日食对我国上空电离层TEC含量的影响

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摘要： 电离层与人类活动紧密相关，研究电离层异常对电子通信、卫星定位等领域有着重要意义。日食会引起电离层明显的异常变化。本文从实例出发，采用GPS双频观测值监测电离层异常的原理和方法，研究探讨了2009年7月22日发生在我国上空的日全食引起的大陆区域上空电离层异常情况。

关键词: 区域电离层模型、日全食、tec

中图分类号: P352 文献标识码： A 文章编号：

一、引言

日食发生时，由于月球的遮挡，地球大气层一部分接受不到太阳照射的紫外线、X射线，大气中的中性气体成分无法电离产生正离子和自由电子，导致电离层中电子密度含量减少，从而引起电离层扰动。而在GPS测量技术中，电离层中的电子密度成为影响GPS信号电离层延迟的主要因素。

二、GPS监测电离层延迟的原理

1、GPS测量中，受电离层延迟影响，伪距测量测的距离大于真实距离，而载波相位测量所测得的距离小于真实距离，两者的差值大小相同，符号相反。所以电离层中的总电子含量（Total Election Content）决定了电离层延迟的大小，两者成正比，总电子含量表达如下：

即以地面面积为单位面积、沿着电磁波传播贯穿整个电离层的柱体中所包含的所有电子数，称为总电子含量，其单位为（TECU），为“电子数/m2”。该单位数值较大，故一般采用“1016个电子/m2”。

由上可知，卫星信号的频率和传播路径上的总电子含量决定了电离层改正的大小。具体到GPS的信号，TEC以1016个电子/m为单位，信号频率以GHz为单位，对于L1、L2载波，其电离层延迟改正分别为：

测距码R1和R2分别调制在载波L1、L2上，其电离层延迟改正为：

由上述四个公式，就可定量的计算出GPS信号对应的具体电离层延迟，对于L1来说，1米的距离对应的电离层延迟相当于6.162TEC；而1ns的时间上对应的电离层延迟为1.85TEC。

2、为精细研究日食发生前后，测站上空TEC含量与日食食相的具体变化情况，本文利用精细处理（去周跳、相位平滑伪距）过后的GPS双频观测值（IGS台站观测数据），采用最小二乘曲面函数，建立各个测站的单站区域电离层模型（蔡昌盛《利用GPS组合观测值建立区域电离层模型研究》单站模型在200--300km的距离范围内可以取得很好的效果），具体到每一颗卫星来分析日食发生时刻VTEC的变化情况。以上海站为例。首先建立UTC时00：00--04：00的区域模型。

1、首先确定穿刺点轨迹、计算穿刺点天顶距。

根据卫星精密星历,用切比雪夫内插法内插出卫星坐标，然后根据上海测站坐标计算出穿刺点位置以及穿刺点天顶距。 2、对下载的观测文件（o文件）进行处理，对载波数据进行周跳探测后，利用载波数据对伪距进行平滑。

3、利用最小二乘原理，用平滑后的伪距组成L阵，穿刺点位置计算得出系数阵B，将硬件延迟作为参数加入系数矩阵，平差后求解出系数E0、E1、E2、E3、E4、B，从而得到单站模型。

三、2009年7月22日日全食对我国电离层的影响

分析这次日全食对我国不同区域电离层的VTEC值影响。选取中国境内数个IGS台站，提出P值的概念，从获取的上海、桃园、武汉三个测站上空全天P值得到，在日食发生当天，与前一天后一天相比，测站上空全电子浓度经历了从下降到到恢复，继续增大到再恢复正常水平的过程。最大增大量可达近10个TECU值，增大量与测站所处纬度有关，低纬度地区大于中纬度地区。并且用IGS站的全球电离层格网模型进行了对比，验证了本文所得到的结果；为细致分析日食发生时TEC变化与日食食相时刻的对应关系，本文利用最小二乘曲面函数，建立了各个测站的单站区域模型，在求得模型系数的基础上，求取了卫星传播路径上的VTEC值，然后对日食发生当天及前后各一天的单测站上空某一颗卫星VTEC值做了对比分析。经过对比筛选，选取14号卫星作为研究对象，通过对比各个测站三天中00:00--04:00时段内其传播路径上的VTEC值变化，得到日食中心线上空VTEC减小量大于食分小于1.0的区域；测站上空VTEC开始减小的时刻与日食初亏时刻大约有十几分钟到半个小时的延迟，日食食甚时刻（太阳被完全遮挡）VTEC达到最低峰值，在日食复园时刻基本恢复正常水平；高纬度地区（北京站）初亏时刻早于中低纬度（上海站），但VTEC开始减小时刻确迟于低纬度地区；处于食分0.85--食分0.9之间的低纬度地区（桃园站）VTEC值恢复正常水平并开始增大的时刻早于日食中心线上的中纬度地区（上海站）的结论。

参考文献：

[1] 李征航，黄劲松．GPS测量与数据处理[G]．武汉大学出版社，2005

[2] 韩玲，区域GPS电离层TEC监测、建模和应用，硕士学位论文，中国科学院上海天文台，2006,6；

[3]涂锐，张勤，黄观文，凌晴，利用相位平滑伪距和最小二乘曲面函数建立西安市区域电离层延迟模型，武汉大学学报-信息科学版，2011,36（2）

作者简介：任 刚（1987-）男，汉族，河南林州人，长安大学地质工程与测绘学院，大地测量学与测量工程专业，2010级研究生。赵娟娟（1987-）女，汉族，河南林州人，山东科技大学，2010级研究生。