電離層對(duì)短波測(cè)向系統(tǒng)的影響分析

孫鳳娟，柳文，李鐵成

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所，山東青島266107）

電離層對(duì)短波測(cè)向系統(tǒng)的影響分析

孫鳳娟，柳文，李鐵成

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所，山東青島266107）

目的研究電離層對(duì)短波測(cè)向系統(tǒng)的影響。方法從電離層傳播介質(zhì)入手，分析路徑偏離效應(yīng)和波干涉效應(yīng)的形成機(jī)理及其對(duì)短波測(cè)向的影響。結(jié)果電離層系統(tǒng)傾斜引起的測(cè)向誤差可借助電離層長(zhǎng)期預(yù)測(cè)模型、短期預(yù)測(cè)算法或電離層實(shí)時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)向方位偏差進(jìn)行補(bǔ)償。行波擾動(dòng)不可預(yù)測(cè)，只能依據(jù)行波擾動(dòng)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行測(cè)向誤差校正。波干涉誤差可通過時(shí)間平滑進(jìn)行抑制。結(jié)論提升現(xiàn)有短波測(cè)向系統(tǒng)測(cè)向性能的根本途徑是為短波測(cè)向系統(tǒng)配備電離層探測(cè)設(shè)備，準(zhǔn)確獲取系統(tǒng)覆蓋區(qū)內(nèi)電離層狀態(tài)信息，并進(jìn)行傳播效應(yīng)補(bǔ)償。

電離層；短波測(cè)向；路徑偏離效應(yīng)；波干涉效應(yīng)；行波擾動(dòng)；系統(tǒng)傾斜

短波測(cè)向系統(tǒng)借助電離層反射能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離、大范圍內(nèi)短波輻射源的測(cè)向定位，是監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)距離干擾源的重要手段。然而，電離層具有隨機(jī)時(shí)變、各向異性、色散、非均勻等復(fù)雜特性，是影響短波測(cè)向系統(tǒng)作戰(zhàn)性能的關(guān)鍵因素。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，中緯度地區(qū)，電離層傾斜和擾動(dòng)會(huì)使測(cè)向誤差增大1°～4°，最大可達(dá)到7°以上，大尺度行波擾動(dòng)發(fā)生時(shí)甚至可引起高達(dá)十幾度的測(cè)向誤差。因此，深入分析電離層對(duì)短波測(cè)向精度的影響，探討消減或補(bǔ)償其影響的措施對(duì)提升短波測(cè)向系統(tǒng)作戰(zhàn)性能具有明確的指導(dǎo)意義。文中從分析電離層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其變化規(guī)律入手，研究了電離層路徑偏離效應(yīng)和波干涉效應(yīng)對(duì)短波測(cè)向的影響，并提出了應(yīng)對(duì)措施。

1 電離層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其變化規(guī)律

1.1 電離層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電離層是地球高層大氣被電離的部分[1]。它是由于太陽高能電磁輻射，宇宙射線和沉降粒子作用于地球高層大氣，使大氣分子發(fā)生電離，產(chǎn)生大量的自由電子、離子和中性分子，而構(gòu)成能量很低的準(zhǔn)中性等離子區(qū)域。該區(qū)域高度大約在60～1000 km。

電離層按電子濃度的高度變化可分為D層、E層和F層，F(xiàn)層白天又可分為F1層和F2層。電離層各層的物理和化學(xué)變化與太陽散射、粒子散射、磁層擾動(dòng)、電磁場(chǎng)變化及高層大氣運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)[2]，常規(guī)電離層的分層狀況和基本特點(diǎn)見表1。

表1 常規(guī)電離層分層狀況和基本特點(diǎn)

1.2 電離層的變化規(guī)律

由于大氣結(jié)構(gòu)和電離源的隨機(jī)變化，電離層是一種隨機(jī)的時(shí)空變化媒質(zhì)。電離層的分層狀況及各層的電子濃度、半厚度、高度等參數(shù)隨地理位置、季節(jié)以及太陽活動(dòng)性而發(fā)生較大變化。這些變化可分為規(guī)則變化和隨機(jī)不規(guī)則變化[1]。

電離層的規(guī)則變化有：

1）日變化，日出之后，各電離層的電子濃度不斷增加，到正午稍后時(shí)分達(dá)最大值，之后逐漸減小。一日之內(nèi)，日出和日落時(shí)分電子濃度變化最快。

2）季節(jié)變化，由地球環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)引起。F1層多出現(xiàn)在夏季白天，F(xiàn)2層的高度夏季高冬季低，而電子濃度卻是冬季大夏季小，并且一年中春分和秋分兩次達(dá)到最大值。

3）黑子活動(dòng)周期變化，與黑子活動(dòng)正相關(guān)，呈現(xiàn)出11年周期變化。

4）緯度變化，由太陽照射角的不同引起，最大電子濃度隨緯度的增大大致減小，存在赤道異常和中緯度槽等現(xiàn)象。

電離層的不規(guī)則變化有：

1）Es層（突發(fā)E層），出現(xiàn)在E層高度上，是電子濃度很高的云狀物，能遮蔽上層回波，限制信號(hào)傳輸距離。

2）擴(kuò)展F層，發(fā)生在F區(qū)的突發(fā)不均勻結(jié)構(gòu)，能使回波發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)致接收回波發(fā)生嚴(yán)重衰落。

3）電離層行波擾動(dòng)（TID），是F區(qū)一種類似波浪運(yùn)動(dòng)的大尺度不均勻結(jié)構(gòu)，它使電子濃度等值面作波狀運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致無線電波傳播軌跡發(fā)生變化。

4）突然電離層騷擾（SID），由太陽風(fēng)暴引起，使日照面電離層D層吸收增大，導(dǎo)致短波傳輸信道突然中斷。

5）電離層暴，由太陽風(fēng)暴引起，可使電子濃度降低，鏈路最高可用頻率下降。

2 電離層對(duì)短波測(cè)向的影響

短波測(cè)向誤差是由設(shè)備測(cè)量誤差和電離層電波傳播誤差兩部分因素引起的。然而，隨著新體制測(cè)向系統(tǒng)的出現(xiàn)和系統(tǒng)建設(shè)水平的不斷提升，系統(tǒng)測(cè)量誤差逐漸減小，電離層傳播效應(yīng)引起的誤差日漸突出。大量觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示[3—7]，引起短波遠(yuǎn)距離測(cè)向誤差的主要電離層傳播效應(yīng)可歸納為路徑偏離效應(yīng)和波干涉效應(yīng)兩類。

2.1 路徑偏離效應(yīng)對(duì)短波測(cè)向影響

路徑偏離效應(yīng)通常由電離層傾斜引起，會(huì)使電波射線在傳輸過程中偏離原包含發(fā)射點(diǎn)至接收點(diǎn)的大圓平面，導(dǎo)致測(cè)得的示向度與目標(biāo)真實(shí)方位角之間存在偏差。路徑偏離效應(yīng)引起測(cè)向偏差如圖1所示。圖1中，A點(diǎn)發(fā)射信號(hào)偏離原大圓路徑■AOR到達(dá)測(cè)向站R，呈現(xiàn)出的示向指向B點(diǎn)所在的大圓平面■'BO R，引起Δφ的測(cè)向偏差。

圖1 電離層傾斜引起測(cè)向偏差

電離層傾斜由太陽規(guī)則變化引起的電離層系統(tǒng)傾斜和電離層隨機(jī)擾動(dòng)兩種原因引起。

電離層系統(tǒng)傾斜主要發(fā)生在寂靜電離層狀態(tài)下的日出時(shí)段和日落時(shí)段，尤以日出時(shí)段更加明顯，引起的測(cè)向偏差在幾度量級(jí)。某南北向傳輸鏈路上觀測(cè)到的測(cè)向誤差隨太陽天頂角余弦的變化關(guān)系如圖2所示[8]。可以看出，負(fù)的測(cè)向誤差觀測(cè)于午夜至正午時(shí)段，表明電離層電子濃度等值線由西向東逐漸降低；正的測(cè)向誤差觀測(cè)于正午至午夜時(shí)段，此時(shí)電子濃度等值線由東向西往低處走；而在午夜或是正午時(shí)分，電離層系統(tǒng)傾斜引起的平均測(cè)向誤差幾乎為0。

圖2 電離層系統(tǒng)傾斜引起測(cè)向偏差

電離層系統(tǒng)傾斜最早由Ross等人[9]測(cè)量距測(cè)向站400 km處的短波發(fā)信源方位角時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)他們觀測(cè)到方位角偏離原大圓路徑10°～20°，意味著試驗(yàn)期間存在非常大的等效電離層傾斜。除此之外，他們還將測(cè)量得到的偏角與電離層垂直探測(cè)獲得的等效反射高度進(jìn)行了定性比較，發(fā)現(xiàn)二者具有較好的一致性。之后，大量學(xué)者深入研究了電離層系統(tǒng)傾斜引起的測(cè)向偏差，并得出了很多有意義的結(jié)論。

1）測(cè)向偏差隨信號(hào)頻率偏離鏈路MUF（最大可用頻率）距離的增大而減小。

2）觀測(cè)到的方位偏差通常沿F1層或F2層傳播，E層信號(hào)經(jīng)電離層傳輸時(shí)一般沿原大圓路徑傳播[10]。

3）最大測(cè)向偏差發(fā)生在日出后1 h左右，而非日出時(shí)刻。

4）測(cè)向偏差與信號(hào)在電離層中的穿透深度有關(guān)，穿透深度越大，測(cè)向偏差越大。

盡管寂靜電離層條件下小尺度不均勻體也會(huì)引起路徑偏離效應(yīng)，但是電離層隨機(jī)擾動(dòng)中行波擾動(dòng)引起的電離層傾斜更普遍。電離層行波擾動(dòng)引起的路徑偏離可使測(cè)量方位角出現(xiàn)周期性起伏，如圖3所示，周期為幾分鐘至幾十分鐘不等。一般大尺度行波擾動(dòng)周期在30～60 min量級(jí)，而中尺度行波擾動(dòng)在10～40 min量級(jí)。

行波擾動(dòng)引起的時(shí)變路徑偏離效應(yīng)最早由Bramley等人[11]于1951年觀測(cè)1跳F模式信號(hào)到達(dá)角時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨后很多學(xué)者對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了研究。對(duì)中緯度地區(qū)來說，行波擾動(dòng)引起的測(cè)向偏差約占總誤差的2/3，通常在1°～4°范圍內(nèi)，而當(dāng)大中尺度行波擾動(dòng)發(fā)生時(shí)甚至能引起幾十度的測(cè)向偏差。不過，大尺度行波擾動(dòng)只是時(shí)有發(fā)生，而中等尺度行波擾動(dòng)卻一直存在。Hawlitschka采用超分辨高頻測(cè)向系統(tǒng)對(duì)中緯度地區(qū)行波擾動(dòng)進(jìn)行了為期3年的觀測(cè)研究[12]。觀測(cè)結(jié)果表明，中緯度地區(qū)，白天發(fā)生的大尺度行波擾動(dòng)多與磁暴（k＞2）有關(guān)，通常發(fā)生時(shí)間晚于磁暴時(shí)間約2 h，夜晚低地磁活動(dòng)時(shí)也會(huì)發(fā)生大尺度行波擾動(dòng)；中等尺度行波擾動(dòng)存在于試驗(yàn)的整個(gè)階段，與白天、夜晚以及地磁活動(dòng)性無關(guān)。

圖3 實(shí)測(cè)行波擾動(dòng)引起的測(cè)量方位角周期起伏

2.2 波干涉效應(yīng)對(duì)短波測(cè)向影響

電離層的分層結(jié)構(gòu)使穿越其中的電磁波以多個(gè)模式傳播，如不同反射層傳播模式，同一反射層的高、低角模式，地磁場(chǎng)導(dǎo)致的尋常波（O波）和非常波（X波）模式以及不同層之間的混合模式（如EF模式）等，如圖4所示。這樣一來，到達(dá)測(cè)向陣的信號(hào)由相互干涉的多個(gè)波束構(gòu)成，并且每個(gè)波束又由反射分量和圍繞其周圍的散射分量組成，最終導(dǎo)致被測(cè)信號(hào)的示向度在很大范圍內(nèi)快速游動(dòng)，引起較大測(cè)向誤差。

圖4 電離層多模式傳播

對(duì)于中緯度、中等距離傳輸鏈路上單個(gè)傳播模式信號(hào)來講，圍繞在反射分量周圍的散射分量，其角譜能量分布較窄，可用單個(gè)射線近似。這種情況下，波干涉誤差主要來源于兩個(gè)或兩個(gè)以上傳播模式之間以及單個(gè)傳播模式中尋常波和非常波的相互作用。即使是在這種相對(duì)簡(jiǎn)單的條件下，測(cè)量得到的方位角通常也有幾度的誤差，誤差的大小與取向時(shí)長(zhǎng)和天線陣孔徑有關(guān)。

3 應(yīng)對(duì)電離層效應(yīng)的措施

上一節(jié)分析表明，電離層路徑偏離效應(yīng)和波干涉效應(yīng)引起測(cè)向誤差的機(jī)理不同，測(cè)向誤差的表現(xiàn)特征也不相同。因此，消減或補(bǔ)償這兩種效應(yīng)影響的措施也存在差異。

1）應(yīng)對(duì)電離層系統(tǒng)傾斜的措施。對(duì)于太陽規(guī)則變化引起的電離層系統(tǒng)傾斜誤差，由于電離層規(guī)則變化具有一定的可預(yù)測(cè)性，可借助電離層長(zhǎng)期預(yù)測(cè)模型、短期預(yù)測(cè)算法或電離層實(shí)時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)，通過評(píng)估電離層等效傾斜引起的方位偏差進(jìn)行補(bǔ)償。許多學(xué)者研究分析了特定鏈路上不同時(shí)刻計(jì)算方位角與觀測(cè)方位角之間的關(guān)系，證明了系統(tǒng)傾斜誤差具有補(bǔ)償性[13—17]。如Rao采用三維射線追蹤技術(shù)，結(jié)合5個(gè)電離層垂測(cè)站實(shí)時(shí)探測(cè)結(jié)果，仿真計(jì)算了夜間Houston-Urbana鏈路1跳F層到達(dá)方位角[18—19]。通過將它與實(shí)測(cè)方位角進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn)，二者吻合得非常好。

2）應(yīng)對(duì)行波擾動(dòng)的措施。行波擾動(dòng)可由不穩(wěn)定的等離子體或中性風(fēng)引起，它隨機(jī)產(chǎn)生和消失，基本不可預(yù)測(cè)。因此，很難通過預(yù)測(cè)方法對(duì)行波擾動(dòng)引起的路徑偏差效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，只能依據(jù)行波擾動(dòng)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行測(cè)向誤差校正。行波擾動(dòng)引起測(cè)向誤差的校正方法通常由下列三種[20]：采用多普勒探測(cè)網(wǎng)確定行波擾動(dòng)的存在，并計(jì)算其傳輸方向、速度等參數(shù)，最后通過確定電離層傾斜角的方式計(jì)算測(cè)向偏角并進(jìn)行補(bǔ)償；對(duì)斜向傳輸鏈路的多普勒頻移進(jìn)行測(cè)量，利用多普勒頻移與方位偏角之間的相關(guān)性進(jìn)行測(cè)向誤差校正；利用電離層垂直探測(cè)網(wǎng)確定行波擾動(dòng)的存在，計(jì)算相關(guān)尺寸參數(shù)并進(jìn)行建模，然后利用射線追蹤技術(shù)確定方位偏差并進(jìn)行補(bǔ)償。

3）應(yīng)對(duì)波干涉誤差的措施。在時(shí)間允許的情況下，波干涉誤差通常可采用對(duì)連續(xù)多組快速測(cè)向結(jié)果進(jìn)行時(shí)間平滑的方式進(jìn)行抑制。觀測(cè)數(shù)據(jù)表明[21—22]，中緯度地區(qū)中等距離傳輸鏈路上干涉誤差的典型均方根誤差為2°，而經(jīng)過2.5 min的時(shí)間平滑后，該誤差的典型值可降為原來的1/3。對(duì)于猝發(fā)等短時(shí)信號(hào)而言，由于缺乏足夠的取向時(shí)間，可采用空域平滑技術(shù)進(jìn)行誤差抑制。所謂空域平滑技術(shù)是指采用大孔徑、具有銳方向特性的測(cè)向系統(tǒng)進(jìn)行角譜測(cè)量。此方法要求角度測(cè)量期間信號(hào)角譜包絡(luò)維持不變，并且為了精確重構(gòu)該角譜包絡(luò)，角度采樣間距應(yīng)該足夠小，致使空域平滑技術(shù)的實(shí)際使用性能受到約束。

4 結(jié)語

短波測(cè)向系統(tǒng)為典型的環(huán)境依賴性系統(tǒng)，其測(cè)向性能受電離層電波傳播效應(yīng)影響較大。文中通過歸納分析主要電波傳播效應(yīng)――路徑偏離效應(yīng)和波干涉效應(yīng)對(duì)短波測(cè)向的影響，探究消減或補(bǔ)償這些效應(yīng)影響的基本方法，得出了以下結(jié)論：為短波測(cè)向系統(tǒng)配備電離層探測(cè)設(shè)備，準(zhǔn)確獲取系統(tǒng)覆蓋區(qū)內(nèi)電離層狀態(tài)信息，并進(jìn)行傳播效應(yīng)補(bǔ)償是提升現(xiàn)有短波測(cè)向系統(tǒng)測(cè)向性能的根本途徑。

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Effects of Ionosphere on High-frequency Direction Finding Systems

SUN Feng-juan,LIU Wen,LI Tie-cheng
(CETC No.22 Research Institute,Qingdao 266107,China)

ObjectiveTo study effects of ionosphere on high-frequency direction finding systems.MethodsThe basic characteristics of ionosphere were firstly introduced,the formation mechanism of path deviation effect,wave-interference effect and its influences on HF direction finding were analyzed.ResultsWith the ionospheric long-term prediction model, short-term prediction algorithm or ionospheric real-time sounding data,the error caused by ionospheric system tilt could be compensated.Traveling wave disturbances could not be predicted and the error caused by traveling wave disturbances could only be corrected based on the observed results of traveling wave disturbance.Time smoothing could suppress the wave interference error.ConclusionThe basic way to improve the performance of HF direction finding system is to provide the ionospheric sounding equipment,to obtain the information of the ionospheric state in the coverage area and to carry out the compensation of the propagation effect.

ionosphere;hf direction finding;path deviation effect;wave-interference effect;traveling wave disturbance(TID);systemic tilt

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.009

TJ06；TN011

A

1672-9242(2017)07-0045-05

2017-03-20；

2017-05-08

國(guó)家自然科學(xué)基金（61331012）

孫鳳娟（1981—），女，山東沂南人，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向電離層傳播特性及其對(duì)短波系統(tǒng)性能影響。