三亚和武汉电离层闪烁测量与模式预测的比较分析

【摘要】： 电离层闪烁是当无线电波穿越电离层传播时由于电离层电子密度起伏引起的信号幅度、相位和到达角的快速变化现象。电离层闪烁主要发生在地球磁赤道地区和极区,并随地方时、季节和太阳活动等而变化。电离层闪烁不仅携带着电离层不规则结构的物理信息,而且会对卫星通信和导航系统的性能产生影响:幅度闪烁导致信号衰落,将产生误码;快速的相位闪烁会使接收机失锁,从而影响通信卫星和导航接收机的正常工作。随着全球范围内卫星导航和通信系统的广泛应用,对空间环境特别是电离层闪烁的监测和预测已成了人们关注的重要问题。 利用GPS卫星信号穿越电离层传播时携带的电离层不规则结构信息来进行电离层闪烁探测,是监测电离层闪烁的一种方便而有效的方法。在2002和2004年,我们分别在武汉和三亚建立了GPS电离层闪烁监测与分析系统,对我国中低纬地区电离层闪烁进行连续观测,已积累了数年的观测数据。利用现有观测数据、结合电波闪烁理论进行电离层闪烁预测是当前电离层闪烁研究的热点之一,目前国际上已有数种电离层闪烁模式,但这些模式均缺乏中国地区电离层闪烁实际观测数据的支持,模式的预测精度也尚未进行比较。本文的工作采用全球电离层闪烁模式GISM,结合中国地区观测数据开展对比分析,给出GISM模式在中国地区的适用性和精度。 本文首先介绍了电离层闪烁探测和预测的基本原理,接着给出了我们观测使用的电离层闪烁实时监测与分析系统。在描述GISM模式的工作原理、实现以及应用之后,利用三亚和武汉电离层闪烁监测数据与GISM模式预测结果,对比分析了幅度闪烁指数和相位闪烁指数的季节变化、日变化和空间分布,给出了该模式在我国中低纬地区的适用性。 对于我国南部,GISM模式能较好给出电离层幅度闪烁的季节变化、日变化和空间分布。对于季节变化,闪烁都是在分点季节较强,但在弱闪烁条件下模式值有较大程度的高估;在强闪烁条件下有一定程度的低估;在中等强度闪烁条件下与观测结果较为相符。对于日变化,观测到的闪烁起始时间和发生率达到最大值时间较模式早1个小时左右,而闪烁结束时间基本相同。空间分布上符合程度较高,幅度闪烁发生的比例随着仰角的增大而降低,大部分的闪烁发生在较为集中的一个方位角范围内,反映出闪烁发生率随纬度变化的特性。 对于我国南部赤道异常区的电离层相位闪烁,模式结果与观测结果有较大的偏差。观测到三亚地区相位闪烁在2004年冬季较强,而模式预测在两分点季节较强。日变化上,观测的相位闪烁在从日落前到日出后都有发生,21:00达到最大值,而模式预测的闪烁只发生在22:00到0:00之间,发生率最大值要晚1个小时左右。模式预测的相位闪烁有明显随仰角增大而降低的趋势,且相位闪烁集中发生在方位角110°? 240°之间,表现出很强的纬度效应,而观测的结果随仰角和方位角的变化并没有那样显著。 对于我国中部的幅度闪烁指数,模式能够反映出武汉地区幅度闪烁在2002年秋分和2003年春分季节最强的特性,但是预测的闪烁起始时刻较晚,结束较早,有明显的发生率最大值,而观测表明闪烁没有很明显的发生率最大值。预测的闪烁发生在一个较小的仰角和方位角内,而观测到的闪烁并没有在某一个角度范围内占有明显优势。 对我国中部的相位闪烁指数的预测状况类似于幅度闪烁指数的预测,能预测出闪烁最强的季节,但是对于闪烁的日变化和空间分布的预测,存在着较大程度的偏差。 总体上,GISM模式在我国南部地区的适用性高于中部地区,对幅度闪烁指数的预测结果大大高于相位闪烁指数的结果。 文中也对GISM在我国低纬和中低纬地区适用性状况的原因作了分析,实际观测数据长度有限、模式中未考虑地磁活动对电离层闪烁的影响和缺乏东亚地区电离层闪烁观测数据的支持是导致这种状况的主要原因。