全球电离层GNSS 星座监测与仿真

苟晓晨，于锡峥，李 磊*，吴小成

1 中国科学院国家空间科学中心 空间天气学国家重点实验室，北京 100190

2 中国科学院 国家空间科学中心，北京 100190

3 中科莘县联合研发中心，山东 252400

0 引言

众所周知，太阳活动产生的高速太阳风冲击地球磁层，可能引起全球范围的地磁场剧烈扰动——地磁暴.电离层和磁层通过对流电场、沉降粒子和场向电流紧密耦合，磁暴期间，耦合作用更为强烈.高纬电离层先受到强烈扰动，接着中、低纬电离层出现响应，主要表现为电子密度分布、总电子含量、电离层F 峰高及电离层电流体系大范围的改变，直到磁暴进入恢复相而逐渐恢复（Appleton and Ingram,1935; Balan et al.,2011）.统计表明，地磁暴引起的电离层扰动发生在磁暴主相开始1～4小时之后，最长可以持续几天（李涌涛等，2018；白晓涛等，2020）.一般地，电离层总电子含量（TEC）与F2 层临界频率（f0F2）有可能增加，表现为电离层正暴；也有可能降低，表现为电离层负暴.例如，在2015 年3 月17 日磁暴期间，中低纬区域总电子含量与F2 层临界频率增加，为电离层正暴；高纬区域总电子含量与F2 层临界频率降低，为电离层负暴（袁建刚等，2019）.这些电离层扰动不仅能够干扰通讯电波，影响卫星导航，造成航天器带电加速卫星老化，甚至会损害宇航员的身体健康.因此电离层的监测、研究及预报对保障人类正常的生产和生活具有十分重要的意义.

目前，电离层地基监测主要有全球国际GNSS网（IGS）、中国陆态网（CMONOC）、美国的电离层闪烁辅助决策监测网SCINDA、我国的子午工程一期监测网（二期在建）、加拿大北极圈电离层监测网CHAIN 等，此外还有一些地区性的电离层监测网络.电离层地基监测的优势在其数据传输和存储不受限制，在陆地区域可以达到较高的空间分辨率，观测电离层精细结构.以全球国际GNSS 网（IGS）为例，其时间分辨率可以达到1 小时，同时实现2.5°×5°的全球区域覆盖.但是，地基电离层监测也存在一定的局限性，比如，不能测量F 层峰以上高度、南半球大洋区域覆盖不足等.这些局限性可以通过天基监测来弥补.

目前，电离层天基监测是以单颗或多颗卫星原位的观测为主，如CHAMP、Swarm、张衡一号卫星等，并且对500 km 高度以下监测较少.500 km以上大多是极轨或大倾角轨道卫星，缺少赤道面附近的小倾角卫星，不足以同步监测不同纬度和经度的差异（尤其是南半球中低纬度）.随着电离层探测技术的不断发展，基于GNSS 信号的无线电掩星探测技术近年来已经成为电离层遥感的主要手段.GNSS 掩星探测具有高精度、高垂直分辨率、全天候、低成本等特点，其电离层探测数据对电离层模式研究与空间天气监测及预报具有重要价值.然而，目前应用最多的COSMIC-2 掩星星座也仅包含6颗卫星，轨道倾角为24°，中高纬地区覆盖严重不足，无法满足全球电离层监测的需求.

另外，研究表明，天基GNSS 掩星覆盖率将直接影响电离层模型的数据同化及预报精度.当掩星卫星数量较多且观测数据的覆盖性较好时，仅通过同化掩星TEC 观测数据，就可以获得准确的TEC和电子密度现报和短期预报结果（欧明等，2021）.因此，实现掩星观测数据的全球覆盖，并提高其空间和时间分辨率，对于电离层空间天气现报和预报具有重要意义.

本文将针对全球电离层及暴时变化的监测需求，提出新的全球电离层GNSS 星座监测方案，并通过仿真验证其监测效果.

1 电离层监测星座组网设计与优化

在磁暴和亚暴期间，磁层—电离层通过对流电场、粒子沉降和场向电流等紧密耦合，引起电离层扰动，形成电离层正（负）暴（Appleton and Ingram,1935; Balan et al.,2011）.统计表明，正电离层暴和负电离层暴随地方时、季节和纬度等因素的变化.不论在哪个季节，中纬度区域的磁暴主相一般发生在午夜区域，更容易引起负电离层暴.然而，在冬季和两分季节，磁暴主相发生在晨侧区域，纬度范围大约在±20°～±30°，更容易引起正电离层暴，并且中纬度响应时间延迟要比低纬度时间延迟短（Balan et al.,1990）.电离层暴期间电离层的响应，及其晨昏、南北不对称性等特征，需要在全球范围内开展同步测量，电离层GNSS 掩星探测是实现这一目标的最佳选择.

首先，我们把卫星轨道预先设为1 020 km 高度的圆轨，以实现1 000 km 以下电离层全覆盖监测.然后，参考欧洲定轨中心利用北斗数据获得的全球电离层图（GIM）、全球IGS 网等电离层地基监测时间分辨率（1～2 小时），设定GNSS 星座组网监测时间分辨率为2 小时.同时，结合目前电离层地基监测网（如IGS 网）数据空间分辨率（2.5°×5°）以及电离层数据融合需求，与地基电离层监测相配合，GNSS 掩星星座组网监测水平分辨率优于200 km（约2°）.其次，选择小卫星的组网形式，采用不同的轨道面和卫星数量，仿真计算不同卫星星座GNSS 掩星点在全球的覆盖率，根据结果反复迭代、优化.最后，我们采用8×8 颗太阳同步轨道微小卫星构成星座网，同时与31 颗GPS 卫星和35 颗北斗卫星开展GNSS 电离层掩星观测（图1所示），以较少卫星数量，同时兼顾时间分辨率和空间覆盖率，满足全球电离层大尺度同步监测需求.

图1 电离层（LEO）微小卫星星座（彩色）与BD 卫星（黄色）、GPS 卫星（绿色）掩星示意图，红色锥形表示掩星天线视场Fig.1 The ionospheric microsatellite constellation (multicolor),BeiDou satellites (yellow) and GPS satellites(green),red cone represents the occultation field of view

统计结果显示，在2°×2°网格下，全球覆盖率优于1/3（其中低纬度覆盖率不低于～31.83%），基本能够满足全球电离层监测需求.另外，大倾角极轨卫星可增加中高纬度电离层掩星观测的覆盖率，与COSMIC 低倾角掩星星座相配合，弥补其中高纬的覆盖不足，提高电离层掩星的全球覆盖率.

微小卫星的轨道高度为1 020 km，轨道倾角为99.56°，星座共有8 个轨道面，每个轨道面间的升交点赤经差约为45°，每个轨道面有8 颗卫星，星与星之间的相位差是45°.每个卫星均搭载掩星接收机，采样频率为0.1～50 Hz，天线视场角为40°×40°（半角）.根据64 颗低轨（LEO）卫星的仿真轨道，31 颗GPS 卫星及35 颗北斗卫星的轨道数据，统计显示，2 小时内可发生掩星事件约7 000 次，每次掩星时间约为400～700 s.2018 年8 月26 日UTC 12:00～14:00 所有掩星事件的切点在300 km 高度上的分布如图2 所示，其中蓝色方块表示LEO 与BD 卫星的掩星切点，粉色圆点表示LEO 与GPS卫星的掩星切点.如将300 km 高度球面划分为2°×2°网格，2 小时内低、中、高纬度掩星点的覆盖率分别为31.83%、49.84%、75.25%（如表1），另外，2 小时内，全球300 km 高度相邻掩星点间最大水平距离（水平分辨率）小于800 km，全球约70%的区域水平分辨率优于200 km（如图3、4所示）.

图2 2018 年8 月26 日，UTC 12:00～14:00，2 小时内300 km 高度全球电离层掩星切点分布图，其中蓝色表示LEO 与BD 卫星的星切点，粉色表示LEO 与GPS 卫星的掩星切点Fig.2 Distribution of ionospheric occultation tangent points at an altitude of 300 km.The blue dots represent the point between LEO and BD.The magenta dots represent the point between GPS and LEO

表1 300 km 高度，不同网格密度下电离层掩星点在低、中、高纬度的覆盖Table 1 Coverage percentages of ionospheric occultations at low,middle and high latitudes binned with different grid sizes at an altitude of 300 km

图3 300 km 高度相邻掩星点间水平距离（水平分辨率）统计图Fig.3 Horizontal distances (horizontal resolution) between adjacent occultation points at 300 km altitude

图4 300 km 高度掩星点数量随掩星点间水平距离的分布Fig.4 Histogram of the horizontal distances between adjacent occultation points at 300 km altitude

2 电离层监测效果仿真

2.1 电离层全球监测效果

为了演示电离层星座的监测效果，我们进行了仿真.实际电离层掩星通常需要结合无线电掩星Abel 反演算法获得电离层电子密度、总电子含量（TEC）等电离层参数（曾桢等，2004）.本文的目的是展示掩星星座的监测效果，因此，假设电离层电子密度为已知参量（由IRI 模型确定），根据GNSS 星座掩星点位置，由IRI 模型直接计算电子密度等参数，不涉及Abel 反演算法.

根据电离层掩星星座轨道，我们对全球100～1 000 km 高度的电子密度，300 km 高度的电折射率、日侧（红色）和夜侧（黑色）总电子含量（TEC）、日侧（红色）和夜侧（黑色）弯曲角等参数进行了仿真计算.

首先，我们根据64 颗GNSS 卫星和35 颗BD卫星及31 颗GPS 卫星的仿真轨道数据，计算了2018 年8 月26 日UTC 12:00～14:00 期间全球掩星点的位置，然后，由IRI 模型计算掩星点的电子密度，获取全球100～1 000 km 不同高度掩星点处的电子密度剖面图（如图5a）.从电子密度分布看，电子密度在高度300 km 左右达到峰值，并且在磁赤道两侧表现出明显的双峰结构，结果符合预期.

根据全球不同高度掩星点处的电子密度，由公式：

f为无线电波频率，GPS 信号L1 频率为1.575 4×109Hz，计算全球电离层折射指数n，如图5b.

然后，根据GNSS 掩星仿真结果，分别选取日侧（LT=12:06，Lat=20.7°）和夜侧（LT=23:54，Lat=38.5°）的两次掩星事件，掩星切点覆盖100～1 000 km 高度.沿LEO 与GPS 或BD 卫星的连线方向，对掩星事件期间的电子密度进行路径积分，获得日侧和夜侧斜路径TEC 随高度变化的曲线（图5c）.最后，通过TEC，利用公式：

h为掩星切点高度，计算日侧和夜侧弯曲角的变化曲线（图5d）.

图5 仿真结果说明，在2 小时内，该星座能够实现磁暴期间100～1 000 km 高度全球电子密度、总电子含量（TEC）、折射率、弯曲角等电离层多参数的同步监测.

图5 2018 年8 月26 日磁暴期间，电离层GNSS 掩星星座观测结果（仿真），UTC 12:00～14:00.（a）100～1 000 km 高度全球电离层电子密度分布；（b）300 km 高度全球电离层折射指数分布；（c）日侧（红）和夜侧（黑）电离层总电子含量（TEC）廓线；（d）日侧（红色）和夜侧（黑色）电离层弯曲角变化曲线Fig.5 Ionospheric GNSS occultation constellation observations (simulation) during the magnetic storm of August 26,2018,12:00～14:00 UTC.(a) The global ionospheric electron density maps at altitudes of 100 to 1 000 km;(b) The ionospheric refractive index map at 300 km height;(c) The ionospheric total electron contents (TEC) on day side (red) and night side(black);(d) The bending angles on day side (red) and night side (black)

2.2 暴时电离层的监测

针对全球覆盖组网监测2 小时的时间分辨率，接下来我们进一步考察掩星星座是否能监测2 小时内暴时电离层响应的平均变化.

我们依然采用IRI 模型来描述电离层.IRI 模型包含暴时电离层经验修正模式（Storm-Time Empirical Ionospheric Correction Model）.该模式可对不同地磁活动条件Ap 下的电离层峰值电子密度（NmF2）、F2 层临界频率（foF2）等参数进行修正，每小时一次.研究表明，该模式对磁暴期间电离层峰值电子密度、F2 层临界频率等的预测偏差与季节和纬度明显相关.磁暴期间，6～9 月在高纬地区的偏差约65%，低纬约45%（Fuller-Rowell et al.,2001; Araujo-Pradere et al.,2002; Timoçin et al.,2018）.虽然IRI 模式只能反映电离层的平均状态，即便经过暴时修正可能也无法反映扰动的细节，但本文的目的是在电离层背景下，定性演示卫星组网对电离层大尺度时空变化的监测能力，而非定量展示电离层响应的细节.此外，IRI-STORM 模式对暴时电离层参数修正的频次为1 次/小时，满足掩星星座2 小时的时间分辨率要求.

2018 年8 月25～31 日，首先，按暴前（2018年8 月24 日）平静状态Dst 等条件，利用IRI 模型和星座掩星仿真数据，获取全球电子密度峰值作为参照值，沿120°W 经度线，80°S～80°N 电子密度峰值如图6 虚线所示.8 月25 日傍晚磁暴开始，以2 小时为时间间隔，GNSS 掩星星座观测的不同纬度电子密度峰值的变化，如图6 实线.根据图6结果，电离层不同纬度对地磁暴的响应不同，在北半球中高纬地区为电离层负暴（电子密度峰值降低），南半球中高纬地区为电离层正暴（电子密度峰值升高）.同时，响应时间存在纬度延迟，扰动由高纬逐渐向低纬传播；并且随纬度降低，电子密度扰动幅度出现衰减，高纬地区响应最早，且电子密度峰值下降幅度较大，低纬地区响应滞后且电子密度峰值下降幅度较小，跟观测一致（Balan et al.,1990; Li et al.,2018; 袁建刚等,2019）.此外，在南北半球低纬度地区均表现为弱的电离层正暴（电子密度峰值升高）.

图6 2018 年8 月25～31 日磁暴期间，GNSS 掩星星座观测结果（仿真）.120°W，从北纬80°到南纬80°电离层电子密度峰值（黑色实线）较平静期（黑色虚线）的变化.黑色竖线代表不同纬度区域，电离层开始响应磁暴的时间Fig.6 GNSS occultation constellation observations (simulations) along longitude 120°W,from 80°N to 80°S,during the magnetic storm from August 25 to 31,2018.The peak electron density is shown as a solid black line and the quiet period is shown as a dashed black line.The black vertical lines mark the beginning of ionospheric storm at different latitudes

3 讨论

电离层预报对电离层探测数据有时效性要求，然而，目前大多数卫星，无论是原位还是遥感探测卫星，其数据都很难满足实时性需求.因此，为保证GNSS 电离层掩星数据的时效性，可考虑增设地面接收台站，或采用星间链路（中继星）数据下传方式，提高监测数据的时效性.若采用星间链路下传数据，需要把64 颗星的数据汇总到要过境的卫星（中继星）上，通过中继星星地链路下传，根据地面站现有能力和星上可以提供的数传通道[4 W的微波发射功率，功耗30 W，星地传输速率50 Mbps，编码效率（1/2）]，大约需要4×64×8/(50×1/2)=1.3 min 就可以把整个星座的数据下载下来.然而，采用星间链路方式虽然可以较快将2 小时内的掩星数据下传，但需要结合星座轨道对星间通讯链路进行规划，由于掩星星座卫星数量较多，链路规划相对复杂.因此，考虑到人力和技术成本，可采用增设地面接收站提高数据下传时效性.

目前国内用于空间科学数据传输的地面接收站主要有密云站、喀什站和三亚站.对于电离层GNSS 掩星星座，单星在2 小时内存储的掩星数据约为4 MB，以密云站数据接收为例，单颗掩星卫星与密云站的平均可视时间约为13.4 min，整个LEO 星座共计64 颗，从第一颗星过站到最后一颗星过站，大约需要9 小时.如全部采用中国境内地面站进行数据传输，最后一颗星需要9 小时后才能过站，不满足2 小时实时性约束，故需要利用中国境外的地面站协助进行数据下传.

如果要保证实时性下传，可以增加国外商业卫星数据接收站，提高卫星数据的时效性.考虑到星座演化趋势和卫星数据下传实时性要求，国外的地面站选址在经度上与中国所在区域（经度）尽量拉开，如选用南非的开普敦（Cape Town）和委内瑞拉的卡斯拉斯（Caracas），协助进行数传.经计算，星座数据下传延迟最多约为1.9 小时，可以保证GNSS 卫星星座数据2 小时的实时性要求.

另外，本文的目的是为开展全球电离层监测提供可行方案，然而，方案的实施仍需综合考虑卫星组网技术、成本等因素.随着商业航天的发展，各种用途的低轨卫星星座不断涌现，如通信卫星星座，其空间覆盖基本可以满足本方案的要求，通过搭载，也可实现全球电离层的监测.

4 结论

本文以全球电离层监测为目标，通过轨道仿真与优化，提出采用8×8 颗轨道高度为1 020 km 的太阳同步轨道微小卫星构成电离层GNSS 星座.该掩星星座能够对全球电子密度、总电子含量（TEC）、折射率、弯曲角等电离层参数开展同步监测.

（1）仿真结果显示，2 小时内，采用2°×2°网格，300 km 高度掩星点低、中、高纬度空间覆盖率可达31.83%、49.84%、75.25%，水平分辨率优于800 km，其中70%以上区域优于200 km.

（2）利用IRI 模型，模拟全球电离层电子密度分布，同时，结合掩星星座轨道仿真数据，对该掩星星座的监测效果进行了仿真.结果显示，该星座具有很好的垂直分辨能力，全球水平分辨率优于800 km（70%以上区域优于200 km），能够监测全球电离层，尤其可以填补海洋区域的监测空白；时间分辨率为2 小时，可监测暴时全球电离层的响应趋势及时空演化特征.

因此，利用以上电离层GNSS 掩星星座组网，能够在2 小时时间尺度上实现对全球电离层的监测，为研究磁层—电离层耦合及电离层暴的全球大尺度时空演化特性提供新的视野，为空间环境预报提供数据支撑.

数据与来源

本文所用电离层参数输入来自国际电离层参考（IRI）模型，数据网址：http://omniweb.gsfc.nasa.gov/vitmo/iri2012_vitmo.html.GPS 和BD 数据下载 网址：http://celestrak.com/NORAD/elements/.