2010, Vol. 53
2. 武汉大学极地测绘科学国家测绘局重点实验室, 武汉 430079;
3. 武汉市勘测设计研究院, 武汉 430022
2. Key Laboratory of Polar Surveying and Mapping, SBSM, Wuhan University, Wuhan 430079, China;
3. Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Institute, Wuhan 430022, China
早期的电离层研究主要借助于卫星信标以及电离层垂测仪，而现在GPS以更高的时空分辨率和更经济的方式提供了高精度的TEC（Total Electron Content）结果，有诸多学者通过GPS手段分析了电离层对日食的响应[1].在磁平静期间，1995年10月24日发生在南亚地区的日食其食甚时刻TEC下降了7TECU[2]，1997年3月8日的日食食甚时刻西伯利亚上空TEC下降了（1~3）TECU[3]，1999年8月11日发生在欧洲中部的日食期间TEC下降达到（2~8）TECU[4, 5]，2005年10月3日的日食期间地中海地区的TEC降幅为（3~4）TECU[6].同时，Altadill[7]、Chandra[8]、Zerefos[9]、Jakowski[10]研究了日食期间其他各种电离层参数的日食效应.国内学者基于传统电离层观测手段也进行了大量日食期间电离层的研究，何友文[11]、李利斌[12]讨论了1987年9月23日的日环食期间各层的光食效应，刘立波[13]、Le[14]分别利用中低纬电离层理论模式探讨了1995年10月24日和1999年8月11日的日食电离层效应.
发生在2009年7月22日亚太地区的日全食，覆盖了人口稠密的整个长江流域，并从北半球中纬地区一直延伸到南半球中纬地区.值得注意的是，这次日食期间，有中等强度的磁暴发生在日食时间后的1~2h，并持续了10h以上，使得电离层变化更为复杂.所采用的GPS数据来源于日全食带内的重庆CORS（Continuous Operational Reference System）网（4个站）、武汉CORS网（8个站）数据、IGS站WUHN、SHAO的数据，以及日偏食区域内不同纬度处的若干IGS站.通过比较日食前后连续三天的各个地方TEC变化，以及利用高采样率的CORS网数据研究日食期间TEC的瞬时变化，尝试分析并讨论此次日食期间电离层的扰动.同时，顾及磁暴的影响，求解了日食期间伪距单点定位的实时精度和CORS网内中短基线的实时精度，尝试分析日食对定位精度的影响.
2 电离层延迟的求解方法及结果分析 2.1 电离层模型的建立首先要获取站星间的STEC（SlantTEC）值，利用双频伪距观测值组成几何无关组合，再利用修复周跳后的双频载波相位观测值平滑伪距，进而得到高精度的STEC值.利用投影函数mf（z'）=cosz'，获得站星间穿刺点处的VTEC（VerticalTEC）值，其中单层高度选择在350km.此时穿刺点处的VTEC值包含卫星和接收机的硬件延迟，作为求解TEC的最大误差源，硬件延迟必须要在解算时剔除[15].考虑到IGS电离层工作组提供的卫星硬件延迟和IGS站硬件延迟精度较高，对于采用的IGS站和卫星的硬件延迟，本文直接读取各分析中心结果加权处理得到的最终结果，对于CORS网内的各接收机的硬件延迟，本文采用区域模型与硬件延迟联合解算的方法[16, 17].区域模型选取多项式模型，该模型是将VTEC看作是纬度差和太阳时角差的多项式函数[18].对于CORS网的观测数据，因为测站密集，按单历元建立模型，阶数取2×3；对于IGS站的单站数据，阶数也取2×3，但是按15 min建立模型，因为时间太久无法观察细节变化，时间太短模型方程容易秩亏.
2.2 地磁情况介绍考虑到电离层、磁层和日地空间环境的耦合性，根据中国科学院国家天文台提供的资料，在2009年7月17~27日的11天时间里，只有日食当天发生了磁暴，其余时间磁平静，只有日食之后的23日出现了日冕物质抛射，其余时间亦无X射线耀斑和质子事件.根据东京地磁台发布的地磁指数，绘制了7月22日前后5天的时间里的地磁Dst指数和Kp指数.
从图 1中可以看出，22日发生了中等强度的磁暴，Dst指数达到-80nT，Kp指数达到5以上.这次磁暴开始于22日，23日之后恢复平静，而主相期在22日02:30~12:00UT.同时，这次发生在亚太地区的日全食始于00:53UT，终于04:18UT，磁暴的极大时间略滞后于食甚，并在日食结束后的数小时内逐渐消退.不同于以往多数发生在磁平静期间的日食，以及部分发生在大磁暴之后的日食，磁暴和日食的同步性是这次日食的特点.张景秀[19]曾指出，低纬度地磁场存在日食效应，而且日食发生的时间（地方时）对地磁场的日食效应影响很大.此次日全食发生在地磁纬度较低的地区，地方时08:00~09:00左右，可能是产生磁暴的原因之一.
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图 1 2009年7月20~25日的地磁Dst指数和Kp指数 Fig. 1 Dst and Kp indices during Jul.20~25, 2009 |
表 1依照日食发生的时间给出了GPS观测点的地磁坐标及日食相关信息[20].其中WUHN、SHAO两地发生了日全食，CHAN、BJFS、DAEJ、USUD、TWTF、KUNM等处发生了日偏食.严格地说，日偏食地区不存在食甚时刻，这里用食甚表示日偏食地区最大食时刻.
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表 1 各测站的位置和日食基本情况 Table 1 Locations and general information about solar eclipse of several GPS stations |
图 2中，上图是利用各台站计算的日食日的TEC变化，下图是日食日的TEC和参考日的TEC的差值，观测值的采样率是30s，其中WUHN站引入了武汉CORS网的观测数据.参考日的TEC值是按日食日前后两天的TEC值取平均.图 2中的a、b、c分别标注了各站初亏、食甚、复圆的时刻，d标注了磁暴结束的时刻.
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图 2 各GPS站日食日TEC变化及其与参考日TEC值的差值 Fig. 2 TEC variations during eclipse day and the difference of TEC between eclipse day and reference day in several stations |
从图 2中可以看出，日食发生当天，都可以观察到日食引起的TEC变化，与参考日相比，在日食期间，各站TEC先是逐渐下降了（1~4）TECU再逐渐恢复.日食期间TEC极小值出现的时间与食分和纬度有关，在食分大于1的武汉CORS和SHAO以及赤道异常区的TWTF和KUNM，TEC极小值的时间和食甚基本一致，而食分小于1的其他各站，约是食甚30min后出现TEC极小值.日食期间TEC极小值的大小与食分有关，食分越大，极小值越小.日食期间TEC的恢复速度与食分也相关，食分越大，恢复速度越快.对于赤道异常区的TWTF、KUNM，甚至在复圆时刻TEC就已恢复到正常值.磁暴造成的TEC波动更为明显，尽管在地方时午时之后TEC达到最大值与参考日相比会有（2~3）TECU波动，但磁暴造成的午时前后的波动均达到了5TECU，最高的TWTF和KUNM波动达15 TECU.不仅TEC的大小和地磁纬度相关，在日食和磁暴期间，当天TEC相对参考日的TEC的变化也是和地磁纬度相关.
这次日食和以往日食的不同之处在于磁暴和日食时间相重合.在磁平静的情况下，如欧洲1999年8月11日发生的日全食[4, 5, 8]和2005年10月3日发生的日全食[6, 9]，都没有引起明显的地磁波动，而当天的电离层变化和前后两天相比较，也只是在日食前后1h内下降了（3~4）TECU，并且极小值在食甚后20min左右，即使是在当地午时，连续两天相应时刻的电离层变化也在3TECU以内.但这次磁暴造成的电离层扰动，在各站地方时午时前后共4 h的时间内，电离层TEC相比前后两天的相应时刻增加了（5~15）TECU.这次磁暴期间TEC的响应整体表现为正相暴，偏离值达50%以上.Prolss[21]对大量电离层暴进行统计平均后所得到的电离层暴扰动形态，高纬主要以负相暴为主，低纬地区以正相暴为主，而中纬夏季以负相暴为主，冬季则以正相暴为主.然而，单个电离层暴的行为与统计平均形态有很大的差异，本次磁暴在中低纬都表现出了正相暴.实际上，很难将磁暴对TEC的影响从日食期间分离出来.
关于地磁场的日食效应，Chapman从理论上讨论了日食对地磁场可能的影响，Kato、Bomke等也确认了低纬度地磁场日食效应的影响[19].Ozcan[22]在1999年8月11日的日食中发现，尽管日食对磁场的南北分量没有影响，但东西分量有一定下降. Abidin[1]观测到2003年11月23日发生在南极地区的日全食是在日食日的前天发生了强磁暴，但日食期间电离层受到的影响包括磁暴结束后出现的电离层行扰.不过，大多数日食都是发生在磁平静期间，Cohen[23]指出，只有少数日食是在强磁暴期间.
2.4 利用CORS网数据探究TEC瞬时变化选取武汉CORS网（8个站）和重庆CORS网（4个站）提供的数据，UT时7月21日22:00到7月22日06:00.其中重庆CORS网的数据的采样率是15s，武汉CORS网的数据的采样率是1s，但在02:00~02:42UT，武汉CORS网的1s的数据有缺失，经检查，不是日食造成的影响，是数据记录器出现了故障.在计算方法上，改正硬件延迟后，采用单历元建模解算.图 3给出了日食期间重庆和武汉的TEC变化曲线，上图是TEC值，下图是连续2个历元的TEC差值，其中a、b、c分别标注了各站初亏、食甚、复圆的时刻.
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图 3 日食期间重庆和武汉的TEC及其差值变化曲线 Fig. 3 TEC and their difference variations during solar eclipse period in Chongqing and Wuhan |
如图 3所示，两地在食甚时刻TEC达到极小值，随后TEC有一个跳跃，大小在（1~2）TECU，而在初亏和复圆时刻，TEC相比其他时刻波动较大.而两地在04:30 UT，也就是12:30LT的时候，TEC均出现了更为明显的波动，有两个原因，一是午时之后TEC逐渐达到极大值，二是由于磁暴对电离层的影响.
2.5 卫星穿刺点轨迹上的TEC变化因为GPS卫星运行周期约为11h58 min，对于同一个观测站，相邻两天卫星分布图大致相同，只是后一天较前一天提前约4 min，所以，在进行VTEC的计算中，可以忽略星下点在日食日及前后两天内运动轨迹的变化.这也是能把日食期间的VTEC与参考日的VTEC进行相互比较的依据，以及比较两天内卫星的穿刺点处的VTEC值的依据. 图 4给出了日食发生期间WUHN、SHAO、BJFS三处观测到的18号卫星的穿刺点轨迹路线上的TEC变化.
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图 4 WUHN、SHAO、BJFS三处观测到的18号卫星的穿刺点轨迹路线上的TEC变化 Fig. 4 TEC variations along individual satellite passes for PRN 18 observed in several stations |
可见与前一日相比，卫星的TEC低值也是出现在当地日食发生时刻，但这个低值会持续30~60min，然后再迅速升高.但是，不是所有的卫星都观测到明显的TEC变化，只有在日全食带附近的卫星可以观察到.
3 定位的求解方法及结果分析日食期间电离层的起伏可能干扰或减弱GPS信号，增大站星间的测距误差，甚至失锁，造成接收机计算的位置不准确.基于以上的观测数据，下面分析日食期间单点定位和中长基线的精度变化，利用单频伪距观测值实时计算得到单点定位的结果，利用GAMIT动态定位模块TRACK得到单历元的基线结果.
3.1 伪距单点定位的实时精度对于GPS实时单点定位，GPS卫星发射的广播星历中提供了Klobuchar模型，用于改正单频接收机的电离层延迟.该模型将夜间的电离层延迟作为常数，取为5ns，把白天的延迟作为正余弦函数.该模型的优点是单频用户无需其他系统的支持就可以获得近似的电离层延迟，但是因为是反映长时期内的全球平均状况的经验模型，改正效果即使在磁平静期间的中纬度地区也只能达到60%~80%，很显然日食期间的电离层变化与该经验模型差别更大.为了分析日食期间伪距单点定位的实时精度，利用IGS站的数据，采用C/A码观测值，根据广播星历中的导航电文计算卫星位置，电离层延迟采用Klobuchar模型，对流层延迟采用Saastamoinen模型，并顾及地球自转的影响和相对论效应.IGS站已知位置可以作为真值，计算所得单历元的定位结果与真值的差值，可以用来判断定位的精度.限于篇幅，这里只给出WUHN、SHAO、BJFS的结果，如图 5所示，a、b、c分别标注了各站初亏、食甚、复圆的时刻.
从图 5可以看出，在三个地方的日食食甚期间都出现了定位结果的波动，但由于实时伪距单频单点定位的精度本身只有数十米，所以在北方向和东方向上的精度变化只在米级，但在高程上的起伏达到近十米.另外要说明的是，这里采用的是双频接收机获得的单频数据，而实际的单频接收机可能因数据质量较差而使得定位精度进一步下降.
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图 5 各IGS站在203天的N、E、U方向的伪距单点定位结果与真值之差 Fig. 5 The difference between true value and calculated value of point position in N, E, U during Jul.22 in several stations |
所谓CORS，连续运行参考站系统，即若干连续运行的GPS参考站，利用现代计算机技术、数据通讯和互联网技术组成的网络，实时地向用户提供不同类型的GPS观测值，以及其他有关GPS服务项目的系统.在日食期间由于电离层的波动所带来的数据质量的下降会对CORS网处理结果带来影响.
本文利用高精度GPS数据处理软件GAMIT中的基线动态处理模块TRACK来分析日食期间基线的精度变化.TRACK采用双频载波相位观测值，用MW-WL（Melbourne-Wubbena Wide Lane）解算再分别探测L1和L2的周跳，单历元实时求得基线在北、东、高各方向上的结果及中误差.利用中误差可以判断观测数据的质量和解算效果，同时由于CORS网内各基站所形成的基线可以认为是真值，利用单历元基线解与真值的差值，可以判断基线的精度.同时给出基线两端的TEC差值，比较分析其对基线结果的影响.限于篇幅，这里只给出部分基线结果.
3.2.1 重庆CORS网基线结果重庆CORS网的平均长度是90km，图 6给出了其中3条基线在北、东、高3个方向上的精度分析，及基线两端TEC的差值.在实际的计算结果中，中误差几乎都在30mm以下，为了保证观测数据的质量和解算效果，将少量的中误差大于30mm的历元基线结果剔除.图 6中的a、b、c分别标注了初亏、食甚、复圆的时刻.
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图 6 重庆CORS网内的基线的实时定位结果与真值之差 Fig. 6 The difference between true value and calculated value of base lines of N, E, U during Jul.22 in Chongqing CORS |
如图 6所示，日食初期平面的精度变化在厘米级，高程方向上的精度变化在分米级，食甚时刻基线两端TEC差值有跳变，随后变化更加剧烈，在02:30UT有更大的跳变，所以日食后期，平面的精度变化达到分米级，高程的精度变化达到米级.同时，基线两端的TEC差值与距离相关，距离越长TEC差值越大，基线解也与距离相关，距离越长其解越差.TEC差值的这种波动造成了TRACK探测周跳或解算模糊度发生错误，从而导致基线解的精度下降.
3.2.2 武汉CORS网基线结果武汉CORS网的平均长度约是60km，图 7给出了其中4条基线在北、东、高3个方向上的精度分析，及基线两端TEC的差值.与重庆CORS网的处理方法类似，将少量的中误差大于30mm的历元基线结果剔除.图 7中的a、b、c分别标注了初亏、食甚、复圆的时刻.
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图 7 武汉CORS网内的基线的实时定位结果与真值之差 Fig. 7 The difference between true value and calculated value of base lines of N, E, U during Jul.22 in Wuhan CORS |
可以看出，和重庆CORS的相同之处是，日食初期平面的精度变化在厘米级，高程方向上的精度变化在分米级.不同之处是，精度的变化不是渐变，而是在日食食甚1h后有明显的跳变，02:24UT左右，平面精度下降到分米级，高程精度下降到米级.根据基线两端TEC差值的跳变情况，这种定位精度的跳变也是由于基线两端电离层的迅速变化导致TRACK的周跳探测或是模糊度解算出现了错误.
综合重庆CORS和武汉CORS的基线结果，以及日食和磁暴起止的时间，可以判断基线两端TEC差值的迅速变化，是由日食和磁暴共同作用所引起的.但是，这次磁暴发生于食甚后复圆前，和日食的相关性很强，在日食后期就已经使得基线结果的精度严重下降.
4 结论日食期间电离层的扰动及其对定位、通讯的影响一直是人们关注的问题.此次发生在亚太地区的日全食不仅时间长、范围广，而且日全食带有1/3的时间穿过人口稠密的大陆，利用相应位置的GPS站点，可以很好地观测日食期间TEC的响应.而且在空间天气的背景上，几乎和日食同步的磁暴发生，使得电离层的变化更加复杂.本文利用日全食带内的CORS网和IGS站的数据，以及日偏食区域内不同纬度处的其他若干IGS站，分析了大范围内的TEC日变化及小区域内日食发生前后8h内TEC的瞬时变化.并讨论了其对定位的影响.
（1）各CORS网和IGS站都可以观察到日食引起的TEC变化，在日食期间，各站TEC先是逐渐下降了（1~4）TECU，再逐渐恢复.
（2）日全食带上的站点和赤道异常区的站点，与日偏食和中纬地区的其他各站相比，TEC极小值出现时间较早，恢复速度较快，而且，日全食带上空TEC极小值相对最小.
（3）磁暴期间TEC的响应整体表现为正相暴，偏离值达50%以上，且在日食后期就已产生影响.磁暴造成的TEC波动更为明显，午时前后的波动与参考日相比均达到了5 TECU，最高的TWTF和KUNM站波动达15TECU.
（4）日食对单点定位的影响不显著，其变化在单点定位的精度范围内.
（5）基线结果对日食的响应比较显著，日食初期平面精度在厘米级，高程的精度在分米级.但是在日食食甚之后1h左右有明显的跳变，平面精度下降到分米级，高程精度下降到米级.根据基线两端TEC差值的跳变情况，这种定位精度的跳变是由于基线两端电离层的迅速变化导致TRACK的周跳探测或是模糊度解算出现了错误.而这种TEC差值的迅速变化，是由日食和磁暴共同作用所引起的.很难将日食和磁暴对电离层的影响分离开来，这次磁暴和日食有极强的相关性，在日食期间就已经造成了定位精度的变化.
致谢感谢武汉市勘测设计研究院和重庆市地理信息中心提供的CORS网数据.
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