[综述]| 利用地基与空间GNSS观测研究多尺度电离层不规则体| 彭宇翔
Characterization of multi-scale ionospheric irregularities using ground-based and space-based GNSS observations
YuXiang Peng* , Wayne A Scales, Michael D Hartinger, Zhonghua Xu and Shane Coyle
Satellite Navigation(2021)2:14
引用文章:
Peng, Y. X., Scales, W. A., Hartinger, M. D. et al. Characterization of multi-scale ionospheric irregularities using ground-based and space-based GNSS observations. Satell Navig 2, 14 (2021). https://doi.org/10.1186/s43020-021-00047-x.
PDF文件下载链接：
https://satellite-navigation.springeropen.com/articles/10.1186/s43020-021-00047-x（点击下载）
-长按识别二维码查看/下载全文-
Editorial Summary
GNSS: Ionospheric irregularities
When the Ionosphere departs from an equilibrium state, ionospheric irregularities (e.g., plasma density structures) can occur and adversely affect the Positioning, Navigation and Timing (PNT) performance of Global Navigation Satellite System (GNSS). We can use ionospheric irregularity impacts on GNSS signals as an effective tool of ionospheric remote sensing. Although such ionospheric monitoring using GNSS has been done for decades, ionospheric irregularities in multiple spatial and temporal scales are still not fully understood. This paper reviews Virginia Tech's recent studies on multi-scale ionospheric irregularities using ground-based and space-based GNSS observations. After reviewing the relevant background of ionospheric irregularities and their impact on GNSS signals, three topics of ground-based observations of ionospheric irregularities (using GNSS and other techniques simultaneously) are reviewed. In high-latitude regions (magnetic latitude ≥ 60°), both passive and active measurements are covered. In mid-latitude regions (30° ≤ magnetic latitude ≤ 60°), modelling and observations are considered as well. Emphasis is placed on the increased capability of assessing the multi-scale nature of ionospheric irregularities using GNSS observations (e.g., Total-Electron-Content or TEC, scintillation) and other traditional techniques (e.g., radar, magnetometer, high frequency receivers). Besides ground-based observations, recent advances in GNSS space-based ionospheric measurement techniques are briefly reviewed. A new space-based ionospheric observation technique using GNSS-based spacecraft formation flying and a differential-TEC method is demonstrated using the newly developed Virginia Tech Formation Flying Testbed (VTFFTB). Based onmulti-constellation multi-band GNSS and high-fidelity global ionospheric model(s), the VTFFTB is a hardware-in-the-loop simulation testbed for 3-satellite real-time formation flying, which can be used for new mission design of multi-scale ionospheric irregularity measurements.
本文亮点
在GNSS和电离层遥感领域详细分析介绍了美国弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）近年来一些关于电离层不规则体的研究进展。 利用在南极洲40°磁经线建立的低电量自动适应性仪器平台（AAL-PIP）链站的地基GPS双频接收机和磁力计联合观测高纬度地区电离层不规则体和超低频波等空间天气现象。 通过对高纬地区的高频电离层加热及其对GNSS/GPS信号影响的主动观测发现，可以通过测量受激电磁发射（SEE）来探测分米尺度量级能引起GNSS闪烁的电离层不规则体。 在中纬地区的利用GNSS地基接收机和高频超级双重极光雷达网络（SuperDARN）共同对GPS闪烁和电离层不规则体进行观测，再结合计算机建模研究中纬度电离层不规则体和GNSS振幅闪烁的非线性级联效应。 基于GNSS的低轨卫星编队飞行是一种观测多尺度电离层不规则体和空间天气的灵活手段。本文介绍了弗吉尼亚理工编队飞行测试平台（VTFFTB）的建立过程及其在低轨电离层测量方面的新应用。
内容简介
电离层中的不规则体会负面影响全球卫星定位导肮系统 (GNSS) 性能。不过我们也可以反向利用GNSS作为一种有效的电离层遥感的工具。尽管电离层遥感和监控已经开展了几十年，但是对不同空间和时间尺度的电离层不规则体的相关研究还是存在很多未解问题。本文综述了美国弗吉尼亚理工大学近年来在电离层不规则体GNSS观测相关的一些研究。地基观方面包括南极极区多站双频GPS遥感和磁力计联合观测，北半球高纬度的高能高频电离层加热效应对GNSS信号影响的主动观测实验，和中纬度多频GPS和空间天气高频雷达联合观测建模的工作。本文也对星载空间GNSS观测进行了简要综述。一种基于星载GNSS编队飞行的新电离层观测方式通过VTFFTB被孵化和验证。利用多个低轨星载GNSS的TEC差分，电离层电子密度可以被逼近测量。结合了多星座多频GNSS导航定位和电离层探测技术，VTFFTB可为卫星编队飞行和电离层物理研究和观测提供一个灵活高效的设计、测试、验证平台。
低电量自动适应性仪器平台 (AAL-PIP) 链站是南极圈内极区空间天气和电离层不规则体的重要探测工具。每个AAL-PIP站 (PG0, PG1, PG2, PG3, PG4, PG5) 的地点在图一中通过红色星号 (☆) 标注。所有平台都携带了搜索线圈式和磁通门式共两个磁力计。其中PG2, PG3, PG4和PG5都配备了双频GPS接收机。AAL-PIP每个台站都和位于西格陵兰岛海岸线的磁力计阵列形成磁共轭。
图 1 AAL-PIP的6台链站部署在南极东部高原40°磁经线。每个AAL-PIP站 (PG0, PG1, PG2, PG3, PG4, PG5) 的地点在通过红色星号 (☆) 标注。
超低频（ULF）波是一种频率一般介于1mHz和1Hz之间的地磁脉动。超低频波被发现可以调制电离层电子浓度的，但具体原因和调制机制仍然在研究中。利用双频GPS接收器和磁力计，一个超低频波事件在2016年1月16日被多个AAL-PIP站台观测到。如图2所示，PG2，PG3和PG5测量的TEC和地磁场Bx方向分量的周期性扰动表现出了协同一致性。
图 2 多站双频GPS-TEC(蓝色)和磁力计-Bx分量(橙色)联合观测到的超低频波事件。
III.电离层加热对GPS测量总电子含量的作用和类闪烁机制
通过对高频电离层加热及其对GPS信号影响的主动观测来研究分米尺度量级能引起GNSS闪烁的电离层不规则体的物理机制。
IV.中纬度电离层不规则体级联效应
温度梯度不稳定性是造成GNSS闪烁的可能原因之一。通过对比中纬度地基GPS接收机的电离层闪烁观测和在电离层低轨卫星的电子密度直接测量来进行频谱特征分析研究电离层不规则提的级联效应。
V.弗吉尼亚理工编队飞行测试平台（VTFFTB）架构
如图5所示，VTFFTB的架构包括三个卫星的硬件实时闭环系统。其中主卫星(Chief)模块包括Spirent GSS-6560硬件GPS模拟器，NovAtel OEM628多频多星座星载GNSS接收机，主导航控制系统。两颗伴飞卫星(Deputy)模块包括Spirent GSS-8000硬件GNSS模拟器，NovAtel OEM729多频多星座星载GNSS接收机，伴飞导航控制系统。通过播发主卫星的GNSS数据给两颗伴飞卫星，使得整个编队阵列实现去中心化飞控。通过三颗星载接收机得到的GNSS数据会传递给STK可视化系统（实现飞行状态监控）和电离层遥测系统（测量总电子含量TEC，振幅闪烁指数S4和电子密度Ne）。
VI.利用卫星编队飞行测量电离层不规则体
图6通过一个赤道扩展F情景来展示如何利用在VTFFTB的星载GNSS卫星编队飞行来探测电离层不规则体。利用电子密度分布和0.4的振幅闪烁指数模拟一个在Jicamarca Radio Observatory上方290 km的等离子体泡沫区域。两颗低轨星载GNSS接收机一起穿越等离子泡沫的过程中，可以用多频GNSS观测得到TEC和C/N0。当两颗卫星垂直间距足够近（比如1 km），可以通过差分上下两颗卫星测量的TEC来逼近卫星之间的电子密度。再结合不同低轨卫星测量的S4和卫星轨道的空间几何分布，可以推断出电离层不规则体的方向，位置，甚至大小。通过调整编队的轨道几何（星间间距），星载GNSS可以灵活地测量不同尺度的电离层结构（包括不规则体）。
作者简介
彭宇翔 博士
美国弗吉尼亚理工大学 (Virginia Tech)
美国高通(Qualcomm)公司
▍作者简介彭宇翔，籍贯安徽。2014年获中山大学物理学学士，2017年获弗吉尼亚理工大学硕士，2020年获弗吉尼亚理工大学博士。博士期间在弗吉尼亚理工大学空间科学与技术研究中心工作，2017年德国达姆施塔特工业大学(Technische Universität Darmstadt)访问学者。主要从事空间科学与技术领域研究，涉及卫星导航、卫星编队飞行、遥感、空间天气、高精度定位等课题。已在国际顶尖或重要期刊发表论文11篇(一作8篇)，做会议报告20余次（邀请报告5次）。荣获2018年美国地球物理年会（AGU）杰出学生报告奖（top2-5%），2013年美国大学生数学建模竞赛M奖等国际奖项。担任COSPAR (Advances in Space Research)，AIAA (Journal of Aerospace Information Systems)等国际协会杂志受邀审稿人。目前在美国高通公司从事导航定位技术研发，作为第一或共同作者已提交9项发明专利申请。
撰稿：本文作者
编辑：《卫星导航（英文）》编辑部
审校：彭博士
关于我们
Satellite Navigation 创办于2020年， 是中国科学院空天信息创新研究院主办的英文学术期刊，主编是杨元喜院士，主要报道卫星导航相关的最新高水平科研成果与综述文章及通讯，在 Springer Nature开放获取（open access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。
Website：http://satellite-navigation.springeropen.com/
E-mail：editorial_office@sana.org.cn/ satellite-navigation@aircas.ac.cn
Tel：86-10-58887063长按二维码关注我们
专刊
“BDS/GNSS高精度产品生成/服务/应用（BDS/GNSS high-precision products: strategies, services, and applications）”