2020, Vol. 40
电离层变化受多种因素的影响，其中太阳活动和地磁活动是引起电离层变化的主要因素, 由太阳活动喷发的粒子流引起的太阳风会与地球磁场和电离层作用，从而发生磁暴、电离层暴、热层暴和高能电子暴等[1]。除来自太阳活动和地磁活动的影响外，地震以及天气现象的各种扰动都可能对电离层产生一定的影响。
地球磁场、太阳耀斑等突发性扰动出现时, 电离层受其响应并且发生状态变化，由此产生的各种现象、特征及其物理机制也是电离层观测研究的一个焦点[2]。文献[3]从电离层数据统计规律和物理机理上研究了描述电离层变化的经验和物理模型，并将物理模型应用到电离层暴时的变化和地震电离层异常扰动的研究中。文献[4-5]通过地基GPS VTEC观测技术，对地震期间的单站或区域进行电离层VTEC的解算并进行异常检测，在一定程度上证实了地震与电离层的耦合机理。文献[6-9]研究表明，由地震活动引起的电离层变化不仅确实存在，而且在震级大于5的地震发生前的几天到几小时会发生电离层扰动。
电离层异常会对卫星导航系统电离层模型的修正精度产生一定影响，进而影响单频卫星导航用户的导航定位精度。北斗单频基本导航用户使用K8模型进行电离层延迟修正，单频增强导航用户使用格网电离层信息进行电离层延迟修正。文献[10]利用空间环境预报中心的相关产品对2017-04-04小磁暴期间广播电离层模型进行性能分析，结果表明，磁暴对GPS-K8、BDSSH和NeQuick2三种模型的修正率均有一定影响。文献[11-12]从伪距单点定位精度的角度分析北斗电离层模型的服务性能，结果表明，使用BDS-K8模型比使用GPS-K8模型的单频伪距定位精度高。文献[13]利用GEO卫星的静地特性对电离层电子浓度变化进行分析研究，结果表明，北斗卫星导航系统为我国区域电离层监测提供了新的手段。文献[14]利用全球IGS组织114个跟踪站的GPS数据分析2003-10-28太阳特大耀斑期间电离层的扰动特性发现，电离层总电子含量(total electron content，TEC)的突增现象对于不同太阳高度角的区域其增加幅度是不同的, 北半球的TEC突增现象基本上对称于地方时的正午, 且当太阳天顶距大于60°时, TEC会突增到14 TECu量级。文献[15]分析了太阳风暴对北斗卫星星座、电离层及用户定位产生的影响。文献[16]分析地磁暴对北斗用户伪距定位的影响。文献[17]利用2012年全年数据仿真验证，中国大陆大部分地区格网电离层改正精度优于0.5 m；除东北和西北地区外，其余地区格网可用性优于95%。文献[18]使用双频观测比对方法评估中国区域内一年四季格网电离层的性能。
目前，对于电离层模型和格网点电离层信息在平静时期整体服务性能的研究较为成熟，但对电离层异常时期、电离层扰动较为剧烈时期的研究不够全面，有待深入。基于此现状，本文通过分析太阳耀斑、地磁暴、高能电子暴、地震等自然现象发生期间电离层电子浓度的变化情况和BDS电离层模型、格网点电离层信息的修正情况，研究北斗系统电离层修正的抗扰动能力。
1 BDS-K8模型北斗卫星导航系统(Beidou navigation satellite system，BDS)采用Klobuchar电离层模型，利用穿刺点的地理纬度和8个模型参数计算得到垂直方向的电离层延迟，并通过投影映射函数转换为传播路径上的电离层延迟。用户利用系统播发的BDS-K8模型参数可计算电离层垂直延迟改正Iz(t)：
| ${I_z}(t) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{v}} \begin{array}{l} {A_1} + {A_2}\cos [\frac{{2\pi (t - {A_3})}}{{{A_4}}}], \\ \;\;\;\;\;\;|t - {A_3}| < {A_4}/4 \end{array}\\ {{A_1}} \end{array}} \right. $ | (1) |
式中各参数定义及计算方法详见文献[19]。
2 格网点电离层信息格网点电离层信息是北斗卫星导航系统为增强用户提供的电离层延迟修正信息。其覆盖范围为70°~145°E、7.5°~55°N，按经度5°×纬度2.5°进行划分，形成320个格网点(IGP，ionospheric grid point)。格网点(IGP)定义及其编号详见文献[19]。
用户穿刺点(图 1)所在的周围格网至少有3个格网点标识为有效时，可根据这些有效格网点上播发的垂直电离层延迟，采用线性内插法计算穿刺点处的电离层延迟。线性内插方法为：
| $ {\rm{ion}} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^4 {{\omega _i} \cdot {\rm{VTE}}{{\rm{C}}_i}} }}{{\sum\limits_{i = 1}^4 {{\omega _i}} }} $ | (2) |
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图 1 用户穿刺点与格网点示意图 Fig. 1 Schematic diagram of user puncture point and IGP |
式中各参数定义及计算方法详见文献[19]。
3 评估方式及修正率计算方法本文以北斗广播星历中解算得出的双频电离层天顶方向电离层总电子含量(vertical total electron content，VTEC)作为参考，计算BDS广播星历的K8模型修正情况。
| $ {\rm{bias}} = |{\rm{VTE}}{{\rm{C}}_{{\rm{K8}}}} - {\rm{VTE}}{{\rm{C}}_{{\rm{ref}}}}| $ | (3) |
| $ \alpha = (1 - \frac{{{\rm{bias}}}}{{{\rm{VTE}}{{\rm{C}}_{{\rm{ref}}}}}}) \times 100\% $ | (4) |
式(3)和式(4)中，VTECK8表示BDS-K8模型电离层VTEC，VTECref表示双频电离层VTEC，bias表示BDS-K8模型与双频电离层VTEC差值的绝对值，α表示电离层修正率。
格网电离层修正率计算方法参照BDS-K8模型修正公式。
4 北斗实测数据分析利用北京和成都实测数据，分析太阳耀斑、地磁暴、高能电子暴和地震对电离层模型修正情况的影响。
4.1 太阳耀斑2017-09-06和2017-09-10分别爆发X9.3级、X8.2级太阳大耀斑。选取2017-09-07~09-13共7 d数据，分析北京和成都电离层的修正情况，具体如图 2、图 3和表 1、表 2所示。
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图 2 2017-09太阳耀斑爆发前后北京电离层延迟 Fig. 2 Ionospheric delay in Beijing before and after the outbreak of solar flare in September 2017 |
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图 3 2017-09太阳耀斑爆发前后成都电离层延迟 Fig. 3 Ionospheric delay in Chengdu before and after the outbreak of solar flare in September 2017 |
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表 1 2017-09太阳耀斑爆发前后北京电离层修正情况统计 Tab. 1 Statistics on ionospheric corrections in Beijing before and after the outbreak of solar flares in September 2017 |
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表 2 2017-09太阳耀斑爆发前后成都电离层修正情况统计 Tab. 2 Statistics on ionospheric corrections in Chengdu before and after the outbreak of solar flares in September 2017 |
由上述结果可知，2017-09发生的太阳耀斑对中低纬度电离层造成一定影响，电离层出现明显的异常高峰和波动。09-06太阳耀斑使得北京电离层VTEC峰值升高约10~30 TECu，全天K8模型偏差值约9.6 TECu；成都地区全天K8模型偏差值达到约9.79 TECu。09-10太阳耀斑使得成都地区电离层VTEC峰值升高约60 TECu，全天K8模型偏差值约11.97 TECu；北京地区电离层VTEC峰值升高约10 TECu，全天K8模型偏差值约4.14 TECu。
太阳耀斑对区域电离层模型精度整体影响较大，北京电离层模型修正率由90%左右下降至30%左右，电离层模型与双频VTEC偏差值增加3~7 TECu。格网电离层修正基本未受影响。成都电离层模型修正率由85%左右下降至50%左右，电离层模型与双频VTEC偏差值增加4~9 TECu。格网电离层受影响较小，仅09-11和09-13格网与双频VTEC偏差值分别达到3.63 TECu和2.12 TECu，其余时间均值均小于2 TECu。结果表明，太阳耀斑对电离层的影响与纬度有关，纬度越低，影响越大[20]。
4.2 地磁暴和高能电子暴2018-08-26~08-27爆发大地磁暴，2018-08-28~08-29爆发高能电子暴。选取2018-08-24~08-31共8 d数据，分析北京和成都电离层修正情况，具体如图 4、图 5和表 3、表 4所示。
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图 4 2018-08地磁暴和高能电子暴前后北京电离层延迟 Fig. 4 Ionospheric delay in Beijing before and after geomagnetism and high-energy electron storms in August 2018 |
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图 5 2018-08地磁暴和高能电子暴前后成都电离层延迟 Fig. 5 Ionospheric delay in Chengdu before and after geomagnetism and high-energy electron storms in August 2018 |
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表 3 2018-08地磁暴和高能电子暴前后北京电离层修正情况统计 Tab. 3 Statistics on ionospheric corrections in Beijing before and after geomagnetism and high-energy electron storms in August 2018 |
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表 4 2018-08地磁暴和高能电子暴前后成都电离层修正情况统计 Tab. 4 Statistics on ionospheric corrections in Chengdu before and after geomagnetism and high-energy electron storms in August 2018 |
由上述结果可知，地磁暴对单频电离层修正精度产生一定影响。地磁暴发生后2~3 d，北京电离层模型修正率由80%左右下降至30%左右，电离层模型与双频VTEC偏差值增加约2~6 TECu；成都电离层模型修正率由85%左右下降至40%左右，电离层模型与双频VTEC偏差值增加约2~6 TECu。格网电离层修正精度基本未受影响。
高能电子暴对单频电离层修正精度的影响较小，电离层模型与双频VTEC偏差值增加约1 TECu，电离层模型修正率约下降10%左右。
4.3 地震2017-08-08四川九寨沟发生7.0级大地震，选取2017-08-01~08-11共11 d数据，分析北京和成都电离层修正情况，具体如图 6、图 7和表 5、表 6所示。
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图 6 2017-08九寨沟地震前后北京电离层延迟 Fig. 6 Ionospheric delay in Beijing before and after the Jiuzhaigou earthquake in August 2017 |
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图 7 2017-08-08九寨沟地震前后成都电离层延迟 Fig. 7 Ionospheric delay in Chengdu before and after the Jiuzhaigou earthquake in August 2017 |
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表 5 2017-08九寨沟地震前后北京电离层修正情况统计 Tab. 5 Statistics on ionospheric corrections in Beijing before and after the Jiuzhaigou earthquake in August 2017 |
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表 6 2017-08九寨沟地震前后成都电离层修正情况统计 Tab. 6 Statistics on ionospheric corrections in Chengdu before and after the Jiuzhaigou earthquake in August 2017 |
由上述结果可知，地震前几天或者几小时电离层存在明显异常，电离层前兆确实存在。北京离震中较远，受影响较小，08-04电离层双频VTEC日变化存在明显高峰，在次日恢复正常。模型修正精度明显下降，修正偏差增加约2 TECu，修正率下降约23%。
成都离震中较近，受影响较大，08-01、08-04和08-08电离层双频VTEC日变化存在明显高峰，在次日恢复正常。模型修正精度明显下降，修正偏差增加约3 TECu，修正率下降约32%。
成都电离层模型修正率由65%左右下降至50%左右，BDS-K8模型偏差值达到3~4 TECu；北京电离层模型修正率由65%左右下降至50%左右，BDS-K8模型偏差值达到1~2 TECu。格网电离层修正精度基本未受影响。
5 结语根据以上分析，可以得出以下几个基本结论：
1) 电离层格网信息每6 min更新一次，有较强的实效性，电离层格网信息反映的电离层总电子含量与实际较为吻合，因此在不同的空间天气事件影响下受影响较小。电离层异常期间，电离层格网修正精度优于89%，且格网点电离层延迟改正精度变化很小，可忽略不计，说明格网点电离层信息具有较强的抗扰动能力。
2) 太阳耀斑对区域电离层模型精度整体影响较大，中高纬度地区电离层模型修正率由90%左右下降至30%左右，电离层模型与双频VTEC偏差值增加3~7 TECu。格网电离层修正基本未受影响。中低纬度地区电离层模型修正率由85%左右下降至50%左右，电离层模型与双频VTEC偏差值增加4~9 TECu。
3) 九寨沟地震发生前1周内，电离层发生异常扰动，震中附近电离层异常扰动较为明显，电离层模型修正率由80%左右下降至50%左右。BDS-K8模型与双频电离层VTEC偏差值增加约3 TECu。
4) 地磁暴发生后2~3 d，单频电离层修正率由85%左右下降为30%~40%左右，BDS-K8模型与双频电离层VTEC偏差值增加约2~6 TECu。
5) 高能电子暴也会对单频电离层修正产生一定影响，但较地磁暴影响弱。
6) 由于中低纬度地区电离层电子浓度较高，电离层抗扰动能力较差；中高纬度地区电离层抗扰动能力较强。
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