子午工程二期GNSS电离层TEC与闪烁监测仪样机测试及数据对比分析.pdf
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1、王铮,曹光伟,胡连欢,谭广远,尚社平,胡鹏,陈志青.2024.子午工程二期 GNSS 电离层 TEC 与闪烁监测仪样机测试及数据对比分析.地球与行星物理论评(中英文),55(1):77-93.doi:10.19975/j.dqyxx.2023-008.WangZ,CaoGW,HuLH,TanGY,ShangSP,HuP,ChenZQ.2024.Domesticglobalnavigationsatellitesystemionospherictotalelectroncontentandscintillationmonitorprototypetestinganddataqualitycomp
2、arisonanalysisforthePhaseIIofChineseMeridianProject.ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysics,55(1):77-93(inChinese).doi:10.19975/j.dqyxx.2023-008.子午工程二期 GNSS 电离层 TEC 与闪烁监测仪样机测试及数据对比分析王铮1,2*,曹光伟1,3,胡连欢4,谭广远1,3,尚社平1,2,胡鹏1,3,陈志青1,21中国科学院国家空间科学中心,北京1001902太阳活动与空间天气重点实验室,北京1001903天基空间环境探测北京市重点实验室,北京1001904
3、中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029摘要:子午工程二期电离层 TEC 与闪烁接收机布网采用国产设备.经过连续 3 天的运行测试,本文以同台站同天线的国外对比设备 PolaRx5 数据为参考,对样机的数据进行质量评估.对于科学研究,数据的连续性和有效性,VTEC、幅度闪烁指数、相位闪烁指数这三项数据的精度是最重要的指标.本文根据科研场景设计了这些方面的数据比较标准,评估样机的数据质量,并对两种设备探测结果特征的原因进行了分析,为数据准确性的评估提供参考和借鉴.关键词:子午工程;GNSS 电离层 TEC 与闪烁监测仪;样机测试;数据质量doi:10.19975/j.dqyxx.2023
4、-008中图分类号:P352文献标识码:ADomestic global navigation satellite system ionospheric total electron content andscintillation monitor prototype testing and data quality comparisonanalysis for the Phase II of Chinese Meridian ProjectWangZheng1,2*,CaoGuangwei1,3,HuLianhuan4,TanGuangyuan1,3,ShangSheping1,2,HuPe
5、ng1,3,ChenZhiqing1,21NationalSpaceScienceCenter,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China2KeyLaboratoryofSolarActivityandSpaceWeather,Beijing100190,China3BeijingKeyLaboratoryofSpaceEnvironmentExploration,Beijing100190,China4InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,Ch
6、inaAbstract:Theglobalnavigationsatellitesystem(GNSS)ionospherictotalelectroncontent(TEC)andscintil-lationmonitorsinthePhaseIIofChineseMeridianProjectnetworkprovidedomesticmeasurements.After3con-secutivedaysoftesting,weusedPolaRx5datawiththesameantennaasareferencetoevaluatethequalityoftheprototypedat
7、a.Forscientificresearch,thecontinuityandeffectivenessofdata,aswellastheaccuracyofvertical收稿日期:20230225;录用日期:20230711基金项目:中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划;南海上空中高层大气与电离层环境变化特征的基础与应用研究资助项目(YSBR-018);中国科学院青年创新促进会基金(2023000116);中国科学院国家空间科学中心“攀登计划”支持项目;太阳活动与空间天气实验室基金SupportedbytheStableSupportforYouthTeamProgramsint
8、heFieldofBasicResearchofChineseAcademyofSciences,theBasicandAppliedResearchontheCharacteristicsofEnvironmentalChangesintheMiddleandUpperAtmosphereandIonosphereovertheSouthChinaSea(GrantNo.YSBR-018),theFundofYouthInnovationPromotionAssociationofChineseAcademyofSci-ences(GrantNo.2023000116),theClimbin
9、gPlanofNationalSpaceScienceCenter,ChineseAcademyofSciences,andtheFundofKeyLaboratoryofSolarActivityandSpaceWeather*通信作者:王铮,男,副研究员,主要从事电离层物理等方面的研究.E-mail:第55卷第1期地球与行星物理论评(中英文)Vol.55No.12024年1月ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysicsJan.,2024TEC,amplitudescintillationindex,andphasescintillationindexvalu
10、es,arethemostimportantindicators.Inthisstudy,wedesigneddatacomparisonstandardsfortheseaspectsbasedonscientificresearchscenarios,evaluatedthedataqualityoftheprototype,andanalyzedthereasonsforthecharacteristicsofthedetectionresultsofthetwodevices.Thesefindingsprovideareferencefortheevaluationofdataacc
11、uracy.Keywords:ChineseMeridianProject;GNSSionosphericTECandscintillationmonitor;prototypetesting;dataquality0引言电离层电子总含量(totalelectroncontent,TEC)是电离层电子柱含量(Mannuccietal.,1998);电离层闪烁包括幅度闪烁和相位闪烁,是描述电离层对无线电波传播影响程度的参数(Alfonsietal.,2013;Kiletal.,2002).TEC 和闪烁指数及其变化不但是电离层形态学研究的重要资料,也是精密定位、导航和电波科学中电离层修正的重要参
12、数(Basuetal.,1999;Kintneretal.,2007).它们是描述电离层形态和结构的重要参量,有助于研究电离层对电磁波传播的影响.全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatel-liteSystem,GNSS)包括 GPS(GlobalPositioningSystem)、GLONASS(Global Navigation SatelliteSystem)、北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem,BDS)等星座系统.美国 GPS 卫星升空之前,已有多种以穿透电离层的电波或以电离层反射/散射电波为基础的地面遥测方法,可以用来
13、测量传播路径的 TEC、电波闪烁以及引起闪烁的电离层密度不均匀体的统计特性(Aarons,1982;YehandLiu,1982).GPS 为代表的 GNSS 全球导航定位系统的出现为电离层探测研究提供了新的途经.GPS 卫星发射 1575.42MHz 和 1227.60MHz 的双频信标,由于 GPS 卫星众多且公转速度快,一台设备通常可以同时接收 4 颗以上的 GPS 卫星信号,并通过信号载波和相位计算 TEC 和闪烁.目前国内观测点使用的电离层 TEC 和闪烁监测仪大多采用国外研制的仪器.美国康奈尔大学空间物理组在 GECPlesseyGPSBuilder22 系统基础上,对软件进行了修
14、改,开发了 GPS 电离层闪烁监测仪,国内多个单位利用该设备进行监测,研究赤道地区 L2 波段电离层闪烁的形态特性.国内还有一些单位利用美国空军开发的 GPS 电离层闪烁监测仪(ionosphericscintillationmonitor,ISM)进行电离层闪烁研究.比利时 Septentrio 研发的 PolaRx5S 电离层闪烁监测仪具备实时输出 TEC 和闪烁指数数据、跟踪所有可见的 GNSS 卫星、原始数据输出(代码、载体、导航数据)等特点(Pasulurietal.,2018).加拿大 Novatel 公司在其一代电离层闪烁监测仪 GSV4004 的基础上研制了支持多卫星系统的 G
15、PStation6 电离层 TEC 与闪烁监测仪,也得到了较为广泛的应用(Fentonetal.,1991).目前国际上广泛使用的成熟产品主要是上文提到的 SeptentrioPolaRx5s 和 Novatel.这几个型号的设备产生的观测数据支撑了大量的科学研究(Aarons,1997;Hernndez-Pajares,2004;Liuetal.,2022;吴云等,2005),数据质量得到验证.过去此类设备主要运用 GPS 卫星信号,但近年来 BDS得到了巨大发展,国际上已经发展出多套 GNSS 系统,有更多的卫星可用于计算.子午工程二期 GNSS 电离层 TEC 与闪烁监测仪采用公开招标的
16、方式,在当前主流监测设备中进行择优选择,当国内设备性能指标和数据产品与国外设备相当时,将优先选择国内产品.这对 GNSS电离层闪烁监测仪国产化有着重要意义.为了检验设备是否满足工程需求,在投产前,需要开展样机测试.样机的技术指标主要在实验室通过模拟器进行测试.模拟器测试所检验的内容包括 GNSS 系统接收、通讯接口、载波相位精度、闪烁指数精度、TEC 测量精度、天线指标、数据接收计算机配置、室外环境适应性、室内环境适应性、齐套性等,并不涉及科学数据能否真实和准确反映电离层空间环境信息.另一方面,对于设备探测到的数据,每台设备由于硬件延迟等客观原因,即使两台相同型号的设备计算出的电离层 TEC
17、和闪烁都不可能完全相同;再加上国际上并无统一标准的算法,设备采用的算法不同,不同型号的设备计算的参数有更显著的区别.如何界定一台设备探测到的电离层参量的准确性,是一个难以严格解答的问题.为了进一步评估子午工程 GNSS 设备的样机观测数据的质量,子午工程二期工程总体组织设备生产方在北京十三陵台站对 2 台样机以及 1 台78地球与行星物理论评(中英文)2024年SeptentrioPolaRx5s 对比机进行了连续 3 天的对比测试.本文根据科研场景设计了一些比较标准,展示了数据对比分析的结果,评估样机的数据质量,并对两种设备探测结果特征的原因进行了分析,为数据准确性的评估提供参考和借鉴.1参
18、测设备和测试过程 1.1 子午工程 GNSS 电离层 TEC 和闪烁监测仪组网概况电离层 TEC 和闪烁监测仪是电离层空间环境背景参量的重要设备之一.子午工程二期采用支持GNSS 卫星系统的电离层 TEC 和闪烁监测仪,安装于如表 1 的 32 个站点,形成监测网络,实时获得中国上空的电离层 TEC 和电离层闪烁等信息,对于认知我国空间环境背景及科学应用具有重要意义.GNSS 电离层 TEC 与闪烁监测仪对 GNSS 接收 天 线 接 收 的 美 国 GPS、中 国 BDS、欧 洲GALILEO 系 统(GalileoSatellite Navigation Sys-tem)、俄 罗 斯 GL
19、ONASS、日 本 QZSS(Quasi-ZenithSatelliteSystem)以及印度 IRNSS(IndianRegionalNavigationSatelliteSystem)共 7 个 GNSS系统的导航信号,进行下变频、放大、滤波及 AD采样后,送至 FPGA 进行相关处理,DSP 和 ARM对基带捕获跟踪通道进行控制,并对导航信号的幅度和相位信号进行实时监测和测量,解算出电离层 TEC、电离层幅度闪烁指数、电离层相位闪烁指数等相关数据.通过获取大量台站的电离层参量,科研和应用工作者可以制成电离层参量的水平地图,反映电离层变化的水平分布和大范围的变化过程.这对研究电离层的电动力
20、学过程、对我国区域的电离层建模具有重要意义(Ratovskyetal.,2014;Wil-sonetal.,1995).1.2 样机的技术特点由于电离层空间环境研究与应用的强烈需求,当前 GNSS 电离层监测要求同时监测获得多个卫星系统的信号,克服 GNSS 信号穿越整个电离层时由于电离层不均匀体引起的信号相位和幅度快速起伏导致的锁相环失锁和码失锁.因此,设备的重要要求:(1)GNSS 全频段接收技术.GNSS 电离层监测仪接收到卫星数量决定了能够监测到闪烁事件的最大数量,且通过对不同导航系统电离层 TEC 和闪烁指数进行对比,更能反映出仪器的工作性能,因此本设备针对科学需求,要求对接收天线和
21、射频前端以及对应的基带处理进行 GNSS 全频段设计.本文的测试需要从数据角度对这种能力进行验证.(2)强闪烁稳定捕获/跟踪技术.由于 GNSS信号穿越整个电离层,电离层不规则结构引起信号相位和幅度的快速随机起伏,这种快速的相位变化表1子午工程二期 GNSS 电离层 TEC 与闪烁监测仪站点分布Table1DistributionofGNSSionosphericTECandscintilla-tion monitor stations in the Phaseof ChineseMeridianProject编码站点经度纬度OLEDO乐东站109.0E18.5NODAZH儋州站109.1E1
22、9.5NOHKQS海口琼山站110.5E19.8NONNQX南宁青秀站108.5E22.8NOSHJI双江站99.8E23.5NOBOLU博罗站114.5E23.5NOXMJM厦门集美站118.1E24.6NOGLDC桂林叠彩站110.3E25.4NOKMWH宾川站100.6E25.6NONCDH南昌东湖站115.8E28.7NOCQSP重庆沙坪坝站106.4E29.5NONQSN那曲色尼站91.2E29.6NOHZXH杭州西湖站120.1E30.3NOPUJI蒲江站103.6E30.3NOWHHP武汉黄陂站114.5E31.0NOBHKD包河科大站117.3E31.8NOXYWC咸阳渭城站1
23、08.7E34.3NOXXMY新乡牧野站113.9E35.3NOGAER噶尔站80.1E35.5NOYUZH榆中站104.1E36.0NOWHWD威海文登站121.8E37.2NOHLAN贺兰站106.1E38.8NOJSHI伽师站76.8E39.5NOJIYG嘉峪关站98.2E39.8NOCSSL昌平十三陵站116.2E40.3NOSIZW四子王站111.7E41.5NOLONJ龙井站129.4E42.8NOKERL库尔勒站81.7E42.9NOGZHL公主岭站124.9E43.9NOMZLB满洲里北区站117.5E49.6NOMOHE漠河站122.4E53.5NOCHCH南极长城站58.9
24、6W62.23S第55卷第1期王铮,等:子午工程二期 GNSS 电离层 TEC 与闪烁监测仪样机测试及数据对比分析79(相位闪烁)会引起 GNSS 信号的多普勒频移,从而可能超出锁相环的带宽,导致相位失锁,同时幅度的削弱将会使得 GPS 载噪比降低到接收机极限以下,导致码失锁,为了保证处理器能提取出准确的幅度、相位等信息,要求 GNSS 电离层监测仪具有较强的抗干扰能力.要实现这一目标,一方面需要在硬件上加强设计;另一方面,也需要优化算法,保证在产生多普勒频移时锁相环正常工作.本文对不同设备的数据对比结果表明了这会明显影响数据质量,提出了需要改进的方向.1.3 测试过程2022 年 10 月
25、27 日至 11 月 9 日在研制方实验室利用 GNSS 模拟器进行各种指标详细测试.2022 年 9 月 1423 日,子午工程总体对 GNSS电离层 TEC 与闪烁监测仪测试样机(GISMOR)在北京昌平的十三陵地磁台(116.2E,40.3N)进行测试,样机共两台(编号为 9 号和 10 号),与对标的进口设备(SeptentrioPolaRx5 接收机)通过功分器接同一个天线.本文以 9 月 2022 日,9 号样机、10 号样机、SeptentrioPolaRx5 接收机三台仪器自动获取的电离层垂直 TEC(VerticalTEC,VTEC)、幅度闪烁指数和相位闪烁指数为主要分析对象
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