的S4(第1行)、ROTI(第2行)以及不规则体漂移速度(第3行)的时间分布图，图中可见，不规则体漂移速度与幅值闪烁指数S4以及ROTI指数存在相似的分布特征，随着S4与ROTI值的增大，漂移速度通常也会加速。图4中(a)图分析了不规则体漂移速度与ROTI、仰角以及S4之间的相关性，由图可知，在低仰角处更容易发现较大的漂移速度和较高的S4，(b)图分析了不规则体漂移速度与ROTI、信噪比α以及S4之间的相关性，可知在信噪比较低时，不规则体漂移速度较大更容易导致强烈的电离层幅值闪烁，这与实际情况相符合。
综述，本发明提出了一种利于电离层闪烁指数和电离层ROTI指数来直接测量电离层不规则体纬向漂移速度的方法，为电离层不规则体漂移速度的研究提供了较大的便利；该方法同时揭示了电离层闪烁指数、电离层ROTI指数、卫星信号信噪比和卫星仰角之间的直观映射关系，为进一步实现电离层不规则体物理特征的完备表征提供直接理论参考和技术依据。
以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于相位屏理论的电离层不规则体漂移速度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、根据一维相位屏理论模型，假设相位变化只发生在沿信号传播的x方向上，建立信号的相位变化与传播路径之间的关系式；
B、将上述信号相位变化与传播路径之间的关系式依据一维相位屏理论等效成电离层电子含量TEC的变化与传播路径之间的空间函数；
C、根据一维相位屏理论将上述电离层电子含量TEC变化与传播路径之间的空间函数重新建立为电离层电子含量TEC变化的时间函数；
D、根据ROTI的定义可将上述电离层电子含量TEC变化的时间函数等效为ROTI指数的时间变化率；
E、将上式做近似处理，即认为<I0-I>＝<I0>-<I>，其中I0为无闪烁时接收机接收到的信号功率，I为闪烁发生时接收机接收到的信号功率，并标准化接收信号功率I0，即<I0>＝I0，得到公式其中λ为信号的波长，s为一维相位屏理论中信号穿过电离层时的穿透点与卫星接收机之间的距离，re＝2.8×10-15为电子的半径，v为在IGRF地磁参考坐标系下的电离层不规则体漂移速度；
F、根据电离层幅值闪烁指数S4以及GNSS信噪比α的定义并替换上式中的I0与I，得到电离层不规则体在IGRF地磁参考坐标系下漂移速度与幅值闪烁指数S4和GNSS信噪比α以及ROTI指数时间变化率之间的关系式v为在IGRF地磁参考坐标系下的电离层不规则体漂移速度，dROTI为ROTI指数的变化率，λ为信号的波长；
G、根据电离层穿透点的速度计算公式可以将上式分解，最终分别得到在IGRF地磁参考坐标系下x方向，即北向和y方向即东向上的电离层不规则体的漂移速度。
2.根据权利要求1所述的基于相位屏理论的电离层不规则体漂移速度计算方法，其特征在于：所述步骤A中信号相位变化与传播路径之间的关系为：其中，I表示闪烁发生时接收到信号的幅值强度,I0表示不存在闪烁现象时接收到的信号幅值强度，λ为信号的波长，φ表示信号的相位，r为信号的传播路径向量，s为一维相位屏理论中信号穿过电离层时的穿透点与卫星接收机之间的距离。
3.根据权利要求1所述的基于相位屏理论的电离层不规则体漂移速度计算方法，其特征在于：所述步骤B中,在信号传播路径上的相位变化与该路径上的电离层总电子含量TEC的变化△NT(x)相关，即相位变化为φ(x)＝-λre△NT(r)，其中re＝2.8×10-15为电子的半径。
4.根据权利要求1所述的基于相位屏理论的电离层不规则体漂移速度计算方法，其特征在于：所述步骤C中,将△NT做近似处理△NT＝△TEC从而将TEC在空间中的变化转变为随时间的变化。
5.根据权利要求1所述的基于相位屏理论的电离层不规则体漂移速度计算方法，其特征在于：所述步骤D中,将电离层电子含量TEC变化的时间函数等效为ROTI指数的时间变化率，即△NT为与信号传播路径相关的TEC变化；其中i表示不同的GNSS卫星，TECk+1和TECk分别表示在k+1时刻和k时刻的电离层总电子含量的值，△tk＝tk+1-tk为k+1时刻与k时刻之间的时间间隔；公式中的<ROT>为N个历元中ROT的平均值，dROTI为ROTI指数的变化率。
6.根据权利要求1所述的基于相位屏理论的电离层不规则体漂移速度计算方法，其特征在于：所述步骤F中，计算GNSS的信噪比与电离层幅值闪烁指数最终得到其中I表示闪烁发生时接收到信号的幅值强度,I0表示不存在闪烁现象时接收到的信号幅值强度，为电离层相位屏穿透点与卫星接收机之间的距离，Re为地球半径hipp为电离层穿透点距离地球表面的高度，为卫星到观测站之间视线的天顶角，θ为观测站处穿透点的仰角，v为在IGRF地磁参考坐标系下的电离层不规则体漂移速度，dROTI为ROTI指数的变化率。
7.根据权利要求6所述的基于相位屏理论的电离层不规则体漂移速度计算方法，其特征在于：所述hipp＝450km。
8.根据权利要求1所述的基于相位屏理论的电离层不规则体漂移速度计算方法，其特征在于：所述步骤G中，根据电离层穿透点的速度计算不规则体漂移速度在IGRF地磁参考坐标系下各个方向上的分量，在此坐标系下各地磁分量的关系如下式公式中Bx，By，Bz分别为x，y，z方向上的地磁强度，地磁偏角D和地磁倾角I定义如下：电离层穿透点处观测的速度在IGRF地磁参考坐标系下描述为：vipp＝(vp,x+vi,x)x+(vp,y+vi,y)y，式中vp,x，vp,y分别为由于卫星在x和y方向运动而造成的电离层不规则体在x和y方向上的速度，vipp为电离层穿透点的速度，vi,x，vi,y分别为电离层不规则体在北,即x方向和东即y方向上的漂移速度。
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