2024, Vol. 44
2. 地理信息工程国家重点实验室，西安市雁塔路中段1号，710054;
3. 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉市徐东大街340号，430077;
4. 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，武汉市徐东大街340号，430077
全球导航卫星系统(GNSS)无线电掩星(RO)技术具有成本低、自标定、覆盖范围广、全天时、全天候、垂直分辨率高等特点，能够弥补海洋、极地等地区观测资料的不足[1]；其电离层产品在电离层气候学研究、空间天气监测、电离层延迟修正等多个领域均显示出重要的研究价值和广阔的应用前景。
以往研究将掩星测量获得的电离层F2层峰值参数与电离层垂测仪观测的电离层数据进行了比较[2-6]，结果表明，从掩星数据中反演的NmF2和hmF2与电离层垂测仪测量结果一致。此外，部分学者将COSMIC电离层观测结果与IRI模型计算的电子密度进行比较，发现COSMIC数据的电子密度分布与IRI模型具有较好的一致性[7]；Xu等[8]基于全球电离图(GIM)提供的TEC对COSMIC和FY-3C反演的电离层TEC精度进行了比较。
FY-3E是中国第二代极轨气象卫星，其搭载的GNOS-Ⅱ较GNOS进行了多方面的优化。GNOS Ⅱ增加了掩星通道数，并首次接收来自BDS-3的掩星信号，极大提高了中国自主进行掩星探测的能力[9]。目前，针对FY-3E电离层掩星产品的研究尚未开展，本文基于多源数据对FY-3E电离层电子密度廓线(EDPs)反演的电离层foF2、hmF2和TEC参数精度进行系统评估。首先分析FY-3E GPS和BDS掩星探测到的电离层EDPs的数量及分布情况；随后利用地面垂测仪观测数据分析FY-3E EDPs的foF2和hmF2数据精度和误差特征，并基于GIM TEC和IRI2016 TEC对FY-3E EDPs电离层TEC精度进行系统评估。
1 数据和方法 1.1 FY-3E电离层掩星数据介绍FY-3E卫星于2021-07-05发射升空，轨道高度为836 km、轨道倾角为98.75°。EDPs为掩星观测数据反演的level-2级大气反演产品，主要提供单次掩星事件的电子密度廓线及相关的补充数据，包括该次掩星事件发生的时间、切点位置、GNSS卫星号及对应位置的电子密度数据等。每个电子密度廓线文件对应一次电离层掩星事件，可从国家卫星气象中心(http://satellite.nsmc.org.cn) 获取2022-06以来的FY-3E电离层掩星产品。由于观测噪声和电离层等离子体不均匀性等因素的影响，部分EDPs数据可能存在较大粗差。本文选择平均偏差和噪声影响因子作为筛选指标对FY-3E EDPs进行数据质量控制，剔除存在粗差和不完整的剖面产品[7, 10]。FY-3E的NmF2、hmF2可直接从EDPs中提取，FY-3E TEC可通过对EDPs提供的电子密度积分得到[2]。FY-3E TEC计算公式为：
| $ \mathrm{TEC}=\int N_e \mathrm{~d} s $ | (1) |
式中，Ne为对应空间位置上的电子密度，ds为廓线路径。
1.2 FY-3E掩星电离层参数精度评估方法利用电离层垂测仪的频高图、IGS发布的最终GIM产品及IRI2016模型预测指定高度范围的TEC值作为参考，分析FY-3E掩星反演的电离层参数的精度。
1) 将FY-3E获取的foF2和hmF2与垂测仪实测的foF2和hmF2进行对比。电离图数据由美国国家海洋和大气管理局国家环境信息中心(NCEI, ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/i-onosonde/data/)提供，通过人工标记电离图获得电离层foF2和hmF2参数。利用2022-06电离层垂测仪的foF2和hmF2参数分析FY-3E掩星反演NmF2和hmF2的精度，选择时间10 min、纬度2.5°、经度5°的匹配窗口来确定垂测仪和FY-3E之间的对比组，即若FY-3E RO F2峰高切点的经纬度位置与电离层垂测仪的纬度和经度分别在2.5°和5°以内，且观测时间差小于10 min，则将两个观测值视为一组数据对。为使FY-3E掩星获得的NmF2参数与电离层垂测仪的foF2数据直接可比，根据以下公式计算FY-3E的foF2：
| $ \mathrm{foF}2=8.98 \times 10^{-3} \sqrt{\mathrm{NmF} 2} $ | (2) |
式中，NmF2为FY-3E反演的F2层峰值密度，可以从EDPs产品中直接提取。
2) 将FY-3E获取的TEC与IGS发布的最终GIM产品进行对比。IGS发布的最终GIM产品是根据不同电离层分析中心提供的GIM产品加权获得，是国际公认的精度与可靠性较稳定的全球TEC格网产品[11]。IGS GIM时间分辨率为2 h，纬度分辨率为2.5°，经度分辨率为5°。本文利用IGS发布的2022-06~12最终GIM TEC作为参考对FY-3E反演电离层TEC精度进行分析，并研究FY-3E不同卫星导航系统信号和不同太阳活动水平反演TEC的精度。在对比时，将FY-3E EDPs产品中NmF2的经纬度及掩星事件发生的时间作为输入参数对GIM进行插值，来获得FY-3E掩星点处的GIM TEC值。
3) 将FY-3E TEC与IRI2016 TEC进行对比。国际参考电离层(IRI)是国际公认的电离层参数规范标准[12]，综合了几乎所有可用和可靠的电离层数据，可以提供给定位置、时间、太阳指数、磁指数、电离层指数和海拔范围相对精确的电离层参数，IRI2016是IRI较新的版本。FY-3E掩星探测只能探测到轨道高度以下的电离层，而IRI能够提供指定上下边界的TEC值。为进一步研究FY-3E在垂直可探测范围内的TEC精度，利用IRI2016计算的指定上下边界的TEC值对FY-3E在垂直可观测范围内的TEC精度进行分析，将FY-3E EDPs报告的NmF2经纬度、EDPs底层及顶层海拔高度作为IRI2016模型的输入参数，获取与掩星数据在相同海拔高度范围内的TEC估计值(称为IRI2016 TEC)。
1.3 主要精度评价指标平均绝对偏差(MAD)和均方根误差(RMSE)是统计分析中常用的评价指标，计算公式为：
| $ \mathrm{MAD}=\frac{\sum\left|X_i-L_i\right|}{n} $ | (3) |
| $ \text { RMSE }=\sqrt{\frac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^n\left(X_i-L_i\right)^2} $ | (4) |
式中，n为不同数据源对比时某参数对比组的总个数，Xi为第i个对比组中FY-3E反演的各电离层参数值(观测值)，Li为各电离层参数对应的参考值。
2 结果与讨论首先对FY-3E卫星基于无线电探测技术反演的电离层产品的数据情况进行统计分析，并基于电离层垂测仪、GIM和IRI2016提供的电离层数据，系统评估FY-3E无线电掩星反演的电离层参数精度。
2.1 FY-3E电离层掩星事件数量及分布掩星数据的分布主要由低轨卫星与GNSS卫星的相对位置决定。受轨道高度影响，FY-3E掩星只能观测到836 km以下的电离层部分。GPS由MEO轨道卫星组成，而BDS由MEO、IGSO和GEO三种轨道卫星组成，卫星轨道的不同使得FY-3E GPS和BDS两种掩星事件具有不同的水平分布特征。图 1为2022-06-01~15(doy152~166)期间FY-3E电离层掩星事件的分布情况，可以看出，FY-3E提供的掩星电离层数据基本覆盖全球范围，能够支撑全球各地区的电离层研究。FY-3E没有接收BDS GEO卫星信号，因此图上只显示出GPS MEO、BDS MEO及BDS IGSO三种掩星的数据分布，其中GPS和BDS MEO掩星数据在全球范围均匀分布；而BDS IGSO掩星数据的分布具有特殊性，在特定空间位置上具有一定的重复性，主要表现在：掩星事件主要分布在中高纬地区，在东西半球的低纬度地区各有一个空白区域，且西半球的空白区域较大。
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图 1 2022-06-01~15期间FY-3E卫星电离层掩星事件水平分布 Fig. 1 Horizontal distribution of the ionospheric occultation events of FY-3E satellite from June 1 to June 15, 2022 |
图 2为2022-06~12期间FY-3E每日观测到的掩星事件数量统计。在统计时段内，FY-3E共获得237 587条电离层电子密度廓线，其中FY-3E GPS电离层电子密度廓线112 986条，FY- 3E BDS电离层廓线124 601条。从电离层掩星事件数量上看，FY-3E平均每天可获得的BDS电离层廓线比GPS电离层廓线略多，且FY-3E每天可获得的BDS电离层廓线较FY-3C显著增多。这主要是由于FY-3E的掩星载荷GNOS Ⅱ，在接收BDS-2信号的基础上增加了BDS-3信号的接收。一方面，提供服务的BDS卫星增多使得FY-3E每日能够观测到的BDS掩星事件增多；另一方面，GNOS Ⅱ增加了BDS系统的掩星观测通道数量。
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图 2 2022-06~12期间FY-3E每日掩星数量统计 Fig. 2 Dailyoccultation statistics of FY-3E from June to December 2022 |
图 3为FY-3E foF2和hmF2与电离层垂测仪foF2和hmF2的线性拟合及绝对偏差统计分布。由图 3(a)和3(c)可以看出，FY-3E foF2与电离层垂测仪foF2数据之间具有良好的线性相关性，相关系数为0.86，数据对密集分布在拟合线两侧；相比之下，FY-3E hmF2与垂测仪hmF2之间线性相关性较低，相关系数为0.75。FY-3E foF2和hmF2与垂测仪数据对应参数之间的绝对偏差分布如图 3(b)和3(d)所示。由图 3(b)可知，FY-3E foF2的MAD和RMSE分别为0.80 MHz和0.99 MHz，偏差主要集中在±1 MHz之间，服从正态分布，对称轴大致在0左右。由图 3(d)可知，FY-3E hmF2的绝对偏差主要集中在±20 km以内，MAD和RMSE分别为14.36 km和19.26 km。
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图 3 FY-3E和电离层垂测仪的foF2和hmF2比较 Fig. 3 Comparison of foF2 and hmF2 between FY-3E and ionosonde |
图 4为FY-3E TEC与GIM TEC之间的相关性和绝对偏差统计分布。由图 4(a)可知，FY-3E TEC与GIM TEC之间具有良好的相关性，相关系数为0.90；由图 4(b)可知，FY-3E TEC与GIM TEC之间表现为正偏差，主要集中在0~10 TECu范围内；以GIM TEC为参考，FY-3E TEC的MAD和RMSE分别为4.15 TECu和5.23 TECu。
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图 4 FY-3E与IGS GIM之间TEC比较 Fig. 4 Comparison of TEC between FY-3E and IGS GIM |
为统计FY-3E不同卫星导航系统信号反演TEC的精度，图 5为FY-3E GPS TEC和BDS TEC与GIM TEC的比较结果。由图 5(a)和5(c)可知，GPS TEC和BDS TEC与GIM TEC都表现出良好的相关性，相关系数分别为0.91和0.90。由图 5(b)和5(d)可知，GPS TEC和BDS TEC与GIM TEC偏差分布情况与整体的FY-3E TEC及GIM TEC偏差分布相似，其中GPS TEC的MAD和RMS分别为4.11 TECu和5.18 TECu，BDS TEC的MAD和RMS分别为4.19 TECu和5.27 TECu。结果表明，FY-3E不同GNSS系统掩星电离层TEC精度一致。
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图 5 GPS TEC和BDS TEC与GIM TEC比较 Fig. 5 Comparison of GPS TEC, BDS TEC with GIM TEC |
研究表明，太阳和地磁活动对电离层的影响较大。为统计不同太阳活动水平下FY-3E TEC的精度，选取2022.152~2022.365时段内FY-3E TEC数据进行精度分析。该时段内地磁指数(Kp)和太阳辐射通量(10.7 cm/2 800 MHz, F10.7)的变化分布如图 6所示。按照F10.7大小，本文将太阳活动分为低太阳活动期(80~100 sfu)、中太阳活动期(100~150 sfu)和高太阳活动期(150~250 sfu)[13]。此外，为消除地磁风暴期间电离层扰动对FY-3E TEC精度评估的影响，剔除Kp≥4时间段的掩星数据。
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图 6 Kp和F10.7指数变化分布 Fig. 6 Distribution of Kp and F10.7 index |
2022.152~2022.365期间地磁平静期内不同太阳活动水平FY-3E TEC精度如图 7所示。由图可知，FY-3E TEC与GIM TEC在低、中和高太阳活动期的相关系数分别为0.92、0.90和0.90。在低太阳活动水平下，FY-3E TEC的MAD和RMSE分别为3.14 TECu和3.55 TECu；中太阳活动期FY-3E TEC的MAD和RMSE分别为4.12 TECu和5.17 TECu；在高太阳活动水平下，FY-3E TEC的MAD和RMSE最大，分别为4.42 TECu和5.56 TECu。FY-3E TEC精度与太阳活动水平呈负相关关系，太阳活动水平越高，FY-3E TEC精度越差。
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图 7 不同太阳活动水平下FY-3E TEC与GIM TEC比较 Fig. 7 Comparison between FY-3E TEC and GIM TEC during different solar activity levels |
图 8为FY-3E TEC与IRI2016 TEC之间的相关性和绝对偏差统计分布。由图 8(a)可知，FY-3E TEC与IRI2016 TEC之间具有良好的线性相关性，相关系数为0.88，其数据点均匀分布在拟合线两侧。由图 8(b)可知，FY-3E TEC与IRI2016 TEC的绝对误差主要集中在±5 TECu以内，整体近似服从正态分布。与IRI2016 TEC相比，FY-3E TEC的MAD和RMSE分别为2.78 TECu和3.70 TECu。
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图 8 FY-3E与IRI2016之间TEC比较 Fig. 8 Comparison of TEC between FY-3E and IRI2016 |
与基于GIM TEC的FY-3E TEC结果相比，FY-3E TEC与IRI2016 TEC之间的系统偏差更小。由于FY-3E掩星只能观测到836 km以下的电离层部分，本文所指的FY-3E TEC实际上是FY-3E可观测电离层范围内的总电子含量。FY-3E轨道以上部分电离层数据的缺失使得FY-3E TEC与GIM TEC之间的偏差较大，而本文使用的IRI2016 TEC是利用IRI2016模型输出的与FY-3E TEC在相同范围的电离层TEC，因此FY-3E TEC与IRI2016 TEC系统偏差相对更小。
3 结语本文利用FY-3E掩星电离层数据，分析其电离层掩星的数量和分布特征，并基于电离层垂测仪、GIM和IRI2016对FY-3E无线电掩星反演的电离层foF2、hmF2和TEC参数精度进行系统评估，得到以下结论：
1) FY-3E每天可获得1 100多条电离层电子密度廓线，其中BDS掩星较GPS掩星略多；FY-3E GPS和BDS MEO掩星数据在全球均匀分布，而BDS IGSO掩星数据主要分布在中高纬地区。
2) FY-3E反演的foF2和hmF2与垂测仪foF2和hmF2之间具有良好的精度一致性，相关系数分别为0.86和0.75；其中，foF2的MAD和RMSE分别为0.80 MHz和0.99 MHz，hmF2的MAD和RMSE分别为14.36 km和19.26 km。
3) FY-3E TEC与GIM TEC具有良好的相关性，相关系数为0.91，FY-3E TEC与GIM TEC的MAD和RMSE分别为4.15 TECu和5.23 TECu。GPS TEC和BDS TEC精度相当，相应的MAD分别为4.11 TECu和4.19 TECu，RMSE分别为5.18 TECu和5.27 TECu。此外，FY-3E反演的TEC精度受太阳活动影响，太阳活动水平越高，FY-3E TEC精度越低。
4) FY-3E TEC与同高度范围的IRI2016 TEC之间具有良好的相关性，相关系数为0.88，MAD和RMSE分别为2.78 TECu和3.70 TECu，表明FY-3E在可观测范围内的TEC精度较好。
综上可知，FY-3E能够提供全球覆盖的掩星电离层观测数据，且FY-3E反演的电离层foF2、hmF2和TEC与基于垂测仪、GIM和IRI2016模型的电离层参数具有较高的一致性，表明FY-3E掩星反演的电离层参数具有高精度和高可靠性，可为FY-3E电离层参数应用于空间天气监测、TEC融合建模、电离层层析等研究奠定基础。
| [1] |
乐新安, 郭英华, 曾桢, 等. 近地空间环境的GNSS无线电掩星探测技术[J]. 地球物理学报, 2016, 59(4): 1 161-1 188 (Yue Xin'an, Guo Yinghua, Zeng Zhen, et al. GNSS Radio Occultation Technique for near-Earth Space Environment Detection[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2016, 59(4): 1 161-1 188)
(  0) |
| [2] |
Schreiner W S, Sokolovskiy S V, Rocken C, et al. Analysis and Validation of GPS/MET Radio Occultation Data in the Ionosphere[J]. Radio Science, 1999, 34(4): 949-966 DOI:10.1029/1999RS900034
( 0) |
| [3] |
Hajj G A, Ao C O, Iijima B A, et al. CHAMP and SAC-C Atmospheric Occultation Results and Intercomparisons[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2004, 109(D6)
( 0) |
| [4] |
Anthes R A, Bernhardt P A, Chen Y, et al. The COSMIC/FORMOSAT-3 Mission: Early Results[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2008, 89(3)
( 0) |
| [5] |
Schreiner W S, Weiss J P, Anthes R A, et al. COSMIC-2 Radio Occultation Constellation: First Results[J]. Geophysical Research Letters, 2020, 47(4)
( 0) |
| [6] |
Mao T, Sun L F, Yang G L, et al. First Ionospheric Radio-Occultation Measurements from GNSS Occultation Sounder on the Chinese Feng-Yun 3C Satellite[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2016, 54(9): 5 044-5 053 DOI:10.1109/TGRS.2016.2546978
( 0) |
| [7] |
Yang K F, Chu Y H, Su C L, et al. An Examination of FORMOSAT-3/COSMIC Ionospheric Electron Density Profile: Data Quality Criteria and Comparisons with the IRI Model[J]. Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences, 2009, 20(1)
( 0) |
| [8] |
Xu J J, Wang Q, Ke F Y, et al. Analysis of Ionospheric Parameters Retrieved from Feng-Yun 3C and COSMIC Radio Occultation[J]. Advances in Space Research, 2021, 68(1): 214-224 DOI:10.1016/j.asr.2021.03.005
( 0) |
| [9] |
Sun Y Q, Wang X Y, Du Q F, et al. The Status and Progress of Fengyun-3E GNOS Ⅱ Mission for GNSS Remote Sensing[C]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Yokohama, 2019
( 0) |
| [10] |
Guo P, Xu X, Zhang G X. Analysis of the Ionospheric Equivalent Slab Thickness Based on Ground-Based GPS/TEC and GPS/COSMIC RO Measurements[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2011, 73(7-8): 839-846 DOI:10.1016/j.jastp.2011.02.002
( 0) |
| [11] |
Hernández-Pajares M, Juan J M, Sanz J, et al. The IGS VTEC Maps: A Reliable Source of Ionospheric Information since 1998[J]. Journal of Geodesy, 2009, 83(3): 263-275
( 0) |
| [12] |
Bilitza D. IRI the International Standard for the Ionosphere[J]. Advances in Radio Science, 2018, 16
( 0) |
| [13] |
Wang H B, Xiong J N, Zhao C Y. The Mid-Term Forecast Method of Solar Radiation Index[J]. Chinese Astronomy and Astrophysics, 2015, 39(2): 198-211
( 0) |
2. State Key Laboratory of Geo-Information Engineering, 1 Mid-Yanta Road, Xi'an 710054, China;
3. State Key Laboratory of Geodesy and Earth's Dynamics, Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, CAS, 340 Xudong Street, Wuhan 430077, China;
4. Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, CAS, 340 Xudong Street, Wuhan 430077, China