23-EFT.WP.Metrology.PathCorrection v1.0 | 第6章 电离层延迟（TEC/双频）

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第6章 电离层延迟（TEC/双频）

一句话目标：以 TEC 为核心变量，建立一阶 1/f^2 色散模型与双频消电离组合，给出从 VTEC 到 STEC 的映射、时延正负号规则与合规模板，并落盘 manifest.path.iono.*。

I. 范围与对象

1. 输入
   • 频率与观测：f 或 {f1,f2}, P(f) 伪距（m），L(f) 载波相位等效距离（m）。
   • 场与映射：TEC 源（VTEC/STEC/GIM 网格），mapping ∈ {thin_shell, GIM, NeQuick, 3D}。
   • 几何与时间：gamma(ell) 或 los，elev 仰角，ts 时间戳，phi,H 站点信息。
   • 参考：RefCond（TEC 数据源、更新周期、空间分辨率、h_iono）。
2. 输出
   • 一阶电离层时延：T_iono_group(f)，T_iono_phase(f)，以及斜路径长度量 SLD(f)（m）。
   • 双频组合：电离层自由观测 obs_if，STEC_hat 估计及不确定度。
3. 适用范围与边界
   常用微波测距频段 f ∈ [1, 30] GHz，避开强吸收线；强扰动与暴风情形需标签化并可选二阶项。

II. 名词与变量

• TEC：沿路径电子总含量，unit(TEC) = "el/m^2"；1 TECU = 1e16 el/m^2。
• VTEC：天顶方向 TEC，unit = "el/m^2"；STEC：斜路径 TEC。
• M_iono(elev)：从 VTEC 到 STEC 的映射函数，unit = "1"。
• K_iono：一阶电离层常数，数值采用兼容制使 SLD = ( K_iono * STEC / f^2 ) 得到米，unit(K_iono) 与 TEC,f 的单位相容。
• SLD(f)：电离层导致的等效路径长度变化（m）。
• T_iono_group = + SLD / c_ref，T_iono_phase = - SLD / c_ref，unit = "s"，dim = "[T]"。
• DCB_rx, DCB_tx：接收机与发射端差分码偏差，unit = "m" 或 "s"，见 Instrument 卷。
• h_iono：薄壳高度，unit = "m"；Re 地球平均半径，unit = "m"。

III. 公设 P806-*

• P806-1（等离子体一阶公设） 在冷、弱碰撞等离子体近似下，电离层对相位为“超前”、对群为“滞后”，且一阶色散为 ∝ 1/f^2。
• P806-2（映射公设） 存在单调、几何可解释的 M_iono(elev)，使 STEC = M_iono(elev) * VTEC，并满足 d M_iono / d elev ≤ 0。
• P806-3（双频公设） 若 {f1,f2} 可用，则存在线性组合消除一阶电离层项，残余包含二阶项、DCB 与噪声。
• P806-4（路径积分公设） TEC = ( ∫_{gamma ∩ iono} N_e d ell )，N_e 为电子数密度；T_iono 的两口径计算必须并行与落盘 delta_form。
• P806-5（合规模块） TEC 的数据源、时空分辨率与更新周期属于强制记录字段，缺失时必须降级或回退。
• P806-6（二阶项标注） 磁暴或高纬强扰动时应打开 O(1/f^3, 1/f^4) 二阶修正开关并打标签，不得默默应用。

IV. 最小方程 S806-*

• S806-1（一阶折射率与路径量）
  n_phi(f) ≈ 1 - ( K_iono' * N_e / f^2 )，n_g(f) ≈ 1 + ( K_iono' * N_e / f^2 )。
  沿路径积分后得到长度量
  SLD(f) = ( K_iono * STEC / f^2 )，
  进而
  T_iono_group(f) = + ( SLD / c_ref )，T_iono_phase(f) = - ( SLD / c_ref )。
  check_dim( SLD ) = "[L]"，check_dim( T_iono_* ) = "[T]"。
• S806-2（薄壳映射函数，几何形）
  令 z = pi/2 - elev，psi = arcsin( ( Re / ( Re + h_iono ) ) * cos(elev) )，
  M_iono(elev) = 1 / cos( psi ) = 1 / sqrt( 1 - ( ( Re * cos(elev) / ( Re + h_iono ) )^2 ) )。
  STEC = M_iono * VTEC。
• S806-3（双频电离层自由组合）
  对任一同向同历元观测 R(f) ∈ {P(f), L(f)}（单位 m），定义
  obs_if = ( f1^2 * R(f1) - f2^2 * R(f2) ) / ( f1^2 - f2^2 )。
  则一阶电离层项在 obs_if 中抵消，保留几何、钟差与噪声项。
  号别规则：R = P 取伪距，R = L 取相位等效距离（相位需先乘以 lambda）。
• S806-4（由双频差解 STEC）
  记 ΔR = R(f2) - R(f1)，则
  STEC_hat = ( f1^2 * f2^2 / ( K_iono * ( f1^2 - f2^2 ) ) ) * sgn(R) * ( ΔR - DCB_rx - DCB_tx )，
  其中 sgn(P) = +1，sgn(L) = -1。
  若 ΔR 混合了 P 与 L，需各自应用对应 sgn 与偏差模型。
• S806-5（两口径一致性项）
  T_iono(f) = ( 1 / c_ref ) * ( ∫_{iono} ( n_eff - 1 ) d ell ) 与
  T_iono(f) = ( ∫_{iono} ( ( n_eff - 1 ) / c_ref ) d ell ) 数值等价，
  以 delta_form 监控实现一致性与积分误差。
• S806-6（二阶修正占位，选用）
  当策略触发时，可加入 T_iono^(2) 的 ∝ 1/f^3 与 ∝ 1/f^4 项，涉及 B_parallel 与电子密度梯度；实现细节由 I80-62 绑定并标签化输出。

V. 计量流程 M80-6

• 就绪：获取 {f 或 f1,f2} 与观测 P,L，同步到 tau_mono；拉取 TEC 源或 GIM 网格并插值到 IPP。
• 映射：实例化 M_iono(elev)（给定 Re,h_iono 或模型参数），由 VTEC → STEC。
• 一阶解算：计算 SLD(f) = K_iono * STEC / f^2，得到 T_iono_group, T_iono_phase。
• 双频与偏差：若 {f1,f2} 可用，先估 DCB_rx, DCB_tx（见 Instrument 卷），再用 S806-4 得 STEC_hat 与 u(STEC_hat)。
• 校核：计算 delta_form 与物理边界断言；检查 sgn(P/L) 是否一致，异常打标签。
• 落盘：输出 manifest.path.iono = { T_iono_group(f), T_iono_phase(f), SLD(f), STEC, VTEC, M_iono, model, RefCond, DCB, u/U, delta_form, tags }。
• 监测：维护 TEC_bias、map_residual 与 storm_flag 指标，驱动二阶开关与 guardband。

VI. 契约与断言（C80-61x）

• C80-611 数据新鲜度：age(TEC) ≤ Delta_t，建议默认 Delta_t ≤ 15 min，超过则降级或回退。
• C80-612 几何边界：elev ≥ elev_min（默认 5°），低于下限需射线追迹或提高不确定度。
• C80-613 物理范围：VTEC ≥ 0，STEC ≥ VTEC，M_iono ≥ 1 且单调。
• C80-614 符号一致：T_iono_group ≥ 0，T_iono_phase ≤ 0，若不满足则标注 sign_mismatch。
• C80-615 双频有效：|f1 - f2| / min(f1,f2) ≥ r_min（建议 r_min = 0.1），否则组合病态。
• C80-616 偏差披露：DCB_rx, DCB_tx 必须显式落盘；缺失时 STEC_hat 标记 dcb_unmodeled 并上调 u。
• C80-617 两口径差：delta_form ≤ tol_Tarr（建议 ≤ 0.05 ns，按系统 SLO 配置）。
• C80-618 风暴与高纬：当 storm_flag = true 时，开启 T_iono^(2)，并在 contracts.* 记录策略与参数。
• C80-619 量纲一致：check_dim( SLD ) = "[L]"，check_dim( T_iono_* ) = "[T]"。

VII. 实现绑定 I80-*

• I80-61 model_ionosphere(TEC, f, mapping) -> { T_iono_group, T_iono_phase, SLD, meta:{RefCond, mapping, h_iono}, qc:{u, delta_form}, tags }
  不变量：T_iono_group ≥ 0，T_iono_phase ≤ 0，delta_form ≤ tol_Tarr。
• I80-62 estimate_TEC_dualfreq(P1,P2,L1,L2,f1,f2,DCB,policy) -> { STEC_hat, u, tags }
• I80-63 map_VTEC_to_STEC(VTEC, elev, Re, h_iono, model) -> { STEC, M_iono }
• I80-64 apply_ionofree(obs1,obs2,f1,f2) -> obs_if
• I80-65 assert_iono_contracts(payload, rules) -> report
• I80-66 emit_path_manifest_iono(payload, policy) -> manifest.path.iono

VIII. 交叉引用

• 对流层与仰角映射：见本卷第5章。
• 射线追迹与强折射：见本卷第9章。
• 两口径数值实现与 delta_form：见本卷第10章与《EFT.WP.Methods.Cleaning v1.0》。
• 时基、同步与差分码偏差标定：见《EFT.WP.Metrology.TimeBase v1.0》《EFT.WP.Metrology.Sync v1.0》《EFT.WP.Metrology.Instrument v1.0》。
• 环境融合与策略开关：见本卷第11章。

IX. 质量与风控

• 目标 SLO：在平静电离层与合格 TEC 源下，p95( |error(T_iono_group)| ) ≤ 0.3 ns，p99 ≤ 0.6 ns；风暴期自动提高 guardband。
• 漂移监测：长期 bias( STec_hat - STec_model ) 接近零，map_residual 控制在阈值内；一旦偏移，优先检查 DCB 与 mapping 参数。
• 回退策略：无双频、无新鲜 TEC 时，回退到广播模型或历史场，显式上调 u(T_iono) 并记录策略卡。
• 审计与可追溯：RefCond.source、mapping、h_iono、DCB、contracts.* 与 delta_form 必须落盘；版本变更遵循附录F。

小结

• 本章给出电离层一阶 1/f^2 色散模型、VTEC→STEC 映射与双频消电离组合的统一口径，形成 manifest.path.iono 的最小键集：
  manifest.path.iono = { T_iono_group(f), T_iono_phase(f), SLD(f), STEC, VTEC, M_iono, K_iono, model, mapping, RefCond:{source,res,Delta_t,h_iono}, DCB:{rx,tx}, u, U, delta_form, contracts.*, tags }。
• 与第5、9、10、11章联动后，可在自由空间链路中稳定隔离电离层主项，保持两口径一致并满足系统 SLO。