電離層環(huán)境對(duì)地空信息系統(tǒng)的影響效應(yīng)

馮健，甄衛(wèi)民，劉鈍

（1.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，西安710071；2.中國(guó)電波傳播研究所，山東青島266107）

電離層環(huán)境對(duì)地空信息系統(tǒng)的影響效應(yīng)

馮健1,2，甄衛(wèi)民2，劉鈍2

（1.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，西安710071；2.中國(guó)電波傳播研究所，山東青島266107）

目的為了減緩電離層對(duì)衛(wèi)星通信、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、星載合成孔徑雷達(dá)等系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。方法由穿越電離層的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)傳播原理出發(fā)，結(jié)合各種系統(tǒng)的工作原理，給出電離層影響的分析方法。結(jié)果針對(duì)電離層閃爍、極化旋轉(zhuǎn)、時(shí)延和色散等傳播效應(yīng)造成衛(wèi)星通信誤碼率上升、衛(wèi)星導(dǎo)航定位誤差增大、SAR圖像偏移和分辨率下降等影響，分析給出了效應(yīng)補(bǔ)償和減緩應(yīng)對(duì)方法。結(jié)論電離層延遲效應(yīng)可以由電離層實(shí)測(cè)值或者模型來(lái)進(jìn)行校正，而閃爍效應(yīng)大多需采用規(guī)避的措施來(lái)減緩其影響。

電離層；總電子含量；衛(wèi)星通信；全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；合成孔徑雷達(dá)

在地球上空大約60～1000 km的區(qū)域，受太陽(yáng)輻射，一部分空氣分子被電離，以電子和離子的形式存在。由于它們的數(shù)密度相等，因此呈等離子體態(tài)，這一區(qū)域被稱(chēng)為電離層[1]。電離層是一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，主要受來(lái)自太陽(yáng)的電磁輻射、高能粒子、行星際磁場(chǎng)的控制。除了地球外部的這些控制因素之外，影響電離層變化的還有地球磁場(chǎng)、大氣環(huán)流等來(lái)自地球本身的控制因素。由于電離層內(nèi)存在各種光化學(xué)、動(dòng)力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)等物理過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)，因此它不僅具有太陽(yáng)活動(dòng)周、季節(jié)、逐日等規(guī)則變化[2—5]，也具有電離層閃爍和電離層暴等不同時(shí)空尺度的異常變化[6—7]。

作為電波環(huán)境的重要組成部分，電離層會(huì)與電磁信號(hào)相互作用，產(chǎn)生折射、法拉第旋轉(zhuǎn)、反射、散射、吸收、電離層閃爍等多種影響效應(yīng)[8]，進(jìn)而影響各類(lèi)無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的效能。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的精度和靈敏度越來(lái)越高，受電離層環(huán)境的影響和制約也越來(lái)越顯著。

1 電離層特性

1.1 環(huán)境特性

作為地球高層大氣的一部分，電離層主要由帶電粒子、中性原子與分子組成，它上接磁層，下接中性大氣，受到磁層中的等離子體以及中高層大氣中風(fēng)場(chǎng)等的影響，變化十分復(fù)雜。電離層中的中性成分受太陽(yáng)輻射、地球和日月引力等作用，處于不停地運(yùn)動(dòng)之中，它的密度、溫度、壓力、成分和電離度等隨高度、經(jīng)緯度和地方時(shí)的分布也存在明顯的差異。

從宏觀(guān)上看，電離層介質(zhì)呈電中性。電離層的一個(gè)主要特征就是在大的集合尺度上近似水平分層，即電離層中各種物理參數(shù)在垂直方向上的變化要遠(yuǎn)大于水平方向。垂直方向，根據(jù)電子密度分布的特征，電離層可以分為D，E，F(xiàn)1和F2幾個(gè)區(qū)域[1]。

太陽(yáng)、地磁活動(dòng)等因素都會(huì)對(duì)電離層的狀態(tài)產(chǎn)生影響。大量的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，電離層具有一些規(guī)則變化特征，主要包括日變化、季節(jié)變化、太陽(yáng)周變化和緯度變化等。除了上述規(guī)則變化外，在某些特定的條件下，電離層還會(huì)產(chǎn)生電離層閃爍、電離層暴、突然騷擾等不同尺度的擾動(dòng)現(xiàn)象。

1.2 傳播特性

對(duì)于地空無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，當(dāng)忽略碰撞時(shí)，電離層折射指數(shù)可由Appleton-Hartree公式表示為[9]：

由Appleton-Hartree公式可知，電離層具有色散、吸收、雙折射和各向異性等特點(diǎn)。

2 電離層對(duì)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的影響

2.1 相位超前

由式（1）可知，信號(hào)的相路徑長(zhǎng)度為：

式中：np為相折射指數(shù)；P0為由衛(wèi)星到接收機(jī)點(diǎn)的真實(shí)距離。可見(jiàn)，由于無(wú)線(xiàn)電波在電離層中的相位折射指數(shù)小于1，因此電離層的存在縮短了相路徑長(zhǎng)度。

為了方便描述電離層的延遲效應(yīng)，引入了電離層總電子含量（Total Electron Content,TE C），它定義為：

式中：s為積分路徑，即信號(hào)的傳播路徑；1T E Cu=1×1016el/m2。

因此，電離層引起的相路徑長(zhǎng)度變化為：

因此，電離層引起的相位超前量為：

2.2 附加延遲

電離層色散效應(yīng)使得電磁波以不同于相速度的群速度傳播，由式（1）可以得出群折射指數(shù)為：

則等效群路徑可表示為：

由于無(wú)線(xiàn)電波在電離層中的傳播速度小于自由空間的速度，因此電離層的存在造成了傳播附加延遲Δlg：

相對(duì)應(yīng)的附加時(shí)延為：

2.3 電離層色散

由于電離層的折射率與信號(hào)頻率有關(guān)，因此信號(hào)傳播時(shí)延是頻率的函數(shù)，尤其對(duì)于寬帶信號(hào)，會(huì)引起嚴(yán)重的時(shí)延散布效應(yīng)，即色散。色散通常指的是時(shí)延色散，即時(shí)間相對(duì)于頻率的變化率，由式（9）可得：

式中：δt為時(shí)延色散，s；δf為脈沖頻譜寬度，Hz。δf與脈沖寬度為τ的關(guān)系為：δf=1/τ。

電離層引起的相位色散就是相位關(guān)于頻率的變化率，由式（5）得到：

2.4 法拉第旋轉(zhuǎn)

地磁場(chǎng)的存在，使得電離層表現(xiàn)出各向異性特征，如（1）式所示。無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)入電離層后，分解為波矢量與相速不相同的尋常波和非尋常波。由于這兩個(gè)特征波相位和幅度的變化，會(huì)造成合成波極化面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，并且會(huì)隨著傳播路徑和電離層狀態(tài)的變化而變化，此效應(yīng)稱(chēng)為法拉第旋轉(zhuǎn)。

準(zhǔn)縱傳播下，兩個(gè)特征波是旋向相反的圓偏振波，由式（2）可知兩特征波之間的相路徑長(zhǎng)度差為：

式中：下標(biāo)“+”和“–”分別表示尋常波和非尋常波。極化旋轉(zhuǎn)角可由式（12）得到：

式中：λ為信號(hào)波長(zhǎng)；c為光速；B0為地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度；θ為波的傳播路徑和磁場(chǎng)之間的夾角。

近似情況下，可以將傳播路徑上的地磁場(chǎng)視為一個(gè)平均值Bav，那么：

2.5 電離層閃爍

電離層閃爍是指受電離層中不規(guī)則結(jié)構(gòu)的影響，無(wú)線(xiàn)電波傳播穿過(guò)電離層時(shí)信號(hào)振幅、相位和到達(dá)角等隨時(shí)間和空間的隨機(jī)起伏現(xiàn)象[10]。在實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)中，電離層閃爍強(qiáng)度通常用幅度閃爍指數(shù)和相位閃爍指數(shù)來(lái)衡量。幅度閃爍指數(shù)S4定義為信號(hào)強(qiáng)度的歸一化方差：

式中：S4為表征幅度（強(qiáng)度）閃爍劇烈程度的物理量；＜＞表示均值；I為信號(hào)強(qiáng)度。

3 電離層對(duì)地空信息系統(tǒng)的影響及校正方法

電離層對(duì)地空無(wú)線(xiàn)電信號(hào)產(chǎn)生的影響效應(yīng)主要分為兩類(lèi)[11]：一類(lèi)是由平均背景或大尺度的電離層結(jié)構(gòu)造成的群時(shí)延、相位超前、法拉第旋轉(zhuǎn)、色散和衰減等，這些效應(yīng)與電離層總電子含量相關(guān)；另一類(lèi)是由電離層中的小尺度不規(guī)則結(jié)構(gòu)（電離層電子密度的隨機(jī)波動(dòng)或擾動(dòng)）引起的電離層閃爍效應(yīng)。

3.1 對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的影響

一般情況下，衛(wèi)星通信系統(tǒng)利用VHF及以上頻段的信號(hào)，因此電離層吸收和反射效應(yīng)可以忽略。影響衛(wèi)星通信的主要因素為引起信號(hào)快速隨機(jī)起伏的電離層閃爍效應(yīng)。電離層閃爍影響的無(wú)線(xiàn)電頻段從幾十兆赫茲到10 GHz，對(duì)VHF和UHF頻段的影響最為嚴(yán)重，對(duì)L和S頻段影響次之，對(duì)C及以上頻段的信號(hào)影響較小[12—13]。電離層閃爍的主要表現(xiàn)是信號(hào)幅度的隨機(jī)起伏，它將導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度的衰落，使信道的信噪比下降。當(dāng)衰落深度超過(guò)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)的衰落余量時(shí)，將導(dǎo)致衛(wèi)星通信鏈路中斷。

由于在巴拿馬的軍事行動(dòng)、海灣戰(zhàn)爭(zhēng)和科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)期間，電離層閃爍都曾給美國(guó)造成較大影響，使得美國(guó)十分重視電離層閃爍研究，并分步實(shí)施對(duì)電離層閃爍的可靠預(yù)報(bào)。第一步，美國(guó)軍方資助西北研究院(NorthWest Research Associates，NWRA)研制開(kāi)發(fā)了寬帶閃爍模型(WideBand ionospheric scintillation MODel,WBMOD)[14]。WBMOD是電離層閃爍中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)模型，它是通過(guò)對(duì)美洲地區(qū)長(zhǎng)期電離層閃爍觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和理論研究得出的。第二步，在美洲建立了用于支撐其戰(zhàn)術(shù)通信衛(wèi)星的地面電離層閃爍監(jiān)測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)——電離層閃爍決策輔助系統(tǒng)(Scintillation Network Decision Aid，SCINDA)[15]。在地面的閃爍監(jiān)測(cè)網(wǎng)直接接收其戰(zhàn)術(shù)通信衛(wèi)星UHF信號(hào)的幅度，每個(gè)監(jiān)測(cè)站將其閃爍情況分別自動(dòng)傳送到數(shù)據(jù)中心，中心利用實(shí)時(shí)獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)的物理模型實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層閃爍現(xiàn)報(bào)和1～2 h近實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。第三步，建立通信/導(dǎo)航中斷預(yù)報(bào)系統(tǒng)C/NOFS (Communication/Navigation Outage Forecasting System)。

美國(guó)于2008年發(fā)射了C/NOFS衛(wèi)星[16]，開(kāi)展電離層就地測(cè)量，即利用星載監(jiān)測(cè)設(shè)備直接測(cè)量等離子體溫度、等離子體漂移速度、電場(chǎng)等，對(duì)引起閃爍的電離層瑞利-泰勒（R-T）不穩(wěn)定性的產(chǎn)生及演化過(guò)程進(jìn)行預(yù)報(bào)，顯著提升了對(duì)電離層閃爍的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)能力。

3.2 對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軍事、民用領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用?，F(xiàn)代軍事應(yīng)用中，陸、海、空、天等多種平臺(tái)的導(dǎo)航應(yīng)用，精確武器投放，雷達(dá)、通信系統(tǒng)的時(shí)頻統(tǒng)一等已主要依賴(lài)于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。民用方面，車(chē)輛導(dǎo)航、大地測(cè)量、制圖、通信系統(tǒng)的時(shí)間統(tǒng)一等也主要依賴(lài)于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在成為現(xiàn)代信息社會(huì)中重要的基礎(chǔ)設(shè)施而為各世界強(qiáng)國(guó)所重視。

電離層環(huán)境對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的影響主要包括兩個(gè)方面：電離層延遲和電離層閃爍。電離層延遲效應(yīng)會(huì)引起偽距誤差，從而造成用戶(hù)接收機(jī)定位誤差增大。由式（8）可知，電離層延遲大小與頻率的平方成反比，與電離層T E C成正比。電離層T E C的變化受太陽(yáng)活動(dòng)控制，在太陽(yáng)活動(dòng)高年時(shí)，電離層T E C增大，使得衛(wèi)星導(dǎo)航定位誤差增大。研究結(jié)果表明，太陽(yáng)活動(dòng)高年時(shí)，電離層垂直T E C最大可以達(dá)到110T E Cu，使得GPS用戶(hù)產(chǎn)生約60 m的定位誤差。

對(duì)于延遲影響，雙頻接收機(jī)用戶(hù)可以利用雙頻信號(hào)進(jìn)行電離層延遲改正[17]。單頻實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位用戶(hù)必須采用有效的電離層修正模型。如美國(guó)的GPS系統(tǒng)采用Klobuchar模型[18]，歐洲的Galileo系統(tǒng)采用NeQuick模型[19]，我國(guó)北斗系統(tǒng)也開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的修正模型。

電離層閃爍使得接收的衛(wèi)星信號(hào)信噪比下降，信號(hào)衰落幅度可達(dá)20 dB以上，嚴(yán)重情況下還可以發(fā)生衛(wèi)星信號(hào)跟蹤的中斷。對(duì)電離層閃爍期間信號(hào)信噪比變化情況的分析結(jié)果表明[20]：接收機(jī)信噪比的降低，將引起接收機(jī)跟蹤精度的降低，從而引起定位精度的下降；衛(wèi)星的失鎖將引起測(cè)站可視空間衛(wèi)星星座的變化，引起DOP因子的增大，降低定位精度；同時(shí)，電離層不規(guī)則體結(jié)構(gòu)引起的電子密度變化，將引起衛(wèi)星信號(hào)傳播路徑上電離層延遲的變化，進(jìn)而影響定位精度。

電離層閃爍造成的信號(hào)幅度和相位的起伏是快速隨機(jī)的，目前尚無(wú)較好的校正方法，更多的是從接收機(jī)設(shè)計(jì)角度盡量減輕其影響，或者是基于閃爍預(yù)報(bào)模型進(jìn)行規(guī)避。

3.3 對(duì)星載SAR系統(tǒng)的影響

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，簡(jiǎn)稱(chēng)SAR）作為一種先進(jìn)的主動(dòng)式微波遙感技術(shù)，具有全天候、全天時(shí)、高分辨率成像的優(yōu)勢(shì)，已發(fā)展成為一種重要的對(duì)地觀(guān)測(cè)手段，廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察、航空測(cè)量、航空航天遙感、海洋觀(guān)測(cè)、地球資源勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)、深空探測(cè)等軍事和民用領(lǐng)域[21]。其工作時(shí)不可避免地要受到電離層的影響，尤其是P和L頻段的SAR系統(tǒng)，其影響不可忽視。

電離層延遲效應(yīng)將使得SAR圖像發(fā)生偏移，色散效應(yīng)使得雷達(dá)信號(hào)脈沖展寬，從而使距離向分辨率下降，而電離層閃爍效應(yīng)會(huì)破壞星載SAR系統(tǒng)回波信號(hào)之間的相關(guān)性，從而使得方位向分辨率降低[22]。分析電離層閃爍對(duì)方位向分辨率的影響作用發(fā)現(xiàn)[23]：電離層閃爍對(duì)P波段SAR系統(tǒng)的影響較為嚴(yán)重，當(dāng)閃爍指數(shù)大于0.1時(shí)便會(huì)使方位向分辨率、峰值旁瓣比和積分旁瓣比等指標(biāo)下降，影響系統(tǒng)工作；當(dāng)閃爍指數(shù)大于0.3時(shí)，沖激響應(yīng)函數(shù)出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，可能使得系統(tǒng)無(wú)法直接成像。

對(duì)于電離層延遲和色散效應(yīng)可以利用電離層模型進(jìn)行校正，而電離層閃爍效應(yīng)則可利用相位梯度自聚焦等技術(shù)進(jìn)行校正[24]，或者選擇合理的軌道進(jìn)行規(guī)避[25]。

4 結(jié)論

基于對(duì)電離層特性的分析和地空鏈路無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的傳播特性分析，電離層對(duì)地空信息系統(tǒng)的影響效應(yīng)主要體現(xiàn)在：

對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，電離層閃爍會(huì)使得信噪比下降，誤碼率上升，嚴(yán)重時(shí)可使通信中斷。

2）對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，電離層延遲可產(chǎn)生定位誤差，可使用雙頻測(cè)量或電離層模型進(jìn)行校正。閃爍效應(yīng)也可以引起定位誤差，嚴(yán)重時(shí)使用戶(hù)無(wú)法定位。

3）對(duì)于星載SAR系統(tǒng)，延遲效應(yīng)可使得圖像發(fā)生偏移，色散使得距離向分辨率下降，閃爍使得方位向分辨率下降。

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Effects of Ionospheric Environment on Earth-Space Information Systems

F ENG Jian1,2,ZHEN Wei-min2,LIU Dun2
(1.School of Physics and Optoelectronic Engineering,Xidian University,Xi’an 710071,China; 2.China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107,China)

ObjectiveTo mitigate effects of ionosphere on satellite communication,Global Navigation Satellite System (GNSS)and space-based Synthetic Aperture Radar(SAR)and improve the environmental suitability of the system.MethodsBased on propagation principles of radio-wave which travels through the ionosphere,and the mechanism of the various systems,analysis methods of ionospheric effects were given.ResultsSolutions for compensation and mitigation were give in allusion to that ionospheric scintillation,Faraday Rotation,time delay and dispersion would raise the error rate of satellite communication,increase the positioning error of GNSS,lead to the excursion of SAR image and degradation of resolution.ConclusionThe effect of ionospheric delay can be corrected by observation or ionospheric models.However,the effect of scintillation can only be mitigated through some avoiding methods.

ionosphere;total electron content;satellite communication;global navigation satellite system;synthetic aperture radar

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.002

TJ07；TN011

A

1672-9242(2017)07-0007-05

2017-04-28；

2017-05-18

馮?。?981—），男，山東人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡婋x層電波傳播應(yīng)用技術(shù)。