电离层无线电掩星探测与空间天气应用成果与展望

众所周知,GNSS(全球导航卫星系统)信号在从发射机传送到接收机的过程中,会受到弥散电离层的影响。电离层的影响是一个误差源,通常在基于地面的GNSS导航应用和从RO (无线电掩星)调查。然而,反渗透测深和基于地面的GNSS观测也可用于监测电离层和等离子层的特征。1988年首次提出了用于电离层层析成像的反渗透测深方法(Austen et al. 1988)。GPS/MET任务进行了探测的第一次演示。许多其他RO任务(奥斯特、CHAMP、SAC-C和GRACE)也将电离层探测纳入了他们的任务目标。IOX(电离层掩星实验)是PICOSat卫星上的专用电离层反渗透仪器。正在进行的FORMOSAT-3/COSMIC任务在任务的前14个月已经提供了超过80万次电离层探测。GNSS探测产生的新数据在地球大气和电离层的无线电科学方面取得了重大进展。全球覆盖和持续的数据生成使新型服务能够以近实时(NRT)方式提供关于电离层状态的信息。GNSS观测的一些新兴应用包括区域高分辨率电离层层析成像以及监测和预测电离层闪烁。 This paper gives an overview of the scientific achievements with the ionospheric RO soundings from the past and from the current RO missions, and discusses the prospects of the GNSS "space weather" applications in the near future.

芬兰气象研究所,赫尔辛基,芬兰(电子邮件保护)

1介绍

“空间天气”是太阳风对100公里以上地球电离层和磁层的电磁环境和粒子环境造成的变化的总称。空间天气效应也可能影响100公里以下的下层电离层,例如在质子事件期间,造成极帽吸收和上层的变化大气化学.太空天气是由太阳驱动的。因此,空间天气引起的扰动也遵循11年的太阳活动周期。目前太阳活动(太阳黑子的数量)非常低,也就是说,我们正处于太阳活动极小期。下一次太阳活动极大期预计发生在2011/2012年。目前,我们还不能可靠地预测下一次太阳活动极大期是比2001年的上一次太阳活动极大期强还是弱。由第24太阳活动周期预测小组发布的官方预测可从国家海洋和大气管理局)空间天气预报中心网页(http://www.swpc.noaa.gov /第24 SC24 / index . html)。

空间天气在许多方面影响着人类活动。最明显的危险当然是太阳辐射和带电粒子对地球轨道卫星或星际飞船的破坏。在太空飞行过程中,辐射和粒子也会危及人类的健康。在地球磁层之外,即在前往月球或其他行星的航天器中,来自太阳辐射和粒子的危险要大得多。空间天气还可以通过电磁感应破坏地球上的地面系统。空间天气事件还会干扰极地地区的高频和甚高频无线电通信,增加高空飞行飞机机组人员的辐射剂量,从而给商业航空造成问题。

COST 724行动的最终报告将“空间天气”定义为:空间天气是自然空间环境的物理和现象学状态。相关学科的目标是通过观察、监测、分析和模拟,了解和预测太阳的状态、行星际和行星环境以及影响它们的太阳和非太阳驱动的扰动;同时也能预测和预测对生物和技术系统可能产生的影响(http://cost724.obs.ujf-grenoble.fr/).行星电离层和行星际等离子体的反渗透探测非常符合这一定义的观测和监测方面。本文的重点是对地球电离层的观测。

电离层RO测深的历史

1962年,斯坦福大学的一个小组提出了第一个与反渗透电离层探测相关的建议。这项建议的目标是研究星际带电粒子和等离子体与水手号探测器发射的无线电信号。另一个测量方案是由一个小组独立提出的

喷气推进实验室(JPL)于1963年(Kliore等人,1964年)。这两项提议的结果是为NASA水手3号和水手4号任务建立了一个合作实验小组。JPL和斯坦福大学之间的合作持续了20多年,将“无线电科学”作为一种行星探索技术。墨尔本等人(1994)介绍了RO测深早期更详细的历史。

1988年首次采用GNSS观测探测地球电离层。电离层探测结果被包括在Gunnar Lindal博士在为NASA地球观测系统(EOS)准备仪器建议的框架中撰写的备忘录中(Lindal 1988)。几乎同时发表了一篇设想电离层层析成像与地球卫星链路的多次观测的论文(Austen et al. 1988)。尽管由于NASA项目计划的改变而出现了一些挫折,但这两份出版物导致了一系列促进反渗透测深的出版物和建议(例如,Yunck等,1988;Yunck和墨尔本1989;Melbourne et al. 1994)。

第一个RO演示任务的起点是由美国国家科学基金会(NSF)的一个小组提交的提案大学大气研究公司(UCAR)。在NSF的支持和美国的共同赞助下美国国家海洋和大气管理局美国联邦航空管理局和轨道科学公司,GPS/MET任务初始化。1995年4月,美国航空航天局的MicroLab 1号宇宙飞船发射了GPS/MET仪器。

Yunck等人(2000)描述了RO探测中性大气的历史和GPS/MET任务等许多细节。值得注意的是,电离层探测从RO开始就已纳入任务计划。GPS/MET任务已经包括专门的电离层测量活动,例如1996年10月和1997年1月。电离层探测在后来的反渗透任务如CHAMP、SAC-C和GRACE中进行了更连续的执行。目前正在进行的多卫星FORMOSAT-3/COSMIC任务自然提供了最全面的电离层探测数据。

表1列出了过去的反渗透卫星任务及其状况。应该指出的是,奥斯特卫星和太阳卫星的反渗透接收器都有严重的技术问题,产生的有用数据很少(但这两个任务在其他目标方面都非常成功)。UCAR(大学大气研究公司)和喷气推进实验室都有他们参与的RO任务的档案数据。注册的科学用户可以免费获得这些数据。UCAR数据档案的名称是CDAAC (COSMIC data Analysis and archive Center),可以通过互联网(http://cosmic-io.cosmic.ucar.edu/cdaac/index.html)访问。喷气推进实验室的RO数据档案被称为GENESIS(全球环境与地球科学信息系统),也可以通过互联网(http://genesis.jpl.nasa.gov/zope/GENESIS).GRAS仪器的数据通过NRT传播给EUMETSAT用户群体。科学用户也可透过EUMETSAT UMARF(统一气象档案设施)服务(http://www.eumetsat.int/).

表1反渗透卫星任务

推出一年

任务

状态

1995

GPS /见过

退役

1999

奥斯特

退役

1999

SUNSAT

退役

2000

冠军

活跃的

2000

SAC-C

活跃的

2001

PICOSat IOX

退役

2002

格蕾丝

活跃的

2006

FORMOSAT-3 /宇宙

活跃的

2006

EPS肝

活跃的

2007

terrasar - x

调试阶段

3成就

电离层RO测深的成果自然包括对行星际等离子体和行星体电离层的所有观测。无线电科学的一些早期成就已经在第2节中提到。利用反渗透探测来监测行星电离层的做法远未结束。例如,Hinson等人(2007)最近发表了观测火星中性大气的新结果,Hausler等人(2006)发表了金星快车飞船上的金星快车无线电科学实验(VeRa)的结果。反渗透测深也被用于观测太阳风中等离子体湍流的特征(例如,Chashei et al. 2005)。

本节介绍电离层反渗透测深在监测地球电离层和等离子层方面所取得的成就。本讨论还包括利用地面GNSS观测监测电离层,因为将这两种观测结合起来通常是必要的,或至少是有用的。组合数据提供了更好的覆盖范围,并可能提供更好的分辨率,例如在电离层断层扫描中。

对地球反渗透科学的成功作出重大贡献的一个方面是大多数反渗透任务所采用的开源数据政策。这一政策是由GPS/MET实验开始的。整个科学界有机会访问和“利用”GPS/MET数据是任务成功的一个重要因素。毫无疑问,在研究项目中使用GPS/MET数据的可能性也引发了不少新的科学事业。

3.1电离层RO科学

电离层反渗透测深的基本应用显然是测量垂直电子密度剖面的可能性。这种测量与中性大气的RO测深有相同的优点和缺点。电离层反渗透测深提供的垂直分辨率原则上是非常高的。然而,检索到的TEC(总电子含量)值表示在很长的水平传播路径上的电子含量的积分。在中性大气中,大气折射率的压力依赖性使得测量时间序列的垂直剖面反演相对容易。在电离层的情况下,可以使用球面对称假设将测量到的TEC反演为垂直电子密度剖面(Lei et al. 2007)。然而,在水平电子密度梯度的存在下,这种技术将只产生真实剖面的近似值。的附加信息水平结构将电离层的影响考虑在内使反演变得更加复杂。在这种情况下,反演需要使用背景电子密度模型(例如,Heise et al. 2002;Jakowski等,2002;Stolle et al. 2004)。从CHAMP测深中获得的电子密度和等离子体频率剖面的示例如图1所示。图2提供了CHAMP RO测深和配置的离子探空观测的电子密度反演相互比较的例子。

许多RO任务使用GNSS观测进行精确定轨(POD)。由于POD的数据应该尽可能不受大气干扰,这些测量通常是对航天器天顶的方向进行的。这为监测电离层和大气提供了另一种可能性

Energija Vezivanja
图1 2007年12月10日CHAMP测深的电子密度和等离子体频率谱图。图片由DLR项目空间天气应用中心-电离层提供
电离层断层扫描
图2 CHAMP测深和离子探空测量的电子密度剖面对比。图片由UCAR/CDAAC提供

等离子体层。天顶GNSS观测可用于计算航天器上方的TEC,也可同化为电离层层析成像的电子密度模型。

电离层层析成像是GNSS发展带来的一个重要研究领域。GNSS观测的最显著优势是观测的全球覆盖和连续性。例如,IGS(国际GNSS服务)的观测站网络提供全球GPS跟踪数据,采样间隔最小为30秒(Dow et al. 2005)。许多IGS站目前也提供1hz采样的观测数据。许多小组和研究所使用IGS观测资料来检索全球TEC估价值。此外,可透过IGS网站(http://igscb.jpl.nasa.gov/)包括全球TEC地图。然而,高分辨率电离层层析成像仅使用地面观测是困难的。一种可能的方法是将星载反渗透测深与地面观测相结合(例如,Jakowski等,2002;Mandrake et al. 2004)。通过使用密集的区域GNSS网络,可以显著提高电离层层析成像的水平分辨率(例如,Luntama等,2007年)。将密集区域网络的地面观测与星载反渗透探测相结合的研究正在进行中。

除电离层电子分布剖面外,利用电离层反渗透测深的新创新也不断出现。新思想的一个例子是,通过监测来自反渗透测深的振幅数据来检测零星的e层(Viehweg等人,2007年)。另一个有趣的新领域是“GNSS反射测量”。利用反射GNSS信号来确定风速在海洋上空和海洋表面测高已经用真实的RO数据证明(Beyerle等人,2002年;Gleason et al. 2005;Yunck and Hajj 2005)。Pallares等人(2005)也提出利用反射GNSS信号测量电离层中的电子密度分布。

电离层反渗透探测产生重大影响的另一个领域是电离层模型的发展。其中一个原因是,GNSS应用还需要电离层模型的支持,以减轻基于单频GNSS接收机的导航应用中电离层造成的误差。不断发展的电离层“气候学”模型,如IRI(国际参考电离层)、NeQuick和GIM(全球电离层测绘),可能对单频GNSS应用非常有用。所有这些模型也可以用基于观测的输入参数来驱动。这意味着这些模型可用于将观测到的电离层特征传递给全球或区域用户。

GNSS观测也推动了数据同化电离层模型的发展。基本需要是将地面和星载GNSS观测与其他类型的观测结合起来的可行性。基于物理模型的开发仍在进行中,但有些模型已经相当先进了。美国正在开发的两个模型都被称为GAIM(全球同化电离层测量)。一个GAIM模型由喷气推进实验室/南加州大学开发(Wang et al. 2004),另一个由犹他州立大学开发(Schunk et al. 2004)。数据同化中使用的另一个模型是参数电离层模型(PIM)(例如,Daniell等人,1995年;Stankov et al. 2007)。

对电离层闪烁的观测是一个用反渗透测深还没有得到很多解决的领域。其中一个原因是闪烁特性的测量不容易,而且星载反渗透接收机还没有为此目的专门设计。分析了CHAMP反渗透测深的振幅变化,并将其与卫星通信链路中的闪烁观测进行了比较(例如,Wickert等人,2004年)。最近,Starks等人(2007)在AGU 2007联合大会上提出了COSMIC任务闪烁监测的新结果。

3.2运营服务

操作空间天气服务是电离层反渗透探测逐渐产生影响的一个领域(见表2)。很明显,对太阳的星载观测是NOAA SWPC(空间天气预测中心)等服务的主要信息来源。然而,GNSS观测能够监测太阳活动对地球的影响

表2空间天气服务示例名称Web地址

空间天气预报中心http://www.swpc.noaa.gov/

欧空局空间天气网络服务器http://esa-spaceweather.net/

空间天气应用http://w3swaci.dlr.de/

中心-电离层)

欧洲轨道测定中心http://cmslive2.unibe.ch/unibe/philnat/

aiub /内容/研究/ gnss /

code___research /索引^ eng.html

喷气推进实验室http://iono.jpl.nasa.gov/

无线电传播计划http://wdc.nict.go.jp/IONO/index_E.html

实时的电离层。这是非常重要的,因为电离层条件影响到卫星应用,如电信和卫星导航。利用GNSS观测资料预测电离层风暴和闪烁的研究正在进行中。

大多数业务或半业务电离层监测服务集中于监测过渡时期行政委员会。伯尔尼大学的CODE和DLR的SWACI (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt)等许多服务通过其门户网站提供NRT TEC地图。图3 (a)和(b)分别展示了CODE服务提供的全球TEC图和SWACI服务提供的欧洲TEC图。SWACI服务还提供TEC误差估计、TEC纬度和经度梯度以及TEC变化率的地图。SWACI还在制作电离层的三维地图

德国空间天气应用中心
图3 (a)伯尔尼大学CODE服务制作的全球NRT TEC地图。(b)由DLR的SWACI服务提供的TEC欧洲地图。图片由伯尔尼大学和DLR项目空间天气应用中心-电离层提供

和等离子层电子密度。这项活动是基于将星载电离层GNSS观测与PIM模型相结合(Heise等人,2002年)。

4未来展望

RO科学的未来看起来很有希望——至少从信号源的角度来看是这样。全球导航卫星系统(GNSS)正在扩展三个新的卫星星座。俄罗斯正在逐步升级GLONASS系统,使其拥有21颗现役卫星和3颗在轨备用卫星。中国正在快速发展指南针导航卫星系统,将包括30颗MEO(中地球轨道)卫星和5颗GEO(地球同步轨道)卫星。最后,欧盟最近就全面部署伽利略卫星星座的最终资金达成一致,该卫星星座包括27颗运行卫星和3颗在轨备用卫星。当所有四颗卫星系统全面运作后,反渗透卫星团体将能够享受由100多颗卫星发射适合反渗透测深信号的环境。当然,这只有在所有全球导航卫星系统都向民用开放的情况下才可行。

众多的GNSS星座自然也带来了挑战。星载反渗透接收机应设计成利用所有GNSS星座。至少这样可以最大限度地增加每个接收器的观测次数。然而,目前尚不清楚兼容性是否足以允许设计可以使用所有未来GNSS卫星的星载接收机。

对RO社区来说,另一个有希望的迹象是来自NWP用户的非常积极的信号。将CHAMP和COSMIC观测同化到NWP模型中的结果非常有希望(Healy et al. 2005;希利和Thepaut 2006;Luntama et al. 2008)。这一成功的一个结果是,EUMETSAT用户社区在Post-EPS候选任务评估中给予了RO探测很高的排名。这是一个非常有力的信息,支持了反渗透探测在EUMETSAT任务框架中的连续性。但是,电离层用户群体应确保在RO任务规划中适当考虑到他们的要求。EPS GRAS任务表明,设计一个为NWP用户提供优质服务的任务是可能的,但对电离层用户社区的服务却很少(Luntama 2005)。

区域电离层层析成像的最新结果表明,需要RO测深来支持地面观测(例如,Luntama等,2007年)。即使是密集的地面GNSS网络也不能提供足够的观测资料,以获得高垂直分辨率的电子密度图。不幸的是,目前通过区域层析成像网格进行的反渗透探测数量每天仅限于几次观测。大量的GNSS卫星和RO卫星星座将大大增加这一数字。

可以相当有把握地假设,在不久的将来对电离层监测信息的需要将会增加。第一个原因是目前太阳活动处于最低点(http://www.swpc.noaa.gov/SWN/index.html).随着未来4-5年太阳活动的增加,可以预期由太阳活动引起的干扰,例如卫星通信链路将会增加。人们对电离层信息越来越感兴趣的第二个原因是全球导航卫星系统的应用和用户越来越多。特别是单频GNSS接收机的用户将注意到太阳活动的增加导致定位精度下降和导航问题的增加。这一用户群体将受益于提供实时用户警告和电离层预报退化导航条件的服务。高精度或安全关键的GNSS应用的专业用户几乎肯定需要关于导航性能可能因电离层扰动而下降的时刻的精确和可靠的信息。即使使用多频率GNSS接收机和导航增强系统,如EGNOS(欧洲地球同步导航覆盖服务)和WAAS(广域增强系统),电离层闪烁等瞬态问题也可能导致GNSS信号暂时完全丢失。

上述服务已经表明了在不久的将来电离层RO探测的潜在前景。作战应用将需要高精度和接近实时的数据处理和传播。这些要求实际上与今天应用于NWP系统的要求相同。因此,结论之一是,空间天气观测数据的收集、归档和传播应按照气象观测数据的组织方式进行。这意味着运营组织应执行基线卫星任务,并负责数据传播。对于某些观测来说,这已经是事实(例如,GOES卫星上的空间天气仪器和Metop系列卫星上最近的SEM(空间环境监测)仪器包)。对于电离层反渗透测深,测量的连续性不是很确定。目前计划了一些RO任务(ROSA, GOCE, KOMPSAT-5, Post-EPS),但不确定电离层探测是否包括在任务计划中。协调潜在的下一代反渗透探测任务(例如,ATOMMS, ACCURATE, CICERO, COSMIC-2, CHAMP-2,…)对于提高高分辨率区域电离层成像应用的时间和空间覆盖也非常重要。

未来RO测深的另一个巨大挑战将是数据政策。迄今为止,大多数RO任务采用的开源数据政策非常成功。目前尚不清楚未来是否可以继续采用同样的方法,届时操作用户将成为RO用户社区的很大一部分。问题是,总会有一部分用户群体(科学用户)无法支付观测费用。目前的趋势似乎是,例如,在气象观测中,原始数据应该免费提供给用户。因此,未来RO任务的数据政策应该非常仔细地考虑。

电离层RO测深仍存在许多科学难题。第一个挑战是监测引起电离层闪烁的局部等离子体气泡。小尺度结构的探测很可能需要结合反渗透探测、地面GNSS观测和其他类型的观测。可能还需要调整反渗透接收器的特性,以提高其闪烁测量能力。将全球导航卫星系统观测与其他类型的观测相结合将需要发展数据同化技术。结合不同类型的观测很可能还需要发展基于物理的电离层和磁层模型。这可能是为空间天气应用开发更准确的临近预报和预测技术的最佳途径。对于电离层RO探测界来说,这意味着与传统空间天气界密切合作,将电离层事件的起源追溯到源头,即太阳。

临近预报的一个特殊挑战是观测结果必须以非常小的延迟(通常为5-15分钟)传播给用户。这将使任务地面部分的设计和执行要求更高。

5的结论

RO科学在监测地球大气层和电离层方面的短暂历史令人印象深刻。行星RO科学的经验很可能促成了这一点。无论如何,RO科学和基础设施都在相当短的时间内取得了巨大的进步。令人印象深刻的是,在过去的12年里,已经完成了10个RO任务。

RO的未来看起来一片光明。GNSS越来越大,越来越好。因此,信号源的缺乏至少不应该成为未来RO任务的一个问题。下一代GNSS卫星的第三个频率可能进一步提高电离层探测的精度。然而,许多挑战与GNSS的发展有关。不同GNSS元件的兼容性可能成为一个问题,特别是与星载仪器。政治和法律限制在未来也可能变得更加重要。

在气象应用中,反渗透已成熟成为NWP用户所需的基线观测之一。这方面的一个很好的迹象是,气象用户在EUMETSAT后eps候选任务的排名中对反渗透探测给予了很高的地位。这对电离层测深的用户来说也是一个好消息,因为两种测深都可以用同一台仪器进行。电离层用户社区的任务就是确保在RO任务规划中考虑到他们的需求。

电离层反渗透测深的应用很可能变得更具操作性,并需要NRT传播数据和产品。这将为电离层探测任务带来更多挑战。任务规划、数据处理和数据存档方面的协调将非常重要。此外,还必须组织科学用户对存档数据的访问。这些挑战与数据政策问题有关。RO科学过去的成功在很大程度上是基于大多数RO任务所采用的开源数据政策。至少为了科学地使用数据,这一政策应该继续下去。对于商业应用程序,必须非常仔细地考虑数据策略。

最后,空间机构在不久的将来的一个重要活动领域是“空间态势认识”。这意味着能够监控近地空间发生的事情。例如,在卫星故障的情况下,太空机构将想知道故障是由自然事件、太空碎片引起的,还是由某人故意造成的。临近预报和空间天气预报将是这项活动的一个方面。电离层反渗透探测肯定会成为空间天气预报所需的观测系统的一部分。将反渗透探测与其他类型的空间天气观测相结合,将需要开发数据同化系统,很可能还需要基于物理的电离层和磁层模型。这些活动将需要RO和其他空间天气科学界之间的密切合作。与NWP社区的联系当然也有助于从他们在发展数据同化系统方面的长期经验中获益。

参考文献

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继续阅读:利用光谱分析验证高分辨率温度廓线的GOMOSEnvisat

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读者的问题

  • KACY
    为什么电离层很重要?
    3个月前
  • 电离层很重要,因为它在地球的气候和大气中起着至关重要的作用。raybet雷竞技最新它就像一个隐形的盾牌,吸收了来自太阳的大部分有害紫外线辐射,并使来自太空的危险宇宙辐射偏转或散射。它还能反射、折射和吸收无线电波和其他形式的电磁辐射,从而实现远距离无线电和电视通信。此外,电离层在极光的形成中起着关键作用,极光是夜空中壮观的灯光展示。