团队2021级博士生何蓉在一区SCI期刊《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》发表利用LEO导航增强观测估计底部电离层电子含量最新研究成果。
近年来低轨卫星星座的快速发展为低轨星座轨道高度以下的电离层探测带来了新的机遇。本文利用2023年4月1日至7日期间来自两颗CENTISPACE LEO卫星的导航增强信号，在中等太阳活动和安静地磁条件下，建立了区域底部电离层图（RBIM）。随后通过多种数据集对精度进行验证，包括基于地面GNSS观测构建的全球和区域电离层图（GIM和RIM），以及从LEO观测中获取的差分斜路径底部电子含量（dSBEC）。结果显示，通过网格法和多项式方法拟合的垂直底部电子含量（VBEC）残差均方根（RMS）达到1.2 TECU和0.7 TECU。通过dSBEC评估，RBIM的精度达到1.0 TECU。将RBIM的VBEC与GIM/RIM进行比较，RMS值大多在3-8 TECU范围内。更重要的是，RBIM的建立有助于分析VBEC在总电子含量中的比例变化。通过对一周的数据分析，发现VBEC在日间占比为84%，而夜间占比为56%，减少了33.3%，这一结果与国际参考电离层（IRI-2020）模型计算的5.3%相比更加真实，也与以往研究结果一致。本文研究结果表明，RBIM不仅有望能够在LEO导航增强定位中对电离层延迟进行改正，还可为电子含量的垂直分布提供重要的观测数据。
论文于近期以“LEO Navigation Augmentation Observations for Bottomside Ionospheric Electron Content Estimation: Results from Two CENTISPACE Satellites”为题，发表在SCI一区期刊《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》。整个工作由团队博士生何蓉在其导师李敏教授，以及团队李文文和张强副研究员指导下完成。该项研究受到了国家自然科学基金（42474032，42004020，42074032和42030109）课题资助。
论文主要内容
本研究采用中国区域站网络，收集了两颗CENTISPACE卫星播发的双频导航增强信号，并利用其计算电离层底部电子含量（BEC），分析了RBIM和BEC的占比。文章首先介绍了BEC的估计和RBIM的构建方法。其次详细描述了模型评估的方法，同时给出了针对导航增强信号的最优电离层高度的确定方法。最后介绍了建模结果以及两颗卫星的dSBEC精度、外部比较，交叉验证以及与COSMIC掩星结果的对比。在结论部分详细讨论了利用导航增强信号分析BEC的占比情况。
图1给出了2023年DOY 91天地面站dg03的VTEC以及在LEO卫星过境期间三个弧段中VBEC分布情况。由图可以看出，由IGSG计算的VTEC在第一、二弧段达到了70 TECU，而第三弧段的平均VTEC约为20 TECU，对应时段计算的VBEC与其在同一个量级。根据子图可以看出，除了第二弧段（高度角较低）外，其他弧段中不同方法计算的VBEC结果相近。
图1 2023年DOY 91在dg03站上由IGSG的VTEC序列（上图）。子图(a)到(f)表示利用ESAT1和ESAT2卫星数据通过不同策略计算的VBEC变化。
图2为构建的RBIM和外部产品Scaled-IGSG/Scaled-RIM的dSBEC精度情况。可以看出基于GNSS数据的Scaled-IGSG/Scaled-RIM产品的精度相当，而基于低轨卫星增强信号的RBIM可以实现优于1 TECU的精度。评估结果表明，基于LEO卫星估算VBEC的方法是准确的，且基于这些方法的RBIM能够提供可靠的斜路径BEC。
图2 2023年DOY 91天不同测站数据计算的dSBEC误差RMS分布情况。灰色阴影表示未用于构建RBIM的dg02测站的结果。图例中的数值表示用于建模站点（不含dg02站）的平均值
图3展示的是根据两颗卫星ESAT1和ESAT2计算的弧段1的VEBC分布情况，同时还给出了Scaled-IGSG/Scaled-RIM计算的VBEC分布及其差异。由图可以看出，尽管两颗卫星的穿刺点轨迹略有不同，但其VBEC表现出一致的模式，变化范围在50-70 TECU之间，与Scaled-IGSG和Scaled-RIM的结果接近。相对于Scaled-IGSG/Scaled-RIM，LEO计算的VBEC整体上出现了负//正偏差，可能归因于两种模型使用的不同数据集。此外，还可能源于计算Scaled-IGSG/Scaled-RIM是引入的比例因子。总体而言，RBIM估算与GIM和RIM结果的整体一致性在3-7 TECU左右。
图3 2023年DOY 91天弧段1中ESAT1和ESAT2估计得到的VBEC与Scaled-IGSG/Scaled-RIM计算得到的VEBC分布比较。第一、二列展示基于网格估算的VBEC结果，第三、四列为多项式模型的结果
图4比较了两颗卫星对相同网格估算的VBEC。图例中的数值表示以卫星ESAT1估算的VBEC为参考二者差异的RMS值。弧段3的VBEC远低于弧段1和2，这可归因于电离层的特性。弧段1和2分别对应当地时12:00和13:00，而弧段3对应次日的3:00。RMS误差与VBEC均值的比值在弧段1、2和3上分别为6.75%、3.03%和7.05%。结果表明，两颗卫星估算的VBEC具有一致性，差异为5.61%。
由于COSMIC-2卫星的工作高度与CENTISPACE LEO卫星接近。因此本文采用与RBIM重合的COSMIC-2掩星（RO）事件进行对比，以实现可靠的外部验证。图5展示了RO观测的切点位置及所选掩星事件的电子密度剖面，三列分别对应弧段1-3。采用导航增强观测计算得到的弧段1-3的平均VBEC分别为56.25、62.83和11.76 TECU。对于三次匹配的RO事件，它们与RBIM模型的TEC差值分别为7.77、2.22和2.76 TECU。考虑到掩星事件和LEO观测之间的时间和空间差异，另外COSMIC-2卫星轨道高度较CENTISPACE卫星低约150公里，且所有所选RO事件的电子密度剖面均截断于约550公里，可以认为：基于导航增强信号建立的RBIM与COSMIC RO结果具有良好的一致性。
图4 两颗CENTISPACE卫星穿过相同格网时对比分析（2023年 DOY 91）
图5 COSMIC-2卫星掩星事件近地点位置和电子密度剖面图（2023年DOY 91）。(a)-(c)分别给出了弧段1-3对应掩星事件的近地点位置。红色菱形表示最大电子密度位置。(d)-(f)为电子密度分布，图左上角TEC表示电子密度沿高度积分的结果
图6 展示了LEO卫星ESAT2在弧段1、3上VBEC、VTEC和由两种方法计算的VBEC占比分布情况。由图可以看出，IRI-2020模型在网格上的比例值集中在约0.86，均值为0.83。其在弧段3（夜间）有所下降，约为0.82，而LEO观测得出的比例降至0.53。与弧段1的比例相比，IRI和LEO的下降率分别为4.65%和35.36%。图7给出了2023年DOY 91至97天一周时间内所有可用弧段内由ESAT2计算的VBEC比值，日间弧段和夜间弧段是根据弧段的当地时来区分的。基于LEO和IRI的日间VBEC比例是吻合的，稳定在约0.85，平均值分别为0.84和0.86。然而，夜间轨道在两组结果中表现出显著差异。IRI的夜间比例变化较为稳定，平均值与白天比例相似，为0.82。而LEO的夜间比例显著较低，变化范围在0.4至0.8之间，平均值降至0.56。整体统计中，IRI和LEO的夜间VBEC比例分别下降5.3%和33.3%。这与先前基于其他技术的研究结论是一致的。
图6 2023年DOY 91天弧段1和弧段3对应位置的VBEC，VTEC，由IRI-2020计算的VBEC比值和由ESAT2计算的比值分布情况。(a)和(e)分别由ESAT2在弧段1和弧段3估算的VBECs。(b)和(f)是由IGSG计算的VTECs。(c)和(g)是由IRI-2020模型计算的VBEC比值。(d)和(h)是由ESAT2估计的VBEC除以VTEC得到的比值
图7 2023年DOY 91-97天内所有可用弧段内分别由IRI-2020和ESAT2计算的比值序列。日间和夜间弧段的划分由各弧段发生时的当地时决定。
结论
本研究利用CENTISPACE LEO卫星双频导航增强信号，基于载波平滑伪距方法提取了BEC，随后构建了区域底部电离层图（RBIM），在此基础上本文还评估了构建的RBIM的准确性。
本文根据最小投影函数误差和VBEC对比的方法，确定了针对LEO导航增强信号的最优电离层高度为350 km。基于2023年DOY 91天的数据，根据dSBEC评估表明基于多项式模型的RBIM能够实现优于1 TECU的精度。通过将RBIM和GIM/RIM中的VBEC进行比较，发现其差异的RMS值在3-8 TECU范围内。借助两颗LEO卫星相邻的轨迹，对ESAT1和ESAT2经过相同网格的VBEC进行比较，结果表明两颗卫星估算的VBEC是一致的，差异约为5.61%。与COSMIC-2 掩星结果的比较表明，基于LEO数据估计的VBEC与匹配的RO事件具有较好的一致性，弧段1至3的差异分别为7.77、2.22和2.76 TECU。
此外，构建的RBIM使得分析底部电子含量的分布变化成为可能。LEO观测计算的BEC占比呈现出在夜间下降36.9%的现象，其中当地正午时间的VBEC比例为83%，午夜时间为52%，而采用经验模型计算的下降幅度为5.1%。
本研究表明，根据低轨卫星导航增强数据计算VBEC的方法是可靠的，构建RBIM可以提供准确的斜路径BEC。然而，当前能够接收LEO增强信号的地面站数量有限，随着更多LEO卫星的部署，RBIM的精度也将得到提高。
论文信息：
Li Min, He Rong, Yang Long, Li Wenwen*, Zhang Qiang*, Qin Yanan, Chang Chuntao, Zhao Qile, “LEO Navigation Augmentation Observations for Bottomside Ionosphere Electron Content Estimation: Results from Two CENTISPACE Satellites” IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2024. DOI: 10.1109/TGRS.2024.3467331.
