当无线电信号穿过电离层传播时，由于受到电离层中电子密度不规则结构的影响，其振幅和相位经常出现快速随机起伏，这种现象称作电离层闪烁.电离层闪烁不仅能反映电离层不规则结构的特征，而且会影响GPS星-地链路的性能，因此成为科学研究和工程设计人员共同关心的问题.自20世纪90年代以来，利用GPS卫星信标监测，国内外对L-波段电离层闪烁及其影响已经进行了广泛的研究，Kintner等(2007)和Fritts等(2009)综述了GPS在电离层闪烁监测中的应用的主要成果和有待研究的问题.

一般认为，低纬赤道区电离层不规则结构起因于夜间磁赤道上空瑞利-泰勒(R-T)等离子体不稳定性的发展，这使得低纬赤道带成为全球电离层闪烁的高发区域之一(Aarons，1982).我国南方大部分处于低纬赤道带，监测研究该区域的电离层闪烁特性具有十分重要的意义.此前，国内外许多研究者基于GPS卫星信标测量开展L-波段振幅和相位闪烁的监测，研究了低纬赤道区GPS振幅闪烁的形态学特征，在闪烁活动随地方时和季节的变化及太阳活动和地磁扰动对闪烁活动的影响等方面，取得了一系列有意义的结果(Adewale et al., 2012；Akala and Doherty, 2012；Deng et al., 2013；Huang et al., 2014；Amabayo et al., 2014；Akala et al., 2014；Liu et al., 2015；Seba and Gogie, 2015；Olwendo et al., 2016).

由载波相位测量原理可知，任意时刻载波相位的实际测量值由两部分组成，即整周计数部分和小数部分.载波相位的小数部分能较精确地测量，而相位整周数变化值是通过多普勒积分累计得到的.实际上，由于某些不可避免的因素，导致接收机在短时间内失锁，引起计数中断，当接收机的锁相环重新锁定后，多普勒计数重新开始，结果载波整周数变化不连续，导致相位跳变，这种现象称作周跳(cycle slip).GPS信号短暂失锁及其伴随出现的周跳是空间天气对全球导航卫星系统的重要影响之一.近年来，已有些作者研究了这种现象出现的规律及其出现的条件(Zhang et al., 2007, 2010a, 2010b；Yue et al., 2016；Xiong et al., 2016).较早，Zhang等(2010a, 2010b)利用位于我国低纬地区GPS观测站的周跳数据，分析了周跳出现率随时间的变化和随太阳活动的变化，发现周跳出现率明显随地方时和季节变化，与太阳活动变化显著相关.最近，Yue等(2016)利用COSMIC-GPS掩星数据，分析了周跳出现率及其与Es和赤道F层不规则结构(Equatorial F layer Irregularities，简称EFI)以及赤道电离异常EIA的关系.Xiong等(2016)基于Swarm卫星观测数据，研究了GPS信号失锁的条件.结果表明，大部分完全失锁出现在电离异常峰区，与绝对密度耗尽超过10×10¹¹m^－3的赤道等离子体不规则结构有关.

尽管如此，电离层闪烁及其对GPS信标星-地链路的影响，依然有需要进一步深化认识的问题.前些年，武汉大学电离层闪烁研究组在我国中南部建立了一个电离层闪烁观测台网.本文利用这个观测台网2012年至2015年期间的观测数据，比较分析了电离层闪烁与周跳的时空变化规律，并研究了闪烁活动性和闪烁强度与周跳的关联，此外，还初步考察了太阳活动和地磁扰动对闪烁与周跳的影响.

本文所用数据来自武汉大学电离层闪烁研究组在我国中南部建立的GPS电离层闪烁地面观测台网的观测.该观测台网由6个观测站组成，观测站的名称、代码和地理与地磁坐标如表 1所示.这6个观测站所使用的观测设备是武汉大学电离层闪烁研究组研制的一种L波段电离层闪烁/TEC监测仪(蔡磊等，2008).这种监测仪以NovAtel公司生产的OEMV-3板卡为硬件核心，并配以外置晶振、配套的接收天线和台式计算机等硬件部分.外置晶振采用相位噪声极低的恒温晶振OCXO，它能有效地抑制相位噪声.OEMV-3可以兼容双频GPS和GLONASS双系统，对L₁和L₂频率一共提供56个接收通道.针对电离层闪烁/TEC监测，我们开发了专用的操作软件，可以实现数据的采集、整理、预处理、存储和可视化等功能.该监测仪主要输出参量包括采样率20 Hz的载波相位和载噪比CNR(Carrier-to-Noise Ratio)数据、GPS时间、卫星仰角和方位角以及振幅闪烁指数S4和相位闪烁指数σ_φ、总电子含量TEC(Total Electron Content)、TEC的变化率ROT(Rate Of TEC)及其标准差ROTI(ROT Index)等数据.统计分析主要使用2012年至2015年的观测数据，涵盖最近的太阳活动峰年.对于武汉、桂林、赣州、香港和南宁，用于分析的观测数据，有效观测天数分别为1369、1461、1106、1047和1103天，三亚从2014年开始建站观测，数据较少，有效观测天数仅有274天.在分析太阳活动对闪烁与周跳的影响时，我们利用了赣州2008年至2015年共8年的观测数据.

表 1 Table 1

表 1 观测站及其坐标 Table 1 The name, code, geographical and geomagnetic coordinates of stations 名称代码 经度(°E) 纬度(°N) 磁经(°W) 磁纬(°N) 武汉WH 114.36 30.54 173.58 20.74 赣州GZ 114.92 25.84 172.93 16.07 桂林GL 110.33 25.29 177.22 15.48 南宁NN 108.23 22.84 179.19 13.08 香港HK 114.21 22.42 173.53 12.66 三亚SY 109.58 18.28 177.85 8.49

表 1 观测站及其坐标 Table 1 The name, code, geographical and geomagnetic coordinates of stations

如表 1所示，由观测站的地理位置结合电离层的特性，观测站可以定性地分成4组，在电离层穿刺点高度(~400 km)上，三亚位于赤道电离异常谷区，即近赤道区，南宁和香港位于赤道电离异常峰区附近，桂林和赣州位于赤道电离异常峰区北侧，邻近峰区；而武汉位于赤道电离异常的北缘，即低纬向中纬的过渡区.

振幅闪烁强度用S4指数定量地表征，按照Yeh和Liu(1982)，S4指数定义为

(1)

式中I是信号强度，〈·〉表示算术平均.本文所用数据由自行研制的闪烁/TEC监测仪测量得到，该监测仪没有直接测量信号强度I，而是输出载噪比CNR.因此，实际计算S4指数时，(1)式中的I用CNR代替.我们在同时同地用两种不同类型的接收机进行了对比观测，结果表明，用CNR计算的S4指数与用I计算的S4指数，基本特征一致，可以有效地监测闪烁活动(蔡磊等，2008).

相对TEC由双频差分相位计算得到

(2)

式中Φ₁和Φ₂分别是L₁和L₂的载波相位，m₁和m₂分别是L₁和L₂的载波频率与基频之比，m₁=154，m₂=120.

Yeh和Liu(1982)曾指出，相位起伏正比于总电子含量的起伏，因此，相位闪烁可以间接地由1 Hz高时间分辨率的ROT及ROTI(1 min计算一次)表征，单位是TECu/s，1TECu=10¹⁶m^-2.

(3)

为了降低非电离层因素引起的多路径效应的影响，也为了突显观测站及邻近区域的电离层闪烁活动，本文的数据处理中，忽略了仰角低于35°的数据.参考Huang等(2014)的做法，只有S4指数不低于0.2且最短持续10 min的闪烁事件才参与统计.类似地，把仰角不低于35°且最短持续10 min的周跳定义为周跳事件.这一限制有助于排除大多数由非电离层因素导致的短暂的信号衰落，但不影响闪烁和周跳的基本统计特征，仅可能导致统计得到的闪烁和周跳出现频次整体上偏低.在以上较为严格的条件下，依然有足够多的闪烁和周跳事件，具有统计的意义.

周跳检测使用监测仪输出的1 Hz载波相位数据.有多种方法可用于检测周跳(Blewitt，1990；Gao and Li, 1999；Banville et al., 2010；Liu，2011；Ji et al., 2013)，本文参考Liu(2011)所介绍的方法，利用TEC数据时间序列的变化特征检测周跳，定义某时刻k的ΔTEC(k)为

(4)

对于k时刻，若|ΔTEC(k)|≤0.02TECu，则判定该时刻没有发生周跳；若|ΔTEC(k)|>0.02TECu，则取k时刻前1 min的时间序列ΔTEC(k－60)，ΔTEC(k－59)，…，ΔTEC(k－1)，求它们的均值和标准差.如果ΔTEC(k)对均值的偏离超过4倍标准差，则判定该时刻发生周跳并对其进行修正，否则判定为没有发生周跳.当判定在k时刻发生周跳，则将ΔTEC(k)修正为k时刻前1 min的ΔTEC的均值，由修正后的ΔTEC(k)及TEC(k－1)就能得到该时刻校正后的TEC(k).由于周跳的检测和修正是从前向后进行的，在k时刻进行周跳检测时，k时刻之前可能存在的周跳已经修正过，因此，利用前1 min的数据进行周跳检测，检测结果不会受到其中可能存在的周跳的影响.

图 1是2014年3月12日在三亚(SY)、南宁(NN)、桂林(GL)、香港(HK)和赣州(GZ)观测到的一次典型的闪烁事件.图 1a1—a5和b1—b5分别是载噪比和S4指数的时间变化.图 1c1—c5是根据1 Hz时间分辨率的相位测量数据计算得到的相对TEC.如图所示，与振幅闪烁相伴随，GPS信号发生失锁和周跳，这种现象在强闪烁事件中经常发生.图 1d1—d5是经过周跳检测和校正处理并经对齐后得到的绝对TEC，图 1e1—e5显示的ROT和图 1f1—f5显示的ROTI是基于校正后的TEC计算得到.可以看到，经过周跳检测和校正后，绝对TEC不再有跳变，而其扰动依然清晰可见.从图 1还能看到，伴随振幅闪烁，出现以TEC降低为标志的等离子体泡及ROT的快速起伏和ROTI增大，这种现象也经常出现.

图 1

Fig. 1

图 1 2014年3月12日三亚、南宁、香港、桂林和赣州PRN08卫星观测到的闪烁事件 Fig. 1 A typical scintillation event observed from satellite PRN08 on March 12, 2014 at SY, NN, HK, GL and GZ, respectively

如表 1所列，三亚、南宁和桂林的经度近似相同，纬度依次增高，香港和赣州的经度近似相同，赣州纬度高于香港.由图 1a和图 1e可以看到，三亚闪烁在约23:35LT开始出现，南宁闪烁开始时间约23:50LT，比三亚滞后约15 min，桂林闪烁在约00:20LT开始出现，比南宁滞后约30 min；香港闪烁在约22:25LT开始出现，赣州闪烁开始时间约23:00LT，赣州闪烁开始比香港迟约35 min.这种闪烁开始的时序关系暗示引起图 1所示GPS信号闪烁的电离层不规则结构起源于磁赤道区，不同纬度观测站上空观测到的闪烁，其开始时间的滞后可能与磁赤道区不规则结构垂直向上漂移和沿磁力线向低纬扩散的过程有关(Kintner et al., 2007).

我们以半小时时长把一天分成48个时间间隔，计算每半小时时间间隔内日平均闪烁和周跳的出现分钟数.图 2给出六个观测站日平均闪烁(a)和周跳(b)出现分钟数随地方时的变化.图 2是对2012年至2015年全部有效观测数据统计得到的，每30 min时间间隔内的日平均闪烁(周跳)分钟数由该时间间隔内的闪烁(周跳)累积分钟数除以有效观测天数得到.

图 2

Fig. 2

图 2 闪烁(a)和周跳(b)出现频次的日变化 Fig. 2 Diurnal variation of occurrence of (a) scintillations and (b) cycle slips

如图 2a所示，在所有六个观测站，闪烁活动基本上都在日落后20:00LT前后开始出现，延续到03:00LT前后，前沿较陡，后沿较缓，午夜前数小时闪烁活动最为频繁，白天很少观测到闪烁事件发生.一般认为，日落后，F2层底部经常存在向上的较陡的电离密度梯度，由于电场、中性风和磁场之间复杂的相互作用，赤道电离层F层经常变得不稳定，导致F2层底部瑞利-泰勒(R-T)等离子体不稳定性的发展，生成等离子体泡等类型的不规则结构，它可以向上漂移直达电离层顶部，并沿磁力线向赤道两侧扩散(Kelley，1989).低纬区电离层闪烁主要源于在磁赤道F2层底部生成的不规则结构，由于赤道F2层不规则结构主要在日落后生成，所以低纬赤道区闪烁主要在日落后出现.此前，很多学者研究了我国低纬区闪烁的地方时依赖(Deng et al., 2013；Huang et al., 2014)，发现低纬区闪烁主要在夜间出现，图 2a给出的统计结果进一步证实了这一点.从图 2a还可以看到，平均而言，越靠近磁赤道的台站闪烁活动越频繁.最靠近磁赤道的三亚(磁纬8.49°N)，闪烁活动最频繁，香港(磁纬12.66°N)和南宁(磁纬13.08°N)的磁纬接近，闪烁活动水平也较为接近，但仅约三亚的一半；桂林(磁纬15.48°N)和赣州(磁纬16.07°N)闪烁活动水平进一步降低，仅约三亚的四分之一；武汉(磁纬20.74°N)闪烁活动水平最低，不及三亚的十分之一.这也说明低纬区电离层闪烁主要源于磁赤道.

比较图 2a和图 2b可以看到，周跳出现与闪烁事件出现随地方时的变化特征整体上非常类似.周跳也主要出现在日落后至午夜后；在21:00—23:00LT前后周跳出现最频繁；与午夜前相比，午夜后周跳要少得多.周跳出现也存在随纬度的变化，纬度越高的观测点，周跳出现次数越少，纬度较低的观测点，周跳出现次数较多.例如，与赣州和桂林地区相比，周跳在香港和南宁地区出现更频繁.闪烁与周跳两者随地方时变化特征的类似性意味着闪烁与周跳之间存在某种因果关系.不过，比较图 2a和图 2b可以注意到，闪烁与周跳两者随地方时的变化特征之间也存在一些小的差别.在所有台站中，三亚闪烁活动最频繁，而三亚周跳出现反而稍低于南宁和香港.此外，闪烁事件出现次数极大的地方时与周跳出现次数极大的地方时也存在一定的差别.如在南宁，闪烁活动出现次数的极大在22:00—23:00LT之间，而周跳出现次数的极大在21:00LT左右.这些差别意味着闪烁并不是导致周跳出现的唯一因素，电离层不规则结构的出现并不都引起周跳.考虑到GPS星-地链路性能不仅受电离层扰动的影响，还受观测点局地环境等因素的影响，闪烁与周跳之间存在差异是可以理解的.此外，由于周跳与闪烁强度有关，较弱的闪烁不足以引起周跳(Zhang et al., 2010a)，Xiong等(2016)曾指出，在低纬区，SWARM卫星GPS信号完全失锁都与绝对密度耗尽超过10×10¹¹m^－3的赤道等离子体不规则结构有关.关于周跳与闪烁强度的关联下文将进一步讨论.

图 3给出闪烁(a)和周跳(b)日平均出现分钟数随月份的变化.日平均闪烁和周跳的出现分钟数由当月闪烁和周跳的出现总分钟数除以当月总观测天数得到.如图 3a所示，在三亚、香港、南宁、桂林和赣州，闪烁和周跳在春季(3月和4月)出现最频繁，其次在秋季(9月和10月)，三亚春秋季闪烁活动与周跳频次的差别比香港、南宁、桂林和赣州的小；冬夏月份闪烁活动与周跳的出现频次远低于春秋月份.Abdu(2001)指出在昼夜交界面与地磁子午面靠近的季节，不规则结构出现较频繁.在我国中南部，磁偏角很小，昼夜交界面与地磁子午面会在春分和秋分前后重合，因此在这两个季节不规则结构出现率较高，这可能是引起闪烁和周跳在春分和秋分前后出现频繁的原因.在武汉，闪烁和周跳出现率随月份变化的特征与其他低纬观测站明显不同.整体上，无论闪烁还是周跳，其出现频次都远低于其他观测点.此外，闪烁活动在春季相对频繁，其次在夏季，秋冬季闪烁活动很少.周跳在7月份出现相对频繁，其次在春季，其他月份周跳出现频次很低.从图 3还可看到，在香港、南宁、桂林和赣州，春季闪烁和周跳出现频次比秋季高，呈现显著的春秋不对称性.Abdu(2001)指出跨赤道子午风可能影响扩展F的季节变化.在赤道两侧，朝赤道吹的风使电离层抬升，朝极吹的风使电离层降低.结果可能改变F区底部的密度梯度和通量管积分电导率，进而改变R-T不稳定性增长率.这可能是形成闪烁出现率春秋不对称性的一种原因.Liu等(2015)对我国三亚L波段闪烁的统计特征进行了研究并发现，闪烁活动在春秋季节出现极大，并且春季高于秋季，呈现春秋不对称性，本文给出的低纬观测站的统计结果证实了这一点，并进一步发现周跳的出现频次也存在类似的季节变化.武汉的统计结果则表明，在赤道电离异常北缘，闪烁和周跳的季节变化与低纬赤道区有所不同.

图 3

Fig. 3

图 3 闪烁(a)和周跳(b)出现频次随月份的变化 Fig. 3 Monthly variation of occurrence of (a) scintillations and (b) cycle slips

图 4给出三亚、香港、南宁、桂林和赣州闪烁(左列)和周跳(右列)日平均出现分钟数随世界时和月份变化的等值线图.日平均闪烁和周跳的出现分钟数由当月每个时间段内闪烁和周跳的出现总分钟数除以当月总观测天数得到.从图 4可以看出，无论是随世界时的变化还是随月份的变化，闪烁和周跳出现特征都基本一致.

图 4

Fig. 4

图 4 闪烁和周跳出现频次随世界时和月份变化 Fig. 4 Variation of occurrence of scintillations and cycle slips with UT and month

图 5给出2008年至2015年太阳黑子数和F_10.7通量(a)及赣州闪烁(b)和周跳(c)出现频次的逐年变化.从2008年至2015年，涵盖了太阳活动低年、上升过渡期以及高年.从图 5可以看出，闪烁和周跳出现频次的逐年变化特征基本一致，均显著依赖太阳活动水平，在太阳活动低年(2008年和2009年)，闪烁和周跳出现频次都非常低，在上升过渡期，随着太阳活动水平升高，闪烁和周跳出现频次逐渐升高，至太阳活动高年(2014年)，闪烁和周跳出现频次最高.罗伟华等(2013)曾通过理论计算，得到广义R-T不稳定性线性增长率与太阳活动水平呈正相关的结论.本文图 5的结果从实验上支持罗伟华等(2013)理论计算的结果.

图 5

Fig. 5

图 5 2008年至2015年太阳黑子数(a，虚线)和F10.7通量(a，实线)及赣州闪烁(b)和周跳(c)出现频次的逐年变化 Fig. 5 Inter-annual variation of sunspot number (a, dashed line) and F10.7 (a, solid line), occurrence of scintillations (b) and cycle slips (c) at GZ from 2008 to 2015

GPS卫星的轨道高度约20200 km，周期约11小时58分钟，地面观测站不仅能监测其天顶的电离层闪烁活动，还能监测到观测站邻近区域上空的闪烁活动.了解观测站及其邻近空域的闪烁活动的空间分布是有意义的.为了得到闪烁活动和周跳的空间分布，本文先将观测点上空按仰角间隔35°~45°、45°~55°、55°~65°、65°~75°和75°~90°分为5个区间，然后每隔30°一个区间，将方位角由0°到360° (指北为零，向东为正)分为12个方位，这样共得到60个子区域.考虑到低仰角时本地噪声和多路径效应较严重，本文的统计分析未计入仰角低于35°的闪烁活动和周跳.图 6给出香港、南宁、桂林和赣州上空闪烁(左列)和周跳(右列)日平均出现分钟数的空间分布极图.图中圆心表示观测点的位置，同心圆表示等仰角线，从圆心出发的辐射线表示等方位角线.

图 6

Fig. 6

图 6 香港、南宁、桂林和赣州上空闪烁(左列)和周跳(右列)日平均出现分钟数的空间分布极图.从上到下依次为赣州、桂林、南宁和香港 Fig. 6 Polar map of spatial distribution of scintillation (the left column) and cycle slip (the right column) occurrences at GZ, GL, NN and HK from the top to the bottom

如图 6所示，对于仰角高于35°的空间区域，香港、南宁、桂林和赣州上空闪烁和周跳主要分布在方位角150°~240°(南偏西)的范围内，在其他方位闪烁和周跳的出现频次非常低.需要指出，不同观测站之间，闪烁和周跳随方位角的分布也存在一定差别.其中，在香港和南宁闪烁和周跳在方位角180°~210°之间出现最频繁，其次是在方位角150°~180°和210°~240°之间.在赣州上空，闪烁出现频次最高的空域位于方位角150°~180°之间，在方位角180°~240°之间也有较频繁的闪烁活动和周跳出现.对于桂林，在方位角150°~240°之间的3个方位内闪烁和周跳的出现频次差别较小.闪烁和周跳出现频次随仰角的变化整体上呈现随仰角增高而降低的趋势.出现在仰角75°以上空域内的闪烁和周跳非常少，在仰角55°~75°之间有一定数量的闪烁和周跳出现，而在仰角35°~55°之间闪烁和周跳的出现频次明显高于仰角55°以上区域.统计分析表明，在仰角35°之下，也存在相当频繁的闪烁和周跳活动.不过，对于低仰角的空域，非电离层因素的干扰严重，且由电离层和非电离层因素引起的闪烁和周跳难以区分，因此图 6中没有给出仰角35°以下空域内闪烁和周跳的分布情况.通过对比还可以看出，整体上，闪烁活动和周跳出现的空域有相当好的一致性，即闪烁频繁活动的空域，周跳出现也很频繁.闪烁活动和周跳出现的这种一致性空间分布特征也说明闪烁与周跳之间存在密切的相关.不过，也有少数例外，比如在方位角300°~330°的空域内，闪烁活动出现频次稍高于与其相邻的两个方位，但周跳却没有表现出同样的分布特征.

分析表明，一天内锁定的所有卫星在电离层400 km高度上的投影轨迹，除了观测站北部上空方位角约±45°、仰角约60°以下的区域投影轨迹稀少外，在其他区域，卫星在电离层的投影轨迹基本分布均匀.高仰角的射线不比低仰角的射线少，这难以解释闪烁活动都主要集中在观测点上空仰角位于35°到55°的范围内的观测结果.对闪烁活动的这种空间分布，一种可能的解释是，由于电离层不规则结构基本沿磁力线排列，在低纬区，磁倾角很小，当卫星在观测点的南方出现并且仰角不太高时，卫星-接收机连线与磁力线方向的夹角较小.这样，电波传播通过不规则结构的路径长度就较长，不规则结构对电波作用的累积效应比较大，容易产生可观测到的闪烁.对于较弱的不规则结构，这种累积效应尤其重要.此外，观测点所在区域，磁偏角为负，磁子午面从地理子午面的南偏西穿过观测点上空，引起闪烁的不规则结构沿磁子午面排列，即沿南偏西至北偏东分布，闪烁活动主要集中在南偏西的空间区域，可能与这样的几何构形有关.

图 7是周跳出现概率随闪烁强度变化的散点图.图中实线是二次函数的拟合曲线，垂直短线表示估计的标准偏差.由于强闪烁事件数相对较少，为了保证有足够多的样本点，将S4≥0.7的强闪烁作为一个区间进行统计.

图 7

Fig. 7

图 7 周跳出现概率随闪烁强度变化的散点图 垂直短线表示估计的标准差. Fig. 7 Variation of occurring probability of cycle slips with S4 The vertical bars denote standard deviations.

由图 7可以看出，在所有低纬台站，周跳出现概率与闪烁强度均呈现正相关，即闪烁越强，周跳越容易出现.以南宁和香港为例，当S4>0.5时，约30%的可能性会出现周跳；当S4>0.7时，约50%的可能性会出现周跳.不过，在不同纬度(台站)，周跳出现概率随闪烁强度变化的情况也有所不同.如在最靠近磁赤道的三亚，当S4>0.5时，约10%的可能性会出现周跳；当S4>0.7时，约30%的可能性会出现周跳.

由以上的讨论可以看出，闪烁活动与周跳出现随地方时、月份和太阳活动变化的规律以及空间分布区域都存在显著的一致性，这表明闪烁活动与周跳出现存在显著的相关.据此我们可以推断，闪烁是引起周跳的重要因素之一.按定义，振幅和相位闪烁分别反映信号强度和载波相位快速起伏.当GPS接收机的锁相环不能跟上相位的快速起伏，或者信号振幅起伏范围超出接收机允许的动态变化范围时，将导致接收机短暂失锁.当接收机再次锁定后，多普勒计数重新开始，结果载波整周数变化不连续，导致相位跳变或周跳.实际上，绝大多数周跳出现之前，都观测到短暂失锁.这可以解释为何闪烁与周跳两者之间存在显著的相关.鉴于闪烁活动与周跳出现的时空变化特征类似，检测周跳可以作为监测电离层不规则结构及闪烁的一种可能的辅助方式.不过，闪烁与周跳之间仍存在一些差别，并没有一一对应的关系.这一方面是由于有多种因素可能导致周跳，电离层不规则结构不是唯一因素(Yue et al., 2016)；另一方面，闪烁强度也影响周跳的出现，只有闪烁达到一定强度，周跳才可能发生，而且引起周跳的闪烁强度阈值还可能存在随纬度的变化.

地磁扰动对电离层不规则结构和闪烁的影响是空间天气扰动的重要效应之一，一直受到研究者的关注.图 8和图 9分别是2013年和2014年春季南宁和香港闪烁和周跳出现分钟数的逐日变化及与Kp指数逐日变化的比较.图中水平线断开处表示那些天观测数据缺失.我们定义每天8个Kp指数最大值小于3为磁静日，否则为磁扰日.图中红线表示磁扰日出现的闪烁活动和周跳，绿线表示磁静日出现的闪烁活动和周跳，粉色点和蓝色点分别对应磁扰日和磁静日没有闪烁活动和周跳出现的情况.

图 8

Fig. 8

图 8 2013年春季Kp指数的逐日变化(a)及南宁(b，d)和香港(c，e)闪烁和周跳出现分钟数的逐日变化 Fig. 8 Day by day variations Kp index (a) and scintillation and cycle slip occurrences at NN (b, d) and HK (c, e) in the spring of 2013

图 9

Fig. 9

图 9 2014年春季Kp指数的逐日变化(a)及南宁(b，d)和香港(c，e)闪烁和周跳出现分钟数的逐日变化 Fig. 9 Day by day variations Kp index (a) and scintillation and cycle slip occurrences at NN (b, d) and HK (c, e) in the spring of 2014

由图 8和图 9可以看出，闪烁活动和周跳的逐日变化特征基本一致，大部分发生闪烁活动的日期，都出现不同程度的周跳，很少例外.2013年春季，磁扰日共37天，静日共54天.在香港，有闪烁活动的天数为41，其中8天出现在磁扰日，33天出现在静日，占扰日和静日总天数之比分别为21.6%和61.1%.在扰日和静日有周跳出现的天数分别为8天和24天，占扰日和静日总天数之比分别为21.6%和44.4%.在南宁，在磁扰日，有闪烁活动和周跳出现的天数占扰日总天数之比分别为29.7%和24.3%，而静日的比例则分别为53.7%(闪烁)和42.6%(周跳).2014年春季与2013年春季的比例情况大致相同.以上数据说明静日出现闪烁活动和周跳比扰日出现闪烁活动和周跳可能性更大；相反，扰日没有闪烁活动和周跳明显比静日没有闪烁活动和周跳可能性更大，暗示地磁扰动抑制闪烁活动.由于闪烁活动受到抑制，相应地，周跳出现也受到抑制.

图 10给出赣州、桂林、南宁和香港四地日平均闪烁(左列)和周跳(右列)出现分钟数随Kp指数变化的散点图.图 10是使用2012年至2015年的所有观测数据统计得到的.这里日平均是在给定的Kp指数变化范围内的日子出现闪烁和周跳的分钟数与相同Kp指数变化范围内的总天数之比.图中实线是计算得到的线性回归线.由图 10可以看到，闪烁和周跳两者随Kp指数变化呈负相关，表明磁扰动对闪烁活动和周跳均起抑制作用.此前，许多研究者考察了地磁扰动对闪烁活动的影响(Mathew et al., 1991；Rama Rao et al., 1996, 1997；Kumar and Gwal, 2000；Muella et al., 2009；Prasad et al., 2004, 2012；Olwendo et al., 2016).Mathew等(1991)曾研究了在赤道和异常峰区地磁活动对闪烁出现率的影响并指出，在所有季节，磁扰日闪烁活动都受到抑制.Rama Rao等(1996, 1997)和Prasad等(2004, 2012)也研究了低纬地区地磁扰动对闪烁的影响，他们指出，在较高太阳活动水平的年份，磁扰期间夜间闪烁受到抑制.Kumar和Gwal(2000)则指出不同经纬度的观测站磁扰动对闪烁的影响不同，在Bhopal(23.2°N，77.6°E)，地磁扰动在整个夜间对闪烁活动一直是抑制的，而在Varanasi(25.3°N，83°E)则表现为午夜前抑制闪烁活动，午夜后促进闪烁活动.本文的结果表明，在太阳活动高年，从三亚(18.28°N，109.58°E)到桂林(25.29°N，110.33°E)和赣州(25.84°N，114.92°E)，磁扰动的影响都表现为抑制闪烁活动，没有观测到午夜后的促进作用，同时进一步发现，地磁扰动对周跳的发生也起抑制作用.

图 10

Fig. 10

图 10 闪烁(左列)和周跳(右列)出现频次随Kp指数变化的散点图 Fig. 10 Variation of occurrences of scintillations (the left column) and cycle slips (the right column) with Kp index

本文利用位于我国中南部的电离层闪烁监测台网2012年至2015年的观测数据，比较分析了电离层闪烁与周跳的活动规律，并考察了太阳活动和地磁扰动对闪烁与周跳的影响.分析得到闪烁活动随地方时、月份和太阳活动变化的统计特征证实了前人的研究结果，进一步以闪烁与周跳的关联为主，研究卫星导航接收机对闪烁的响应，发现闪烁活动与周跳出现随地方时、月份、太阳活动和地磁扰动变化的统计特征类似，且周跳出现的可能性随S4指数增高而增大，证实闪烁是引起周跳的一种重要因素.本文的主要结果归纳如下：

(1) 一天之中，闪烁和周跳主要出现在日落后至黎明前，午夜前出现最频繁，白天仅偶尔有闪烁和周跳出现.

(2) 在赤道异常峰及其邻近区域，一年之中，闪烁和周跳主要出现在春秋季，春季闪烁活动和周跳出现明显比秋季频繁，呈现春秋不对称性，冬夏季节闪烁和周跳都很少出现.

(3) 闪烁活动与周跳出现的逐年变化显著依赖太阳活动水平，随太阳活动水平升高而增强，与广义R-T不稳定性线性增长率随太阳活动变化的理论计算结果(罗伟华等，2013)一致.

(4) 在统计的意义上，地磁扰动对闪烁活动与周跳发生起抑制的作用.

(5) 平均而言，越靠近磁赤道的台站闪烁活动越频繁，随纬度升高，闪烁活动频次逐渐降低，且闪烁活动的开始时间随纬度升高而滞后，暗示引起GPS信号闪烁的电离层不规则结构主要起源于磁赤道区.

(6) 闪烁活动与周跳出现的空间区域有相当好的一致性，主要分布在观测点上空仰角55°以下、方位角150°~240°的空域内.