利用球冠谐分析方法和GPS数据建立中国区域电离层TEC模型.pdf

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1、第3 3 卷第8 期2 0 0 8 年8 月武汉大学学报信息科学版G e o m a t i c sa n dI n f o r m a t i o nS c i e n c eo fW u h a nU n i v e r s i t yV 0 1 3 3N o 8A u g 2 0 0 8文章编号：1 6 7 1 8 8 6 0(2 0 0 8)0 8 一0 7 9 2 一0 4利用球冠谐分析方法和G P S 数据建立中国区域电离层T E C 模型柳景斌1王泽民1王海军2章红平3(1 武汉大学测绘学院中国南极测绘研究中心，武汉市珞喻路1 2 9 号，4 3 0 0 7 9)(2 青州市二炮

2、士官学校训练团作战保障教研室，青州市，2 6 2 5 0 0)(3 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉市珞喻路1 2 9 号，4 3 0 0 7 9)文献标志码：A摘要：利用G P S 实测资料建立了中国区域电离层T E C 球冠谐分析模型(s p h e r i c a lc a ph a r m o n i ca n a l y s i s，S C H A)，评估了该模型的精度和有效性。结果表明，该模型有较高的拟舍精度，其拟合残差约为3T E C U，且精度在时间和空间上分布较均匀。根据I G S 分析中心发布的1 0 N E X 全球电离层数据(G I M)，内插得到了区域内相

3、应时段的平均电离层电子含量，并利用它对C S H A 模型的零阶项系数C。所表示的区域平均电离层电子含量进行了检核。结果表明，二者具有较高的一致性和相关性，其谱特征相关系数为0 9 9 3。由于S C H A 模型较G I M 模型利用了更多本区域的G P S 观测数据，因此其拟舍精度更高，拟合结果与实测数据更一致。对S C H A 模型参数的时间序列进行谱分析，结果表明，该模型的模型系数较好地描述了区域电离层T E C 的周期性变化特征。关键词：G P S；区域电离层模型；球冠谐分析模型中图法分类号：P 2 2 8 4 2G P S 是一种空基无线电卫星导航系统，由于电离层折射效应，无线电信

4、号穿透电离层传播到地面接收机时会产生延时误差。对于地面非特许用户，自2 0 0 0 年5 月美国取消S A 政策以后，电离层延迟误差成为最显著的误差源 1 。利用G P S 构建电离层T E C 模型，一般有两类途径：参数模型法和格网模型法。参数模型法比较直观，使用相对简便，但强调大范围拟合，难以顾及电离层的局部变化特性，精度通常受到限制；格网模型法则可借助合适的途径(如站际分区法 2 )，在尽可能确保局部电离层T E C 拟合精度的条件下，实现较高的电离层T E C 拟合精度。为了能较好地模拟区域电离层T E C，同时模型参数能描述区域电离层T E C 的变化规律，本文将球冠谐分析 3“的理

5、论与方法应用于区域电离层T E C 的拟合，建立了区域电离层T E C 球冠谐分析(S C H A)模型。利用该模型分析了2 0 0 4 年中国区域G P S 观测网络的数据，这为利用该模型预报区域电离层T E C 打下了基础。1区域电离层T E CS C H A 模型电离层的结构非常复杂，通常在离地面3 0 05 0 0k m 处，电离层中的自由电子密度最高，因此，通常以高度为H 的单层模型来描述整个电离层。本文的建模分析也以单层模型为基础，选取单层高度H=4 2 8 8k m 5 ，投影函数为S L M 投影函数(S a r d o n，1 9 9 7)，其表达式为：优厂(z 7)=1 c

6、 o s(z 7)(1)式中，z 7 为穿刺点处卫星的天顶距。利用投影函数，可以将G P S 信号传播路径方向的电子含量E投影到穿刺点处天顶方向的电离层电子含量E。，关系式为E 一优厂(z)*E。利用球冠谐分析方法建立区域电离层T E C模型的方法与步骤如下：1)选定所分析区域的球冠极点及球冠大小。本文分析的区域范围是北纬1 0。N 5 5。N，东经7 0。E 1 4 5。E，取(3 5。N，1 0 5。E)为球冠极点，半角收稿日期：2 0 0 8 一0 6 1 6。项目来源：国家测绘局。十一五”基础测绘计划资助项目I 国家教育部留学回国人员科研启动基金资助项目；国家自然科学基金资助项目(4

7、0 5 0 4 0 0 2)。万方数据http:/ 3 卷第8 期柳景斌等：利用球冠谐分析方法和G P S 数据建立中国区域电离层T E C 模型7 9 3吼为3 0 9。2)确定阶数和次数，并计算缔合勒让德函数的非整数阶m(m)(第七个优次的阶数)。阶数和次数的取值要与观测数据的分辨率相适应，分辨率c c，。m 与阶数个数的极大值K 一有近似关系 3 引：k 嘉(等+号)一丢综合考虑观测数据的空间分辨率以及模型的复杂度，本文阶数和次数分别取为8 和6。3)建立球冠坐标系，并对观测数据进行坐标系转换。球冠坐标系为地心坐标系，以选定的球冠极点P(钆，A N)为球冠北极点，以通过该点和地理南极点的

8、经线为经度零点，若地理坐标系下任意一点Q 的球面地心坐标为(J 9，A)，定义余纬口=9 0。一p，则Q 点在球冠坐标系下的坐标佛、A。为：屉=a r c c o s(c o 卯N c o 鲫+s i n 钆s i 硼c o s(A N A)(3)A。：a r c s i n 堕骘；型s i 加(4)c=a r c s l n l _ 一s l n lL 4 JLs l I l 缈J式中，“、A N 分别为球冠极点P 在地理坐标系下的地心余纬和经度。4)本文以2h 为时段长，每天分为1 2 个时段，利用球冠谐函数对每个时段的G P S 电离层数据进行建模，利用最小二乘法求得模型参数。区域电离层

9、球冠谐分析模型的函数表达式为：J(x fE。(屈，A。)=p。，。(c o s 晚)(C h c o s(谳。)+S hs i n(谳。)(5)式中，E 为穿刺点成、A，处天顶方向的总电子含量(T E C)；P“。h(c o s 晚)为完全正则化的非整阶缔合勒让德函数；C h、S h 为完全正则化的球冠谐函数系数，也就是本文建模的待求系数，每组模型系数的个数为(K。+1)2 一(K。一M)*(K。一M+1)=7 5；其他符号的意义同前。5)利用球冠谐分析模型计算区域内任意点处天顶方向的总电子含量E，并与实测数据比较。2数据处理本文采用的G P S 数据主要来自中国地壳运动G P S 监测网和上

10、海地区G P S 综合应用网，其中前者由2 5 个遍布全国的台站组成，后者由上海市及周边地区的1 4 个台站组成，这两个网包含了中国境内的5 个I G S 跟踪站(S H A 0、W U H N、T W T F、U R U M 和L H A S)。本文对2 0 0 4 年全年中国区域上述G P S 站的观测数据进行了处理。数据采样间隔为3 0s，截止高度角为2 0。，穿刺点的覆盖区域范围是北纬1 0。5 5。，东经7 0。1 4 5。，如图1 所示。f一、趟婚经度，(。)图1G P S 观测站分布图F i g 1D i s t r i b u t i o no fG P SS t a t i

11、o 利用G P S 双频P 码观测值计算电离层T E C，其中，P：P。=P 2 一P。的观测精度约为O 5m，本文采用载波相位观测值对必P。进行K a l r m n 滤波处理，得到的观测精度约为0 1 5“7。为了剔除接收机和卫星的硬件延迟偏差的影响，将每天的硬件延迟偏差(B 毳，B 琶)分别设为一个参数，在数据处理前，对全网每天的数据进行建模，并联合前、后各ld 的数据(确保连续两天的硬件延迟偏差解的平滑)，以最小二乘法估计硬件延迟偏差，并从P。P-中剔除，获得“干净”的电离层T E C 观测值。3 拟合精度分析为了评估球冠谐分析模型拟合中国区域电离层T E C 的精度，本文分别用S C

12、 H A 模型和低阶球函数模型(U、F)4 对2 0 0 4 年的G P S 观测数据进行了处理，综合分析了这两个模型对长期观测数据的拟合残差(穿刺点处的v T E C 模型值与观测值之差)。同时，利用I G S 分析中心提供的I O N E X 全球电离层数据(G I M)在每一个电离层穿刺点处进行内插，对内插结果的残差也进行了比较分析。这里，内插算法包括在时间和空间上进行内插 5 8 。图2 比较了上述两个模型拟合以及G I M 内插结果的残差的每天平均值及方差，图中，上面的曲线对应左边坐标轴，下面的曲线对应右边坐标轴。表1 给出了1a 的残差统计值。图2 及表1 的结果表明：S C H

13、A 模型拟合的残差均值为一o 0 1，接近于零，表明模型拟合的结果与实测数据是无偏的，没有系统偏差，全年的 万方数据http:/ 9 4武汉大学学报信息科学版2 0 0 8 年8 月jU山卜、趔露j i；|j自 l1 k【lJ _ l L I J L 儿I筇删陬T。Ir叫J2 0 0 4 年年积日(a)S C H A 模型的结果B 82昌兽j 粤趔O霜露j i；|j ；I j 僚舔一z J 一【1 j1。“出山 i-附唧I 谳删；巾2 0 0 4 年年积日(b)L S F 模型的结果蚕量t 卜卜i 垂囊删j=；l j 1鼷鼷一告图2 区域电离层拟合的残差F i g 2V T E CR e s

14、i d u a lo f0 v e r a l lM o d e l i n g表l三种区域电离层模型残差统计T E C UT a b 1R e s i d u a lS t a t i s t i co fT h r e eR e g i o n a lM o d e l s T E C U残差变化也较平稳。每天的残差方差表明了残差变化的幅度，也就是拟合精度变化的幅度。可以看到，S C H A 模型比L s F 模型有较高(约O 5 1T E C U)的拟合精度。G I M 内插结果的残差较大(约比S C H A 模型大1T E C U)，残差的每日均值有大约O 3T E C U 的系统偏差

15、，且不稳定，表明G I M 内插的结果与实测数据不一致，且内插精度较差。笔者认为，其原因是：全球电离层T E C 模型建模时，用到的中国区域的数据较少，仅有5 个I G S 站，分布也较稀疏，因此，该模型在中国区域的精度较差，导致内插结果与实际观测数据不符。4区域平均电离层T E C 及谱分析区域平均电离层T E C 的电子含量可由球冠谐系数的零阶项G。表示H ，为了评估该项的有效性及其精度，本文利用I G S 提供的I O N E X 全球电离层数据内插计算得到的中国区域的平均电离层电子含量对C o。项进行检核。这里，利用I O N E X 数据内插计算区域平均电离层T E C 的方法如下

16、3 8 ：E=c o s 芦即c o 印(6)式中，重为内插得到的区域平均电离层T E C；B。为格网点(1 9，A)处的电离层T E C；c o 印为纬度为1 9处的加权系数。按2h 为时段长度，每天1 2 个时段有1 2 组结果，即每个时段有C。项，取每一时段的中间时刻按式(6)内插计算区域平均电离层T E C 来检核该时段的e。项。分别取它们在每天1 2 个时段的结果的均值作为该天区域的平均电离层电子含量，S C H A 模型和1 0 N E X 内插模型的结果的时间序列及其差异如图3 所示，图3(a)是两个模型l o o2 0 03 0 02 0 0 4 年年积日(c)G I M 模型

17、的结果分别得到的2 0 0 4 年每天的区域电离层T E C 均值，两个时间序列的相关系数为0 9 8；图3(b)是这两个结果的差，其均值为一1 2 1T E C U，即总体上S C H A 模型的结果比I O N E X 计算的结果小1 2 1T E C U。根据前面与实测数据的比较分析，由于S C H A 模型利用了更多的本区域内的G P S观测数据，S C H A 模型在区域内比G I M 模型具有更高的精度，与实测数据更一致，C。项更能代表真实的平均电离层电子含量。U 3昌葛宅芝器蛩譬吾量冥芝吾鬻2 0 0 4 年年积日(a)2 0 0 4 年年积日(b)图3 区域电离层T E C 均

18、值时间序列F i g 3R e g i o n a lD a i l yM e a nT E C图3 表明一年中每天的区域平均电离层电子含量的变化较大。为了说明区域平均电离层电子含量的变化规律，本文对2 0 0 4 年球冠谐系数己。2h 间隔的时间序列进行了谱分析，如图4 所示。jUl 三j、恻馨图4 区域电离层T E C 均值的谱分析F i g 4A m p l i t u d eS p e c t r u mo fR e g i o n a lM e a nT E C3u卜、制椒制餐l50 D叩l工枷 万方数据http:/ 3 卷第8 期柳景斌等：利用球冠谐分析方法和G P S 数据建立中

19、国区域电离层T E C 模型7 9 5从图4 可以发现，三条谱线的幅度比较大，1d 周期、半年周期和1a 周期对应的幅度大约为2 9T E C U、1 0T E C U 及O 8 5T E C U。1d 周期对应于地球自转周期以及由此引起的太阳时角的周日运动，1d 周期谱分量的幅度较大，也说明太阳辐射对电离层的变化有很强的影响。半年周期和la 周期与已知的电离层活动规律也是一致的，也与电离层全球尺度的变化规律一致 5 。结合图3，对于半年周期，电离层的电子含量通常在春分和秋分前后特别高，在4 月和1 0 月达到最大(这与图3 的结果一致)。其原因与中性大气的温度以及中性成分O 和N：的浓度比值

20、有关 5 9 。对于1a 周期，从全球范围来讲，由于电离层F 2 层电子浓度的峰值变化以及日地距离变化的综合影响，通常太阳电离通量有6 7 的年变化，1 2 月前后有极大值，6 月前后有极小值 5 9 。为了验证球冠谐分析模型谱特征的有效性，本文也以相同的采样间隔用1 0 N E X 全球电离层数据计算得到了区域电离层平均电子含量的时间序列，并对它进行了谱分析。结果表明，由I O N E X 数据得到的区域平均总电子含量时间序列的谱特征与球冠谐分析模型系数C。的谱特征几乎完全一致，它们的相关系数为o 9 9 3。同时，笔者也对其他低阶球冠谐系数(C。、C、S)的时间序列作了谱分析，它们的谱特征

21、也很好地描述了电离层变化的周期性特征。限于篇幅，本文没有列出其结果。5结语本文利用S C H A 的理论与方法建立了区域电离层的S C H A 模型，数据处理的结果表明；该模型有较高的拟合精度，适用于大区域的电离层拟合，且在时间和空间上分布较均匀；模型参数在时域和频域上能够描述区域电离层总电子含量的变化特征。基于球冠谐分析区域电离层T E C 模型的上述特点，可以利用一定区域的G P S 观测值建立区域电离层T E C 模型，并根据电离层的时空变化规律，利用该模型实现电离层T E C 的预报。参考文献 1 L i uz h i z h a o I o n o s p h e r eT o m

22、o g r a p h i cM o d e l i n ga n dA p p l i c a t i o n sU s i n gG l o b a lP o s i t i o n i n gS y s t e m(G P S)M e a s u r e m e n t s D C a l g a r y：U i v e r s i t yo fC a l g a r y，2 0 0 4 2 袁运斌，欧吉坤建立G P s 格网电离层模型的站际分区法 J 科学通报，2 0 0 2，4 7(8)：6 3 6 6 3 9 3 H a i n 郫Gv C o m p u t e rP r o g

23、 r a J _ 1 1 sF o rS p h e c a lC a pH a m l 0 T l i c 1 a l y s i so fP o t e n t i a la I dG 朗e r a lF i e l d s J C o m p u t e r S G e o s c i 朗e e s，1 9 8 8，1 4(4)：4 1 3 4 4 7 4 柳景斌基于地基G P s 的区域电离层T E C 球冠谐分析及预报 D 武汉，武汉大学，2 0 0 8 5 S c h a e rs M a p p i n ga n dP r e d i c t i n gt h eE a r t

24、h sI o n o s p h e r eU s i n gt h eG l o b a lP o s i t i o n i n gs y s t e m D B-e m：T h eU n i v e r s i t yo fB e m，1 9 9 9 6 H a i n e sGV s p h e r i c a lC a pH a r m o n i cA n a l y s i s J J o u m a lo fG e o p h y s i c a lR e s e a r c h，1 9 8 5，9 0(B 3)：25 8 3 2 5 9 1 7 刘经南，陈俊勇，张燕平，等广域

25、差分G P S 原理和方法 M 北京：测绘出版社，1 9 9 9：9 5 1 1 4 8 s c h a e rs，G u r t n e rw，F e l t e n sJ 1 0 N E XM a n u a l C E S A E S O C，A s t r o n o m i c a lI n s t i t u t e，U n i v e r s i t yo fB e m e，G e m a n y，1 9 9 8 9 熊年禄，唐存琛，李行健电离层物理概论 M 武汉：武汉大学出版社，1 9 9 9第一作者简介：柳景斌，博士。现从事基于G P s 的电离层研究以及G P s 导航与精

26、密定位研究等。E j m a i l：b b 0 4 1 6 3 c o mM o d e“n gR e g i o n a lI o n o s p h e r eU s i n gG P SM e a s u r e m e n t so V e rC h i n ab yS p h e r i c a lC a pH a r m o n i cA n a l y s i sM e t h o d o l o g yL I UJ i，1 9 6 i 竹1W A N GZ P 优i n lW-A N GH 口巧越竹2Z H A N GH D 竹g p i 竹9 3(1C h i n e s

27、eA n t a r c t i cc e n t e ro fS u r v e y i n ga n dM a p p i n g，S c h 0 0 lo fG e o d e s ya n dG e o m t i c s，W u h a nU n i v e r s i t y，1 2 9L u o y uR o a d，W u h a n4 3 0 0 7 9 C h i n a)(2T h eS c n dA n I l l e r yP e t t yo f f i c e rS c h 0 0 l，Q i n g z h o u2 6 2 5 0 0，C h i)(3S t

28、a t eK e yL a b o r a t o r yf o rI n f o m a t i o nE n g i n e e r i n gi nS u 九，e y i n g，M a p p i n ga n dR e m o t eS e n s i n g，W u h a nU n i v e r s i t y，1 2 9L u o y uR o a d，W u h n4 3 0 0 7 9，C h i)A b s t 髓c t：B a s e do ns p h e r i c a lc a ph a r m o n i ca n a l y s i s(S C H A)m

29、e t h o d 0 1 0 9 y，t h eS C H Am o d e l(下转第8 1 4 页)万方数据利用球冠谐分析方法和GPS数据建立中国区域电离层TEC模型利用球冠谐分析方法和GPS数据建立中国区域电离层TEC模型作者：柳景斌，王泽民，王海军，章红平作者单位：柳景斌,王泽民(武汉大学测绘学院中国南极测绘研究中心,武汉市珞喻路129号,430079)，王海军(青州市二炮士官学校训练团作战保障教研室,青州市,262500)，章红平(武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉市珞喻路129号,430079)刊名：武汉大学学报（信息科学版）英文刊名：GEOMATICS AND INF

30、ORMATION SCIENCE OF WUNAN UNIVERSITY年，卷(期)：2008,33(8)被引用次数：1次 参考文献(9条)参考文献(9条)1.熊年禄;唐存琛;李行健 电离层物理概论 19992.Sehaer S;Gurtner W;Feltens J IONEX Manual 19983.刘经南;陈俊勇;张燕平 广域差分GPS原理和方法 19994.Haines G V Spherical Cap Harmonic Analysis 1985(B3)5.Sehaer S Mapping and Predicting the Earths Iono-sphere Using t

31、he Global Positioning System 19996.柳景斌 基于地基GPS的区域电离层TEC球冠谐分析及预报 20087.Haines G V Computer Programs For Spherical Cap Harmonic Analysis of Potential and General Fields1988(04)8.袁运斌;欧吉坤 建立GPS格网电离层模型的站际分区法期刊论文-科学通报 2002(08)9.Liu Zhizhao Ionosphere Tomographic Modeling and Applications Using Global Posi

32、tioning System(GPS)Measurements 2004 本文读者也读过(5条)本文读者也读过(5条)1.柳景斌.王泽民.章红平.朱文耀.LIU Jingbin.WANG Zemin.ZHANG Hongping.ZHU Wenyao 几种地基GPS区域电离层TEC建模方法的比较及其一致性研究期刊论文-武汉大学学报（信息科学版）2008,33(5)2.许承权.范千.沈飞.XU Cheng-quan.FAN Qian.SHEN Fei 江苏省区域电离层模型的建立和精度分析期刊论文-江南大学学报（自然科学版）2010,09(6)3.张小红.李征航.蔡昌盛.ZHANG Xiaohon

33、g.LI Zhenghang.CAI Changsheng 用双频GPS观测值建立小区域电离层延迟模型研究期刊论文-武汉大学学报(信息科学版)2001,26(2)4.章红平.施闯.唐卫明 地基GPS区域电离层多项式模型与硬件延迟统一解算分析期刊论文-武汉大学学报（信息科学版）2008,33(8)5.许承权.花向红.范千.夏传义.杨荣华.XU Cheng-quan.HUA Xiang-hong.FAN Qian.XIA Chuan-yi.YANG Rong-hua 基于神经网络的区域电离层模型及其在单频PPP中的应用期刊论文-测绘工程2009,18(4)引证文献(1条)引证文献(1条)1.於晓.欧明.刘钝.马保田.邓忠新.陈丽.甄卫民 地磁暴期间中国中低纬电离层的CIT研究期刊论文-空间科学学报 2010(3)本文链接：http:/