Swarm卫星星载接收机GPS信号中断统计特征分析

本文聚焦于欧空局Swarm卫星星载接收机在中纬地区出现的GPS信号中断事件, 利用其近9年(2014年1月至2022年9月)的观测数据, 详细统计了GPS信号中断事件发生的时空分布特征及与背景等离子体密度起伏的关系.研究结果表明Swarm卫星在其接收机锁相环带宽从0.75 Hz调整至1.0 Hz前后, GPS信号中断事件表现出不同的时空分布特征.在前一个时期, 2014年1月1日至2016年8月11日, GPS信号中断事件主要分布在低纬磁赤道附近和高纬极区附近, 少量中断事件分布在中国东部地区; 而在后一个时期, 2016年8月12日至2022年9月30日, GPS信号中断事件则出现在了所有的纬度, 同时表现出显著的经度差异.前一个时期内GPS信号中断事件表现出了明显的季节依赖, 而后一个时期内出现的GPS信号中断事件则出现了无季节特性的弥散状分布.该结果表明当Swarm星载接收机锁相环带宽调整至1.0 Hz时, 虽然提升了其应对电离层闪烁条件下多普勒频移的动态调整范围, 但同时也增加了接收机载波相位观测的热噪声, 进而导致接收机产生了一些随机的短时信号中断.除了上述不同, 两个时期内的GPS信号中断事件也表现出了一些共同特征, 比如信号中断事件主要均集中在GPS卫星相对于Swarm处于较低仰角(＜20°)的情况下; 同时这些事件主要发生在发射较早的Block ⅡR和Block ⅡA类型GPS卫星上, 暗示了随着发射年限的增加与星载设备的老化, GPS卫星的稳定性会逐渐降低.通过进一步对比分析Swarm卫星出现与未出现GPS信号中断轨道对应的原位电子密度观测数据, 发现GPS信号中断的轨道其对应的电子密度波动更剧烈, 表明背景等离子体密度的梯度强度是引起Swarm星载接收机在中纬地区出现GPS信号中断的重要原因.本文的研究结果对于星载接收机的设计优化, 特别是提升其在电离层闪烁条件下的稳定性有重要的参考意义.

     

中性风对夜侧电离层纬向四峰结构的影响（英文）

欧空局Swarm星座包含三颗飞行在不同地方时的卫星，其为研究夜侧电离层纬向四峰结构随时间的演化提供了很好的机会.在2017年1月31日夜间，Swarm A和C两颗并排飞行的卫星在黄昏前后（17:55/18:01地方时）的美洲扇区并没有观测到赤道电离异常的两个峰，而Swarm B卫星在约4.5小时后飞行于大致相同的经度扇区，并观测到夜侧电离层呈现出明显的纬向四峰结构.该观测证明了纬向四峰结构中靠近低纬的两个内峰不是黄昏前后赤道电离异常峰的残余.在该事件中，位于秘鲁的Jicamarca非相干散射雷达从黄昏至午夜观测到向下的等离子体垂直漂移速度，表明向上的等离子体漂移速度并不是引起夜间纬向四峰结构的必要条件；而位于Arecibo的法布里-珀罗干涉仪观测到中性风显示出东向和南向分量的增强，表明中性风对夜侧纬向四峰结构的形成有着重要作用. SAMI2模型的模拟结果与卫星、非相干散射雷达及法布里-珀罗干涉仪的观测一致.模拟结果显示夜侧东向与赤道向风为纬向四峰结构的形成提供了有利条件；但当赤道向风过大时，会导致背景电子密度出现显著半球不对称性，从而阻碍夜侧纬向四峰结构的发展.