極區(qū)電離層閃爍特征初步分析

馮 健甄衛(wèi)民吳振森劉 鈍Vincenzo Romano

極區(qū)電離層閃爍特征初步分析

馮 健1甄衛(wèi)民2吳振森1劉 鈍2Vincenzo Romano3

（1.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，陜西西安710071；2.中國電波傳播研究所，山東青島266107；3.意大利地球物理與火山研究所，意大利羅馬00143）

介紹了中國在極區(qū)的電離層閃爍觀測研究工作，通過對Sodankyl?和Troms?兩個觀測站2004年3月至2008年9月期間的電離層閃爍觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，給出了太陽活動低年該地區(qū)電離層閃爍的變化特征：隨著太陽活動程度的降低，閃爍事件明顯減少；由于極區(qū)與低緯地區(qū)電離層閃爍產(chǎn)生機(jī)制不同，極區(qū)閃爍形態(tài)主要表現(xiàn)為相位閃爍，幅度閃爍很少；極區(qū)閃爍不只是發(fā)生在地方時的晚上，白天也會有閃爍出現(xiàn)；并且，極區(qū)閃爍對季節(jié)沒有明顯的依賴關(guān)系，可發(fā)生在任何季節(jié)；但是，極區(qū)閃爍事件對地磁活動存在明顯的響應(yīng).

電離層閃爍；極區(qū)；GPS；磁暴

引 言

當(dāng)無線電信號穿越電離層時，受電離層結(jié)構(gòu)的不均勻性影響，信號的振幅、相位等會產(chǎn)生短周期不規(guī)則變化，即為電離層閃爍現(xiàn)象.電離層閃爍影響的無線電頻段從幾十兆赫茲到十幾吉赫茲.電離層閃爍現(xiàn)象導(dǎo)致的信號幅度、相位的隨機(jī)起伏，輕則會使衛(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)等各種地空信息系統(tǒng)的性能下降，嚴(yán)重時可造成信號中斷，使系統(tǒng)無法工作.

在地理區(qū)域上，有兩個閃爍高發(fā)區(qū)：一個集中在以磁赤道為中心±20°的低緯區(qū)域；另一個在高緯地區(qū)［1－3］.國內(nèi)外的學(xué)者在低緯地區(qū)電離層閃爍特征方面做了大量的研究工作［4－10］.在極區(qū)開展電離層閃爍觀測研究，一方面有助于了解極區(qū)電離層閃爍的生成及變化機(jī)理，另一方面可為建立全球電離層閃爍預(yù)報模型奠定基礎(chǔ).Pryse等人利用Shetland Islands地區(qū)的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)，分析了該地區(qū)的閃爍活動隨緯度、時間和太陽活動的變化特征，指出太陽活動高年閃爍事件明顯增多［11］；Nichols等人利用Alaska地區(qū)的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）觀測數(shù)據(jù)分析了高緯地區(qū)電離層閃爍對單頻和雙頻接收機(jī)性能的影響，指出該地區(qū)的相位閃爍明顯多于幅度閃爍［12］；Doherty等人利用Alaska地區(qū)1999年11月至2000年6月期間的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了太陽活動高年高緯地區(qū)閃爍特征，指出該地區(qū)閃爍活動的強(qiáng)度和發(fā)生頻次非常依賴于地磁活動［13］.Basu等人認(rèn)為高緯電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)產(chǎn)生主要受磁層過程影響，在磁暴期間高緯地區(qū)閃爍會增強(qiáng)［14］.

中國電波傳播研究所長期從事電離層閃爍的觀測和研究工作，自2004年3月開始先后在芬蘭Sodankyl、芬蘭Oulu、挪威Troms?、挪威Longyearbyen、黃河站、中山站和長城站布設(shè)了電離層閃爍監(jiān)測儀，利用GPS信號監(jiān)測電離層閃爍現(xiàn)象.目前已積累了多年的極區(qū)閃爍觀測數(shù)據(jù).本文重點(diǎn)對北極Sodankyl?和Troms?二個觀測站2004年3月至2008年9月期間的電離層閃爍觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并給出了太陽活動低年極區(qū)電離層閃爍的變化特征.

1 電離層閃爍觀測設(shè)備

極區(qū)閃爍觀測使用的設(shè)備是由中國電波傳播研究所研制的L頻段GPS衛(wèi)星信號電離層閃爍監(jiān)測儀［5］.該監(jiān)測儀以工控計(jì)算機(jī)為中心，12通道的衛(wèi)星信號采集板具有20Hz的采樣頻率，可以同時采集12顆GPS衛(wèi)星兩個頻段信號（L1和L2）的強(qiáng)度、相位、偽距、方位角和仰角等參數(shù).實(shí)時監(jiān)測的信息通過串行數(shù)據(jù)端口輸送至計(jì)算機(jī)，并完成測量數(shù)據(jù)的實(shí)時存儲.同時，由實(shí)時監(jiān)測軟件求出信號的幅度閃爍指數(shù)、相位閃爍指數(shù)和電離層總電子含量等電離層參數(shù).

其中，幅度閃爍指數(shù)S4定義為信號強(qiáng)度I的歸一化方差，即相位閃爍指數(shù)σφ定義為載波相位φ的標(biāo)準(zhǔn)差，單位為弧度，即

電離層總電子含量（Total Electron Content，TEC）是指沿電波信號傳播路徑上的單位面積柱體內(nèi)的自由電子總數(shù)，通常以TEC單位（TECu＝1016個／m2）來計(jì)量.利用GPS雙頻測量數(shù)據(jù)，可以得到TEC值，即

式中：f1和f2為GPS載波頻率，f1＝1 575.42 MHz，f2＝1 227.6MHz；P1和P2分別為兩個頻率的偽距測量值；q為系統(tǒng)的硬件延遲.

在進(jìn)行電離層參數(shù)計(jì)算的同時，監(jiān)測系統(tǒng)完成相關(guān)的顯示、存儲、回放、閃爍判別等功能.并且，該監(jiān)測系統(tǒng)具有全自動功能，能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號自動跟蹤監(jiān)測和數(shù)據(jù)實(shí)時保存，確保了在異常斷電情況下已觀測數(shù)據(jù)不丟失，并能在供電恢復(fù)后自動重啟觀測系統(tǒng).

2 極區(qū)電離層閃爍特征分析

2.1閃爍數(shù)據(jù)處理

利用Sodankyl?（67.22°N，26.38°E）和Troms?（68.5°N，16.00°E）兩個觀測站2004年3月至2008年9月的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)對極區(qū)閃爍特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.電離層閃爍的判斷依據(jù)為：閃爍指數(shù)大于0.1，且持續(xù)時間超過10min，則視為一次閃爍事件.并且，為了消除低仰角的影響，分析過程中舍棄了衛(wèi)星仰角小于25°的觀測數(shù)據(jù).

2.2閃爍表現(xiàn)形態(tài)及發(fā)生次數(shù)

觀測數(shù)據(jù)分析表明，在極區(qū)相位閃爍和幅度閃爍這兩種形態(tài)的閃爍事件都會發(fā)生，它們的表現(xiàn)形式分別如圖1和2所示.

圖1 極區(qū)相位閃爍（2005年1月18日Troms?觀測站18號衛(wèi)星觀測結(jié)果）

圖2 極區(qū)幅度閃爍（2006年10月2日Sodankyl?觀測站10號衛(wèi)星觀測結(jié)果）

統(tǒng)計(jì)分析得出，2004年3月至2008年9月期間Sodankyl?地區(qū)發(fā)生了32次閃爍事件，Troms?地區(qū)發(fā)生了36次閃爍事件.這兩個觀測站發(fā)生的68次電離層閃爍事件中64次為相位閃爍，4次為幅度閃爍.所以，極區(qū)電離層閃爍形態(tài)主要表現(xiàn)為相位閃爍，這與Nichols等人在Alaska地區(qū)的觀測結(jié)果一致［12］.

根據(jù)電離層閃爍理論，尺度量級為第一個菲涅耳帶的不規(guī)則結(jié)構(gòu)對造成信號的幅度閃爍起主要作用［15］.而菲涅耳尺度主要由無線電波的波長λ和不規(guī)則結(jié)構(gòu)所在的高度z決定，即

對于我們觀測用的GPS衛(wèi)星的L1信號（頻率為1 575.42MHz），波長為0.19m，若電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)高度取400km，則菲涅爾尺度為390m［16］.所以，GPS衛(wèi)星L1信號的幅度閃爍是由尺度約為390m的不規(guī)則體結(jié)構(gòu)引起的.而相位閃爍主要是由大尺度的不均勻體引起的［15］.由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以推斷，極區(qū)電離層產(chǎn)生的不均勻體結(jié)構(gòu)大多是大尺度的.有學(xué)者認(rèn)為，極區(qū)大尺度的不均勻體結(jié)構(gòu)是由粒子沉降引起的［15，17］.統(tǒng)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證了極區(qū)閃爍的主要產(chǎn)生機(jī)理為粒子沉降的說法.

圖3給出了Sodankyl?和Troms?兩個觀測站每年發(fā)生的閃爍事件次數(shù)和太陽黑子數(shù)的變化情況.圖中，柱狀圖為兩個觀測站每年的閃爍發(fā)生次數(shù)，曲線為太陽黑子數(shù)的月均值.

圖3 Sodankyl?和Trom?閃爍發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

與Doherty等人統(tǒng)計(jì)得出的太陽活動高年極區(qū)電離層閃爍發(fā)生次數(shù)對比可知［13］，隨著太陽活動程度的下降，極區(qū)電離層閃爍事件明顯減少.

2.3極區(qū)閃爍變化特征

為了得出極區(qū)閃爍隨地方時的變化特征，我們把24小時劃分為0－3、3－6和6－9等八個時間段，統(tǒng)計(jì)了不同時間段內(nèi)的閃爍次數(shù)，得到了閃爍發(fā)生率，結(jié)果如圖4所示.

圖4 極區(qū)電離層閃爍發(fā)生時間統(tǒng)計(jì)分布

結(jié)果表明：每個時間段內(nèi)均有閃爍發(fā)生；閃爍事件最多發(fā)生在當(dāng)?shù)貢r間21時至24時之間，約有19%的閃爍發(fā)生在此時間段內(nèi)；閃爍事件最少的時間段為9時至12時和15時至18時，分布在這兩個事件段內(nèi)的閃爍均約為6%；在12時至15時內(nèi)發(fā)生的閃爍約為15%.

可見，與低緯地區(qū)的閃爍活動主要發(fā)生在夜間不同［5－6］，極區(qū)電離層閃爍的晝夜變化不太明顯，極區(qū)閃爍發(fā)生的時間具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，不受當(dāng)?shù)貢r間的限制.

統(tǒng)計(jì)分析了極區(qū)電離層閃爍事件的季節(jié)分布特征，如圖5所示.

結(jié)果表明，春（2、3和4月）、夏（5、6和7月）、秋（8、9和10月）、冬（11、12和1月）四個季節(jié)均有閃爍發(fā)生，并且與低緯地區(qū)的電離層閃爍主要發(fā)生在春季和秋季不同［5］，極區(qū)閃爍事件最多發(fā)生在秋季，其次為冬季.

圖5 極區(qū)電離層閃爍發(fā)生季節(jié)統(tǒng)計(jì)分布

2.4地磁活動對極區(qū)電離層閃爍的影響

磁暴時的電離層電動力學(xué)研究表明，在磁暴發(fā)生時會有大的電場和電流擾動出現(xiàn)，時間尺度大約為一個小時，這種擾動可能會造成電離層不均勻體，從而引起閃爍現(xiàn)象.下面分析一次典型事件，驗(yàn)證地磁活動對極區(qū)電離層閃爍的影響作用.

簡單介紹一下事件背景情況.2006年12月15日，地磁活動活躍.圖6給出了2006年12月14日至16日的Kp指數(shù)和Dst指數(shù)的變化情況.可以看出，15日出現(xiàn)了急始型磁暴，磁暴主相期間，地磁指數(shù)Dst可達(dá)到－146nT（8UT），地磁處于強(qiáng)暴水平.

分析了12月15日的電離層閃爍觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)Sodankyl?和Troms?觀測站的多顆衛(wèi)星信號都發(fā)生了閃爍現(xiàn)象，圖7和圖8分別舉例給出了Sodankyl?地區(qū)13號衛(wèi)星和Troms?地區(qū)8號衛(wèi)星的閃爍情況.

圖6 2006年12月14日－16日的Kp指數(shù)和Dst指數(shù)

圖7 2006年12月15日磁暴期間Sodankyl?觀測站13號衛(wèi)星閃爍情況

圖8 2006年12月15日磁暴期間Troms?觀測站8號衛(wèi)星閃爍情況

由圖7和圖8可以看出：與磁靜日的閃爍形態(tài)一致，磁暴期間極區(qū)的電離層閃爍仍以相位閃爍為主，幅度閃爍指數(shù)變化不大；磁暴期間閃爍活動程度較強(qiáng)烈，相位閃爍指數(shù)最大可達(dá)0.4，且造成了GPS衛(wèi)星信號的失鎖.

3 結(jié) 論

極區(qū)電離層閃爍的觀測研究對于極區(qū)閃爍預(yù)報和電離層變化機(jī)理研究都具有重要的意義.本文介紹了中國電波傳播研究所在極區(qū)的電離層閃爍觀測研究工作，分析了太陽活動低年極區(qū)電離層閃爍的變化特征.

利用北極Sodankyl?和Troms?二個觀測站2004年3月至2008年9月期間的電離層閃爍觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：兩個觀測站共發(fā)生閃爍事件68次；隨著太陽活動程度的降低，閃爍事件明顯減少；閃爍事件的表現(xiàn)形態(tài)主要為相位閃爍，68次事件中64次為相位閃爍，僅有4次為幅度閃爍；在閃爍發(fā)生的時間上，極區(qū)閃爍不只是發(fā)生在地方時的晚上，白天也會有閃爍出現(xiàn)；并且，極區(qū)閃爍對季節(jié)沒有明顯的依賴關(guān)系，可發(fā)生在任何季節(jié).由閃爍產(chǎn)生的機(jī)理和得到的這些結(jié)果，我們驗(yàn)證了極區(qū)電離層不均勻體是由粒子沉降產(chǎn)生的這一物理機(jī)制.另外，通過對2006年12月15日磁暴期間的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)了極區(qū)閃爍對地磁活動存在明顯的響應(yīng).

本文僅利用GPS信號的閃爍觀測數(shù)據(jù)給出了一些初步的結(jié)果，由于極區(qū)電離層的復(fù)雜性，若全面了解極區(qū)電離層閃爍特征和產(chǎn)生機(jī)制，需綜合利用大量的多手段的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的研究.

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The preliminary study of ionospheric scintillation characteristics in polar region

FENG Jian1ZHEN Weimin2WU Zhensen1LIU Dun2Vincenzo Romano3
（1.School of Physics and Optoelectronic Engineering，Xidian University，Xi’an Shaanxi 710071，China；2.China Research Institute of Radiowave Propagation，Qingdao Shandong266107，China；3.Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia，Roma00143，Italy）

Observations of ionospheric scintillation in polar region are presented in this paper.Some ionospheric scintillation characteristics were obtained when the sun activity was at low level using the data of Sodankyla and Tromso from March 2004to September 2008.As the sun activity decreases，the scintillation occurrence reduces evidently.Due to the different producing mechanism，different to the low latitude region，among all the scintillations，most are phase scintillations.Polar scintillation is not limited to the local nighttime and occurs in all seasons.And，polar scintillation is strongly dependent on geomagnetic activity.

ionospheric scintillation；polar region；GPS；geomagnetic storm

P352

A

1005－0388（2015）02－0232－06

馮 ?。?981－），男，山東人，高級工程師，西安電子科技大學(xué)在讀博士研究生，主要從事電離層物理及電波傳播應(yīng)用方面的研究.

甄衛(wèi)民（1963－），男，河北人，中國電波傳播研究所研究員，博士生導(dǎo)師.現(xiàn)任中國GPS協(xié)會理事，中國空間學(xué)會空間物理專業(yè)委員會委員，《全球定位系統(tǒng)》雜志編委等，主要從事空間環(huán)境、電磁環(huán)境和衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的研究.

吳振森（1946－），男，湖北人，西安電子科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事隨機(jī)介質(zhì)中電磁（光）波傳播和散射、目標(biāo)激光散射特性研究.

馮 健，甄衛(wèi)民，吳振森，等.極區(qū)電離層閃爍特征初步分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2015，30（2）：232－236＋256.

10.13443／j.cjors.2014042101

FENG Jian，ZHEN Weimin，WU Zhensen，et al.The preliminary study of ionospheric scintillation characteristics in polar region［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：232－236＋256.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014042101

2014－04－21

國家國際科技合作專項(xiàng)（2011DFA22270）

聯(lián)系人：馮健E－mail：fengjian428＠163.com