Analysis of ionospheric disturbance during magnetic storm based on BDS-3 GEO satellites
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摘要:
基于北斗三号卫星导航系统(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3) 地球静止轨道(geostationary earth orbit, GEO)卫星数据，采用非差非组合模型对电离层总电子含量(total electron content，TEC)进行估计，并详细分析了磁暴期间的电离层时空变化. 结果表明：GEO卫星的静地特性可实现对电离层特定位置展开连续不间断地精细化监测. 研究通过相对电离层扰动指数量化了电离层响应特征，发现低纬度区域电离层扰动更为频繁且强度较大，主要是由于低纬度区域电离层热层中性成分异常变化和接近赤道异常现象区域共同导致的. 该研究结果为利用GEO卫星进行电离层监测和更准确地揭示电离层时空变化的特征和规律提供一定的参考.
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关键词:
- 北斗三号卫星导航系统(BDS-3) /
- 地球静止轨道(GEO)卫星 /
- 磁暴 /
- 电离层扰动 /
- 电离层总电子含量(TEC) /
- 非差非组合
Abstract:This paper utilizes BDS-3 GEO satellites data and employs a non-differential and non-combined model to estimate the ionospheric TEC, providing a detailed analysis of the spatial-temporal variations of the ionosphere during magnetic storm. The results indicate that the geostationary characteristics of GEO satellites enable continuous and uninterrupted refined monitoring of specific locations in the ionosphere. The study quantifies the ionospheric response characteristics through the relative ionospheric disturbance index, finding that ionospheric disturbances in low-latitude regions are more frequent and intense. This is primarily attributed to anomalies in the neutral components of the ionospheric thermosphere and the equatorial ionization anomaly region. This research provides a reference for utilizing GEO satellites to monitor the ionosphere, revealing more accurately the characteristics and patterns of spatial-temporal variations in the ionosphere.
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Keywords:
- BDS-3 /
- GEO satellites /
- magnetic storm /
- ionospheric disturbance /
- TEC /
- non-differential and un-combined PPP
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0. 引 言
电离层是地球大气的重要组成部分，内部包含大量的自由电子和离子，会对信号产生折射、反射、散射和吸收等影响，进而影响到导航定位、通讯等正常工作[1]. 与此同时，电离层会受到太阳活动、地磁扰动、地震等因素的影响，会产生日变化、季节变化、太阳周期变化等周期性变化[2]. 为了有效地对电离层进行研究，主要的探测技术包含电离层测高、GNSS电离层观测和甚低频电波等利用电磁波信号在穿过电离层中的电磁效应来进行间接探测[3]. 随着近年来GNSS的快速发展，多星座多频GNSS电离层建模已经当前热点研究[4]. 尤其是我国北斗三号卫星导航系统(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)顺利组网后，就有相关研究者对BDS电离层建模效果进行评估和分析，然而在实际电离层建模中，大多数研究使用的是中地球轨道(medium earth orbit，MEO)卫星的数据和倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit，IGSO)卫星的数据而没有使用地球同步轨道(geostationary earth orbit，GEO)卫星的观测数据. 而使用GEO卫星进行电离层监测具有独特的优势：一方面GEO卫星和地球相对静止的轨道特性，可实现对穿刺点连续不间断地监测. 另一方面，GEO轨道高度较高，GEO卫星和MEO卫星轨道之间仍然存在少量等离子体，使用GEO卫星对电离层监测可有效提升电离层反演精度，并且GEO卫星估计出的电离层总电子含量(total electron content，TEC)变化的噪声水平相比其他增强系统静止卫星小一个数量级[5].
BDS-3组网成功时间较短，并且有些GEO卫星仍在处于在轨测试阶段，在以往的研究大多使用BDS-2的GEO卫星进行电离层监测[6-7]，很少有研究对BDS-3的GEO卫星进行电离层监测. BDS-3搭载的是氢原子钟，相较于BDS-2的铷钟，氢钟精度和稳定性均较高，提取出的电离层延迟更加精确. 因此本文利用BDS-3 GEO卫星的C59和C60采集的连续观测数据，对磁暴期间电离层TEC变化进行监测，并采用相对TEC扰动指数来量化磁暴期间电离层响应特征，为特定地点的电离层时空变化提供参考.
1. 数据来源与算法
1.1 数据来源
BDS GEO卫星相对地球静止，轨道高度35 786 km，轨道倾角为0°，单星覆盖区域较大，故GEO卫星主要的服务地区为亚太地区. 因此本文选取亚太地区不同纬度的MGEX测站(ftp://igs.ign.fr/pub/igs/data)的数据(ULAB、WUH2、CUSV、JOG2、YARR共5个测站)，对2024年3月24日的磁暴现象期间TEC时空变化进行分析. 由于C61和C62卫星仍处于在轨测试的阶段，因此本文只选用BDS-3星座中的C59和C60作为电离层TEC的监测数据源，具体的分布如图1所示.
1.2 电离层VTEC提取算法
目前提取电离层延迟的算法主要有两种，一种是载波相位平滑伪距，另一种是非差非组合精密单点定位(precise point positioning，PPP)技术. 载波相位平滑伪距算法虽然消除多径和热噪声等带来的影响，有效提高了定位精度，但是这种方法严重依赖于观测弧段[8-9]. 而采用非差非组合PPP提取电离层延迟精度提高更加明显，而且提取结果的稳定性更高，已经成为提取TEC并建立全球电离层模型的热点研究方法[10].
因此本文采用非组合算法将电离层延迟项作为待估参数进行解算，可有效避免组合观测方程的观测噪声和多路径效应问题，为进一步提高计算效率. 伪距和载波相位的观测模型如下[11]：
$$ \left\{ \begin{gathered} P_{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}} = \rho _{\mathrm{r}}^{\mathrm{s}} + c \cdot \left( {{\mathrm{d}}{t_{\mathrm{r}}} - {\mathrm{d}}{t^{\mathrm{s}}}} \right) + T_{\mathrm{r}}^{\mathrm{s}} + \gamma_i I_{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}} - c \cdot {B_{{\mathrm{r}},i}} - c \cdot B_i^{\mathrm{s}} + \varepsilon _{\mathrm{r}}^{\mathrm{s}} \\ \varPhi _{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}} = \rho _{\mathrm{r}}^{\mathrm{s}} + c \cdot \left( {{\mathrm{d}}{t_{\mathrm{r}}} - {\mathrm{d}}{t^{\mathrm{s}}}} \right) + T_{\mathrm{r}}^{\mathrm{s}} - \gamma_i I_{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}} - c \cdot {b_{{\mathrm{r}},i}} - c \cdot b_i^{\mathrm{s}} \\ \;\quad\quad +{\lambda _i} \cdot N_{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}} + \xi _{\mathrm{r}}^{\mathrm{s}} \\ \end{gathered} \right. $$ (1) 式中：
$ P_{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}} $ 和$\varPhi _{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}}$ 是在$i$ 频率下的伪距观测值和相位观测值；$ \rho _{\mathrm{r}}^{\mathrm{s}} $ 为卫星到接收机的几何距离；$ {\mathrm{d}}{t_{\mathrm{r}}} $ 和$ {\mathrm{d}}{t^{\mathrm{s}}} $ 为接收机和卫星的钟差；$ T_{\mathrm{r}}^{\mathrm{s}} $ 为对流层延迟误差；$ I_{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}} $ 为在$i$ 频率下的电离层延迟误差；$ {B_{{\mathrm{r}},i}} $ 和$ B_i^{\mathrm{s}} $ 分别为接收机和卫星的硬件延迟影响；$ {b_{{\mathrm{r}},i}} $ 和$ b_i^{\mathrm{s}} $ 为接收机和卫星的相位小数偏差；$ {\lambda _i} $ 为$i$ 频率的波长；$ N_{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}} $ 为$i$ 频率的载波相位模糊度；$ \varepsilon _{\mathrm{r}}^{\mathrm{s}} $ 和$ \xi _{\mathrm{r}}^{\mathrm{s}} $ 为伪距和相位的噪声和多路径误差；$ {\gamma _i} $ 为电离层延迟因子.通常采用高精度的钟差产品时，其钟差值就已经吸收了无几何距离的解的卫星和接收机硬件延迟，因此卫星钟差表达式为
$$ d_t^{\mathrm{s}} = \overline {d_t^{\mathrm{s}}} + \frac{{f_i^2}}{{\left( {f_i^2 - f_j^2} \right)}} \cdot B_1^{\mathrm{s}} - \frac{{f_j^2}}{{\left( {f_i^2 - f_j^2} \right)}} \cdot B_2^{\mathrm{s}} $$ (2) 式中：
$ d_t^{\mathrm{s}} $ 为发布的钟差产品的值，$ \overline {d_t^{\mathrm{s}}} $ 为真实的钟差值.由于在非组合PPP中无法消除钟差产品所带来的伪距硬件延迟，而是被电离层和模糊度所吸收，因此结合上式可得
$$ \left\{ \begin{gathered} P_{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}} = \rho _{\mathrm{r}}^{\mathrm{s}} + c \cdot \left( {\overline {{\mathrm{d}}{t_{\mathrm{r}}}} - \overline {{\mathrm{d}}{t^{\mathrm{s}}}} } \right) + T_{\mathrm{r}}^{\mathrm{s}} + \bar I_{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}} + \varepsilon _{\mathrm{r}}^{\mathrm{s}} \\ \varPhi _{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}} = \rho _{\mathrm{r}}^{\mathrm{s}} + c \cdot \left( {\overline {{\mathrm{d}}{t_{\mathrm{r}}}} - \overline {{\mathrm{d}}{t^{\mathrm{s}}}} } \right) + T_{\mathrm{r}}^{\mathrm{s}} - \frac{{f_i^2}}{{f_j^2}} \cdot I_{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}} + {\lambda _i} \cdot N_{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}} + \xi _{\mathrm{r}}^{\mathrm{s}} \\ \bar I_{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}} = I_{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}} - \frac{{f_2^2}}{{\left( {f_i^2 - f_j^2} \right)}}\left( {{\rm{DC}}{{\rm{B}}_{\mathrm{r}}} + {\rm{DC}}{{\rm{B}}^{\mathrm{s}}}} \right) \\ \overline {{\mathrm{d}}{t_{\mathrm{r}}}} = {\mathrm{d}}{t_{\mathrm{r}}} + \frac{{f_i^2}}{{\left( {f_i^2 - f_j^2} \right)}} \cdot B_i^{\mathrm{s}} - \frac{{f_j^2}}{{\left( {f_i^2 - f_j^2} \right)}} \cdot B_j^{\mathrm{s}} \\ \end{gathered} \right. $$ (3) 式中：
$\bar I_{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}}$ 为非组合PPP电离层延迟的值，$I_{{\mathrm{r}},i}^{\mathrm{s}}$ 为真实的电离层延迟.从上式中可以看出，此时的电离层延迟依然受到卫星和接收机的差分码偏差的影响，因此本文通过M_DCB解算的DCB结果来消除差分码偏差. 此时想要提取精确的电离层垂直总电子含量(vertical total electron content, VTEC)，需要将电离层延迟转换为观测视线上的倾斜电离层总电子含量(slant total electron content, STEC)，然后用投影函数M(·)转换为VTEC，表达式如下：
$$ \left\{ \begin{gathered}\bar{I}=40.28\times {10}^{16}\cdot \frac{{\rm{STEC}}}{{f}_{1}^{2}}\\ {\rm{VTEC}}=M(\textit{z})\cdot {\rm{STEC}}\\ M(\textit{z})=\mathrm{cos}\;(\mathrm{arcsin}\;(\frac{R}{R+H}\mathrm{sin}\;(\alpha \textit{z})))\\ \end{gathered}\right. $$ (4) 式中：
$ R $ 为地球半径；$ H $ 为基于单层电离层薄膜假设的高度，通常为350 km；$ \alpha $ =0.9782 ；$ \textit{z} $ 为接收机的卫星高度角.1.3 电离层扰动指数计算
电离层结构的显著非常规变化，通常被称为电离层扰动，是电离层研究中的一个重要现象. 在深入探究电离层暴扰动的特性并进行有效预报时，对电离层暴扰动事件的准确判别和提取显得尤为关键. 这一过程依赖于一套清晰明确的判定标准. Kouris[12]等针对欧洲地区的电离层TEC变化特征进行了细致研究，并提出判定电离层扰动的标准：电离层TEC在连续3 h内的相对偏差超过0.2. Ban[13]等提出基于foF2归一化尺度的扰动指数，以27 d前foF2均值中位数作为背景值，计算连续3 h内电离层扰动. 基于以上研究，本文为量化电离层TEC扰动，引入一种相对电离层扰动指数R，具体表达式如下
$$ R\left( t \right) = \frac{{{\rm{TEC}}\left( t \right) - {\rm{TE}}{{\rm{C}}_{\mathrm{B}}}\left( t \right)}}{{{\rm{TE}}{{\rm{C}}_{\mathrm{B}}}\left( t \right)}} $$ (5) ${\rm{TEC}}\left( t \right)$ 电离层为观测时刻$ t $ 的电离层VTEC值，$ {\rm{TE}}{{\rm{C}}_{\mathrm{B}}}\left( t \right) $ 为电离层背景值. 背景值选取磁暴前后各13 d的VTEC平均值，与太阳自转周期保持一致.当
$ R\left( t \right) $ 大于0.35时，认为电离层发生了正响应扰动，当$ R\left( t \right) $ 小于−0.3时电离层发生负响应扰动. 此外考虑到电离层暴是一种有一定持续时间的电离层扰动现象，本文认为电离层扰动时间是连续6 h以上且$ R\left( t \right) $ 超过0.35或者小于−0.3，期间$ R\left( t \right) $ 不满足该值的连续时间不得超过2 h.2. BDS GEO可见性分析
截止到2024年4月底，BDS共有9颗GEO卫星在轨运行. 从中国卫星导航系统管理办公室测试评估研究中心官网可查到，BDS-2的C01~C05目前卫星状态为正常，BDS-3中的C59~C60位置状态为正常，而C61~C62仍然处于在轨测试，且卫星健康状态也基本处于异常. GEO卫星的基本信息如表1所示.
表 1 BDS GEO卫星的基本信息PRN 卫星位置 卫星类型 运行状态 C01 140°E BDS-2 正常 C02 80°E 正常 C03 110.5°E 正常 C04 160°E 正常 C05 58.75°E 正常 C59 140°E BDS-3 正常 C60 80°E 正常 C61 110.5°E 在轨测试 C62 140°E 在轨测试 BDS GEO卫星基本全天可见. MEO和IGSO卫星可视时间较短，无法实现对特定地点的电离层变化实现不间断的连续观察，而GEO卫星由于其静地特性，可实现对电离层进行不间断的长时间监测.
3. 电离层时空变化特征分析
3.1 地磁活动分析
磁暴现象是太阳爆发引起的地磁场剧烈变化，是太阳风震波或磁云与地球磁场交互作用所引起的地球磁层扰动. 通常主要以代表太阳活动的10.7 cm射电流量(F10.7)和地磁活动的Kp、Ap与Dst指数来分析空间环境. 地磁活动的Kp指数可划分为不同的等级：平静(0~2)、扰动(2~3)、活跃(3~4)、小磁暴(4~5)、大磁暴(5~5.6)和严重磁暴(>6.5)；Dst指数等级划分为小磁暴(−50 nT < Dst < −30 nT)、中等磁暴(−100 nT < Dst < −50 nT)、强烈磁暴(−200 nT < Dst < −100 nT)和超级磁暴(Dst < −200 nT)；Ap指数等级分为平静(0~7)、扰动(8~15)、活跃(16~29)、小磁暴(30~49)、大磁暴(50~99)和严重磁暴(>100)；F10.7等级划分为极低/低(0~90 sfu)、中等(91~130 sfu)、高(131~196 sfu)、很高/极高(>196 sfu). 2024年3月21日至3月24日发生的大地磁暴期间空间环境参数如图2所示。由图2可知，在3月24日Kp指数最大值达到8.3，Dst指数达到了−130 nT，日均Ap指数达到了69，F10.7幅值达到了209 sfu. 根据等级划分此次磁暴事件为大磁暴，开始时间为3月24日晚17时左右，并且持续时间约6 h.
3.2 TEC时空变化
磁暴期间电离层在太阳风、磁层和地球磁场的共同作用下，TEC变化剧烈并产生明显扰动[14]. 图3为2024年3月24日磁暴期间与2024年3月19日即磁暴发生前的磁静日之间的全球电离层TEC差值分布图. 从图中可以看到从2024年3月24日UT 1开始中低纬度的TEC差异逐渐变大，但基本在10 TECU以内. 随着太阳直射点的移动，在UT 14后美洲及大西洋地区TEC差值变大，部分地区最大达到20 TECU.
3.3 电离层扰动变化
不同经纬度下的电离层背景值不同，且由TEC时空变化可知，不同位置TEC存在明显差异，因此通过相对电离层扰动指数(disturbance index, DI)可有效分析TEC扰动响应的时空特征. 图4为3月21日至3月27日C59卫星监测下不同纬度测站处的相对DI值，其中红线为相对电离层DI阈值(−0.3~0.35). 从图4中可以看到中低纬度的测站电离层TEC相对扰动差异明显，纬度相对较高的ULAB站发生DI值仅在数个小时内达到电离层扰动的阈值，但是持续时间相对较短，不足以判定为电离层扰动现象的条件. WUH2和YARR站不仅在当地时间3月25日前后产生较强的电离层扰现象，持续时间约7 h，而且在3月23日和3月24日前后，产生相对较弱的正扰动响应或负响应. 这主要是由于这两个测站位于南北纬30°附近，处于热层大气赤道异常现象区域，该区域电离层会直接或者间接受到非迁移潮汐的影响. 位于低纬度的CUSV和JOG2测站，产生的响应强度相对较强，最大可达0.81. 其中CUSV测站在正响应结束后，DI值仍处于较高的水平，主要原因可能是低纬度区域电离层热层中性成分异常变化和接近赤道异常现象区域共同导致的.
4. 结束语
本文基于BDS-3 GEO卫星的C59和C60实现对电离层特定位置的连续不间断监测，对2024年3月21日至3月27日磁暴期间亚太地区电离层TEC的时空变化进行了详细分析. 通过引入相对电离层TEC扰动指数，量化了磁暴期间电离层响应的特征. 研究结果表明：不同纬度电离层TEC响应扰动差异明显，低纬度电离层较中纬度电离层扰动持续时间更长、扰动强度更强；位于热层大气赤道异常现象区域的电离层会直接或者间接受到非迁移潮汐的影响，在磁暴期间可能会多次出现相对较弱的正扰动响应或负响应.
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表 1 BDS GEO卫星的基本信息
PRN 卫星位置 卫星类型 运行状态 C01 140°E BDS-2 正常 C02 80°E 正常 C03 110.5°E 正常 C04 160°E 正常 C05 58.75°E 正常 C59 140°E BDS-3 正常 C60 80°E 正常 C61 110.5°E 在轨测试 C62 140°E 在轨测试 
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