張海明，陳 菊，袁愛萍，梁 禎，袁 線

(1.宇航動力學(xué)國家重點實驗室，西安 710043;2.西安衛(wèi)星測控中心，西安 710043)

1 引言

作為日地空間環(huán)境的重要組成部分，電離層保護了地球上的生物免受太陽紫外線輻射和宇宙高能粒子的直接作用，維持遠距離無線電通信，但也會引發(fā)電離層閃爍，對衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重影響。電離層閃爍對電波傳播的影響會導(dǎo)致接收系統(tǒng)通信故障和誤碼率增加、導(dǎo)航定位精度下降、天基雷達成像性能降低等［1－2］。據(jù)美國航天部門統(tǒng)計，約40% 的航天故障與電離層空間環(huán)境中的災(zāi)變有關(guān)［3］。為減輕或避免電離層劇烈擾動等空間環(huán)境災(zāi)害天氣帶來的巨大損失，國際科技資料廣播報和世界日服務(wù)局(IUWDS)已開展日地空間環(huán)境預(yù)報并發(fā)布相關(guān)的電離層變化信息等服務(wù)。目前，在國際互聯(lián)網(wǎng)上可以準實時看到美國、歐洲、澳大利亞等國家和地區(qū)的相關(guān)機構(gòu)發(fā)布的電離層電子總含量(Total Electron Content，TEC)圖和電離層閃爍狀態(tài)圖。美國一直非常重視電離層閃爍對無線電系統(tǒng)的影響和修正研究:資助研究閃爍預(yù)報模型WBMOD;建設(shè)通信/導(dǎo)航中斷預(yù)測系統(tǒng)(C/NOFS);和中國臺灣聯(lián)合開展COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere and Climate)計劃。美國利用空間衛(wèi)星和地面電離層閃爍監(jiān)測網(wǎng)系統(tǒng)(SCINDA)相結(jié)合，可對電離層閃爍進行短期(閃爍前2～3 h)、中期(4～6 h)和長期(24～72 h)的預(yù)報。歐洲隨著EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service)和GALILEO 系統(tǒng)的建設(shè)也在開展相關(guān)方面研究。由于全球電離層閃爍模式數(shù)據(jù)主要來自美洲、歐洲地區(qū)，均缺乏中國地區(qū)的數(shù)據(jù)支持，這些模式在我國低緯地區(qū)的預(yù)測精度和適用性還有待提高。

我國在電離層閃爍方面研究始于20 世紀80年代衛(wèi)星信標觀測站的建立，主要集中在監(jiān)測預(yù)報和區(qū)域性統(tǒng)計研究等方面。近年來，伴隨著我國空間技術(shù)的高速發(fā)展和航空航天任務(wù)對測控系統(tǒng)高可靠性的需要，為避免電離層閃爍對航天測控系統(tǒng)完備性造成損害，我國相繼提出和開展的重大計劃有“地球空間雙星探測計劃”、“子午工程”、“太陽空間望遠鏡”以及在“風(fēng)云”、“資源”等衛(wèi)星上搭載空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，有力地推動了我國電離層研究探測進入新的階段。國內(nèi)許多單位對電離層閃爍進行了監(jiān)測與分析:王霄和方涵先等人［4］分析了太陽活動下降年赤道電離層L 頻段的閃爍特征以及與擴展F的關(guān)系;甄衛(wèi)民和劉鈍等人［5］利用GPS 衛(wèi)星信號研究了低緯地區(qū)L 頻段閃爍對定位性能的影響效應(yīng);尚社平等人分析了海南地區(qū)L 頻段電離層電波閃爍的太陽活動下降年期以及春、秋分時節(jié)的閃爍特征分布;李國主和胡連歡等人［6－7］對低緯地區(qū)擴展F 層不規(guī)則體模式及其對無線電波散射的效應(yīng)進行建模計算。本文通過某測控中心若干南方衛(wèi)星測控站S 頻段設(shè)備開展相關(guān)監(jiān)測試驗，利用收集的數(shù)據(jù)對比分析電離層閃爍對衛(wèi)星測控站跟蹤測量影響，并給出相應(yīng)的規(guī)避措施。

2 電離層閃爍效應(yīng)

電離層是由地球大氣吸收太陽輻射后電離產(chǎn)生的。電離層電子密度的不均勻性會導(dǎo)致穿越電離層的衛(wèi)星信號幅度、相位的快速波動，稱為電離層閃爍。電離層閃爍的程度、空間分布以及類型(振幅、相位閃爍)與電離層電子密度不均勻體結(jié)構(gòu)的空間分布和尺度密切相關(guān)。通常，電離層不均勻體結(jié)構(gòu)的空間尺度從幾米到數(shù)千公里，空間譜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其成因可能是由幾種電離層(按高度可分為D、E、F層)不穩(wěn)定性過程作用所致，包括Raleigh－ Taylor不穩(wěn)定性、聲重力波及東向背景電場梯度漂移(或不穩(wěn)定性)等。

2.1 電離層閃爍發(fā)生時機

電離層閃爍主要發(fā)生在春、秋分前后，在地方時上，通常發(fā)生在當(dāng)?shù)厝章浜蟮囊雇碇恋诙炝璩?，持續(xù)時間從幾十分鐘到幾小時不等，其主要原因是夜間電離層電子濃度分布發(fā)生變化。電離層閃爍不僅隨季節(jié)和地方時變化，其出現(xiàn)概率和強度也隨太陽活動水平的增強而增大［8］，在太陽活動高年的磁赤道異常區(qū)，電離層閃爍幾乎在每天日落后都出現(xiàn)。

2.2 電離層夜間“中緯槽”現(xiàn)象

由于電離層夜間接收不到太陽輻射，電子密度逐漸變小，而磁層活動在夜間增強，使電子密度向磁赤道和兩極遷移，形成中緯度比較低，低緯度、高緯度地區(qū)相對電子密度反而增高的“中緯槽”現(xiàn)象。

2.3 電離層閃爍發(fā)生的區(qū)域

電離層強閃爍高發(fā)區(qū)集中在以磁赤道為中心的±20°的低緯區(qū)域，磁赤道異常區(qū)閃爍最強(如圖1 所示)。我國南方地區(qū)，特別是臺灣、福建、廣東、廣西、海南及南海地區(qū)，均處在磁赤道異常區(qū)的峰值區(qū)域，其閃爍出現(xiàn)率和嚴重程度較磁赤道和極區(qū)更為顯著。

圖1 國際電波聯(lián)盟公布的全球L 頻段電離層閃爍衰落分布Fig.1 Global fading distribution of L－band ionospheric scintillations published by the International Union of Radio

2.4 電離層閃爍指數(shù)

電離層閃爍強度一般用振幅閃爍指數(shù)和相位閃爍指數(shù)來衡量。

振幅閃爍指數(shù)S4定義為歸一化的信號強度標準差:

式中，＜＞表示1 min數(shù)據(jù)的均值;SI表示信號強度，即接收到的信號功率。S4指數(shù)隨幅度閃爍的增強而增大，無閃爍發(fā)生時，S4≤0.2;弱閃爍發(fā)生時，0.2 ＜S4≤0.4;中等強度閃爍發(fā)生時，0.4 ＜S4≤0.6;強閃爍發(fā)生時，S4＞0.6［9］。

3 電離層閃爍影響試驗

3.1 電離層閃爍對電波傳播的影響

電離層閃爍具有較強的時間和空間變化特征，其影響頻段從30 MHz到10 GHz，包括VHF、UHF、L、S、C 頻段(特定外部條件下可影響到Ku 頻段)，隨著頻段的提高，影響程度逐漸減弱［10］。電離層閃爍會導(dǎo)致地面接收信號(尤其是3 GHz頻率以下)嚴重衰落與畸變，強閃爍能導(dǎo)致L 頻段信號產(chǎn)生15 dB以上衰落，遠超測控系統(tǒng)設(shè)計余量。

實際觀測中的衛(wèi)星下行信號出現(xiàn)閃爍的情況如圖2 所示。

圖2 電離層閃爍引起衛(wèi)星信號快速隨機波動Fig.2 Quick stochastic solatility of satellite signal caused by ionospheric scintillation

3.2 中心測控工作現(xiàn)狀及所面臨的風(fēng)險

目前，中心南方測控站裝備的S、C 頻段測控設(shè)備及L 頻段GNSS 定位設(shè)備均工作在易被電離層閃爍干擾的頻段內(nèi)，在每年春、秋分電離層閃爍高發(fā)季，夜間跟蹤測控工作經(jīng)常受到電離層閃爍的干擾，造成信號電平嚴重閃爍，影響正常的跟蹤測控。為評估電離層閃爍對航天器測控系統(tǒng)完好性的影響，中心組織南方3 個測站共6 套設(shè)備(簡稱為A1、A2、B1、B2、C1、C2)進行為期一個月(5 月3 日～6 月3日)的空間電離層閃爍監(jiān)測試驗，對在跟蹤弧段所獲取的數(shù)據(jù)進行風(fēng)險評估，制定相應(yīng)對策。

3.3 數(shù)據(jù)分析與評估

根據(jù)“電波環(huán)境信息保障系統(tǒng)”發(fā)布的5 月份空間電磁環(huán)境電離層強閃爍情況通報，電離層強閃爍主要發(fā)生在4、6、10、12、14 及19 日的夜間或凌晨。

分析各衛(wèi)星測控站跟蹤測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在非閃爍時段，跟蹤測量信號平穩(wěn)，數(shù)據(jù)隨機差較小;當(dāng)跟蹤測量時段發(fā)生電離層強閃爍時，下行信號幅度(AGC)抖動劇烈，引起測量數(shù)據(jù)(ΔFd、Δv)隨機差增大，嚴重時會導(dǎo)致跟蹤丟失，對衛(wèi)星測控站跟蹤測量影響明顯。在統(tǒng)計的238 圈次跟蹤結(jié)果中，受電離層閃爍影響較大的有10 圈次，統(tǒng)計情況見表1。

表1 南方測站參加電磁環(huán)境測試跟蹤圈次統(tǒng)計Table 1 Frequency statistics of tracking loops of southern station joining the electromagnetic environment test

5 月12 日，國家電波環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心通報，?？谡居^測到電離層閃爍指數(shù)如圖3 所示。

圖3 海口站2013－05－12 電離層閃爍指數(shù)曲線圖Fig.3 Ionospheric scintillation index of Haikou station，tested in 2013－05－12

5 月12 日22∶ 44～22∶ 53 時間段，A2 跟蹤A星的數(shù)據(jù)曲線如圖4 所示。

圖4 A2 跟蹤A 星下行電平和測速隨機差曲線Fig.4 A2 tracking A satellite down signal level and random error of velocity measurement curve

5 月12 日20∶ 20～20∶ 34 時間段，C2 跟蹤F星數(shù)據(jù)曲線如圖5 所示。

圖5 C2 跟蹤F 星下行信號電平數(shù)據(jù)曲線Fig.5 C2 tracking F satellite down signal level curve

5 月12 日20∶ 11～20∶ 33，B1 跟蹤D 星的數(shù)據(jù)曲線如圖6 所示。

5 月19 日，國家電波環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心通報，?？谡居^測到電離層閃爍指數(shù)如圖7 所示。

圖7 ?？谡?013－05－19 電離層閃爍指數(shù)曲線圖Fig.7 Ionospheric scintillation index of Haikou station，tested in 2013－05－19

5 月19 日21∶ 51～22∶ 01 時間段，B1 跟蹤E星數(shù)據(jù)曲線如圖8 所示。

圖8 B1 跟蹤E 星下行信號電平數(shù)據(jù)和多普勒差分曲線Fig.8 B1 tracking E satellite down signal level and doppler differential curve

電離層閃爍強度與下行接收信號電平隨機差統(tǒng)計情況見表2。

表2 電離層閃爍強度與下行接收信號電平隨機差統(tǒng)計表Table 2 Ionospheric scintillation intensity and down signal level statistics of random errors

3.4 試驗結(jié)論

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析比較，可認為:

(1)電離層閃爍會導(dǎo)致下行跟蹤測量信號電平和多普勒頻偏抖動;

(2)電離層閃爍對載波幅度影響明顯，嚴重時會導(dǎo)致載波失鎖，跟蹤丟失;

(3)電離層閃爍是測控系統(tǒng)外部空間環(huán)境電磁干擾的主要威脅源之一。

航天測控系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星通信采用高頻信號，電離層的吸收和反射對其產(chǎn)生的影響已不重要，主要影響是電離層快速隨機變化所引起的衛(wèi)星信號的快速隨機起伏，大幅度閃爍可導(dǎo)致信號幅度的衰落，使信道的信噪比下降，誤碼率上升，測量數(shù)據(jù)隨機差增大甚至通信鏈路中斷。電離層閃爍越強，衰落電平低于接收門限的次數(shù)和頻率就越高，對接收機的正常工作影響也越大。當(dāng)衰落深度和時間超出接收機的最低門限時，對應(yīng)的衛(wèi)星信號就會失鎖，失鎖時間取決于閃爍發(fā)生期間接收信號低于接收機接收門限的時間。

4 規(guī)避策略

目前，中心南方測控站裝備的S 頻段和C 頻段兩類測控設(shè)備均工作在易受電離層閃爍干擾的頻段內(nèi)，隨著我國航天事業(yè)高速發(fā)展，中心全球布站的發(fā)展要求和我國的區(qū)域環(huán)境特性使得電離層閃爍影響更加嚴重。為降低跟蹤測量、測控的安全風(fēng)險，當(dāng)前可從以下幾方面開展相應(yīng)工作:

(1)測站選址需對電離層環(huán)境影響進行系統(tǒng)深入的評估論證，從設(shè)計、建設(shè)、試驗、運行保障等方面考慮應(yīng)對措施，將電離層閃爍預(yù)警納入系統(tǒng)完好性檢測;

(2)測控設(shè)備研制應(yīng)從天線副瓣電平優(yōu)化［11］，接收機設(shè)計、系統(tǒng)總體設(shè)計(頻率選擇、編碼形式、信道余量等)方面保證在持續(xù)中等強度和短時大強度的電離層閃爍發(fā)生時保持環(huán)路跟蹤。可考慮加入快速自適應(yīng)帶寬鎖相環(huán)，通過對電離層閃爍的迅速識別來切換鎖相環(huán)的工作帶寬;優(yōu)化環(huán)路濾波器性能以減輕電離層閃爍時信號迅速衰落和相位突變對跟蹤的影響;

(3)深化與國家電波環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心等部門的合作，深入開展高精度電離層修正模型的理論研究，從電離層誤差修正技術(shù)、相關(guān)系統(tǒng)完好性實現(xiàn)技術(shù)等方面開展針對性研究，尤其要對我國中部、南部地區(qū)電離層閃爍進行更深入的研究，提高我國中低緯電離層閃爍模型修正精度，建設(shè)有效的電離層閃爍監(jiān)測預(yù)警保障系統(tǒng);

(4)為降低任務(wù)弧段跟蹤測量以及在軌衛(wèi)星長期管理測控工作的安全風(fēng)險，相關(guān)部門在制定測控網(wǎng)設(shè)備資源分配計劃時，應(yīng)減少或避免近赤道區(qū)的南方測站在電離層強閃爍(S4＞0.5)多發(fā)時段進行重要弧段的跟蹤測控。

未來中心可通過提高空間環(huán)境觀測及預(yù)警能力，減小電離層閃爍對航天測控系統(tǒng)的影響。常見的觀測方式有衛(wèi)星與火箭當(dāng)?shù)販y量、地面非相干散射雷達測量、地面與衛(wèi)星垂直探測、衛(wèi)星信標閃爍與法拉第旋轉(zhuǎn)測量等，作為對大功率散射雷達和衛(wèi)星測量電離層的重要補充，地基衛(wèi)星信標接收機臺陣測量是獲得電離層不均勻結(jié)構(gòu)漂移信息的一種有效便利的技術(shù)手段［12］。近年的相關(guān)實驗研究證明，利用空間間隔的多臺接收機接收到的衛(wèi)星閃爍數(shù)據(jù)，可精確估計不均勻結(jié)構(gòu)的漂移速度，結(jié)合電離層修正模型能有效提高預(yù)警準確性。此外，中心可利用現(xiàn)有的多衛(wèi)星(GNSS 系統(tǒng)、靜止氣象衛(wèi)星和極軌氣象衛(wèi)星等)接收設(shè)備的天線及高頻、中頻信號接收通道，加裝多信號源信息融合分析功能，在中頻輸出端進行電離層閃爍監(jiān)測。多種衛(wèi)星信息因其特點不同可從中取長補短，如靜止氣象衛(wèi)星資料對某些區(qū)域形成固定的捕獲區(qū)，將極軌氣象衛(wèi)星信號的探測資料用于對電離層閃爍體的快速捕獲，與空間覆蓋區(qū)域較大的GPS 資料結(jié)合可估算閃爍體尺度及運動。在多區(qū)域、多點同時開展對電離層閃爍多尺度時空結(jié)構(gòu)及運動規(guī)律的研究，不斷積累觀測數(shù)據(jù)改進電離層閃爍效應(yīng)模型算法，在提高電離層環(huán)境監(jiān)測預(yù)警能力的同時可降低電離層監(jiān)測設(shè)備的成本。

5 結(jié)束語

綜上所述，通過對電離層閃爍效應(yīng)研究和對南方衛(wèi)星測控站一個月跟蹤測量數(shù)據(jù)的分析，充分驗證了電離層強閃爍時會引起S 頻段接收機載波失鎖，跟蹤丟失。此結(jié)論和國內(nèi)外對電離層閃爍對無線通信的影響研究結(jié)果相近，適用于同類型測控設(shè)備。受限于我國區(qū)域性模型尚未完善，電離層閃爍難以精確預(yù)測，現(xiàn)階段可采用文中提出的規(guī)避策略降低電離層閃爍對航天器測控的潛在風(fēng)險。未來還需要在電離層閃爍的數(shù)據(jù)積累及模型算法等方面進一步研究。

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