[论文解读] Magnetospheric disturbances, and the GPS operation

É. L. Afraimovich, O. S. Lesyuta+1 more|ArXiv.org|Sep 6, 2000

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 13被引用 4

一句话总结

本研究通过分析全球GPS接收机网络中的相位跳变密度，调查地磁暴期间磁层扰动对GPS信号完整性的影晌。研究发现，地磁暴期间中纬度地区的相位跳变率增加一到两个数量级，朝阳侧卫星的相位跳变率高出5–10倍，且与导致信号散射的电离层不规则性密切相关。

ABSTRACT

We have investigated a dependence of the relative density of phase slips in the GPS navigation system on the disturbance level of the Earth's magnetosphere. The study is based on using Internet-available selected data from the global GPS network, with the simultaneously handled number of receiving stations ranging from 160 to 323. The analysis used four days from the period 1999-2000, with the values of the geomagnetic field disturbance index Dst from 0 to -300 nT. During strong magnetic storms, the relative density of phase slips on mid latitudes exceeds the one for magnetically quiet days by one-two orders of magnitude as a minimum, and reaches a few and (for some of the GPS satellites) even ten percent of the total density of observations. Furthermore, the level of phase slips for the GPS satellites located on the sunward side of the Earth was by a factor of 5-10 larger compared with the opposite side of the Earth. The high positive correlation of an increase in the density of phase slips and the intensity of ionospheric irregularities during geomagnetic disturbances as detected in this study points to the fact that the increase is slips is caused by the scattering of the GPS signal from ionospheric irregularities.

研究动机与目标

• 评估磁层扰动对GPS信号完整性的影响，特别是对导航解算中相位跳变的影响。
• 量化地磁活动水平（以Dst和Kp指数衡量）与全球GPS接收机网络中相位跳变密度之间的相关性。
• 研究地球磁层朝阳侧与背阳侧之间相位跳变发生的空间不对称性。
• 确定电离层不规则性是否为地磁暴期间相位跳变增加的主要原因。
• 评估这些效应对高精度GPS应用和全球监测系统的实际影响。

提出的方法

• 利用通过互联网获取的160–323个全球分布的接收机的实时GPS数据，经由GLOBDET全球检测系统进行处理。
• 测量L1-L2载波相位差中的相位跳变，其对信号退化比群延迟测量更敏感。
• 将相位跳变密度与地磁指数Dst（−300至0 nT）和Kp（2至9）相关联，以评估风暴强度的影响。
• 分析相位跳变在纬度和本地时间上的时空模式，比较平静与扰动的地磁条件。
• 利用双频GPS测量获得的总电子含量（TEC）数据，交叉验证电离层不规则性活动。
• 应用统计滤波和归一化方法，计算每个观测时段的相对相位跳变密度，实现跨站点和跨日比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着地磁扰动水平（Dst和Kp指数）升高，GPS系统中相位跳变的相对密度如何变化？
• RQ2 地球磁层的朝阳侧与背阳侧GPS卫星之间，相位跳变的发生是否存在空间不对称性？
• RQ3 在地磁暴期间，相位跳变的增加在多大程度上与电离层不规则性相关？
• RQ4 为何L1-L2相位跳变比仅L1相位测量对扰动更敏感？
• RQ5 电离层不规则性能否被确定为地磁暴期间导致相位跳变的主要物理机制？

主要发现

• 在强地磁暴期间，中纬度地区的相位跳变相对密度比平静日水平高出一到两个数量级。
• 在某些GPS卫星上，相位跳变密度在强烈风暴期间可达到总观测量的10%，表明存在严重的信号退化。
• 地球朝阳侧的GPS卫星相位跳变率比背阳侧高出5–10倍。
• 相位跳变密度与电离层不规则性强度之间存在强烈正相关，表明小尺度F2层不规则性引起的信号散射是主要原因。
• L1-L2相位跳变率显著高于仅L1的相位跳变，表明辅助频率（f₂ = 1227.60 MHz）的退化是主要驱动因素，因其发射功率较低。
• 相位跳变在赤道和极地纬度最为显著，中纬度的增加与风暴增强的不规则性向这些区域传播有关。