張衡一號衛(wèi)星觀測的地基VLF 波電離層加熱擾動特征

劉大鵬 申旭輝 楊德賀 趙庶凡

（應急管理部國家自然災害防治研究院，北京 100085）

引 言

地球電離層作為短波通信的重要介質，可引起空間無線電波反射、折射、散射和吸收等效應，進而對無線電廣播、通信、導航、雷達觀測等活動產生重要影響[1]. 電離層的探測手段主要分為原位探測(直接探測)和遙感探測(間接探測)，目前多以遙感探測為主，即通過地面設備向電離層發(fā)射信號，對散射回來的信號進行反演處理獲得相關物理參數(shù). 近年來，隨著電離層物理研究的發(fā)展以及空間探測技術的日益成熟，使得對電離層環(huán)境進行高精度、高時空分辨率的衛(wèi)星原位探測需求逐步體現(xiàn)出來[2].

近年來，隨著衛(wèi)星技術的快速發(fā)展，美國DMSP系列衛(wèi)星、法國DEMETER 衛(wèi)星、歐空局Swarm 衛(wèi)星星座、俄羅斯COSPASS-II 衛(wèi)星等一系列地球科學探測衛(wèi)星相繼發(fā)射，為地球電離層觀測研究積累了豐富的觀測數(shù)據(jù)和觀測經驗. 各國研究人員基于衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)開展了相關研究，取得了一系列的研究成果[3-6].

經過多年的籌備與努力，電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星——張衡一號01 衛(wèi)星已于2018 年2 月2 日成功發(fā)射入軌. 這是我國發(fā)射的首顆地球物理場探測衛(wèi)星，也是我國未來地震立體觀測體系的首個專用天基平臺.張衡一號01 衛(wèi)星的軌道運行高度為507 km，軌道傾角為97.4°，降交點地方時14:00，設計壽命5 年. 星上搭載了8 種科學載荷，包含電磁場類探測載荷高精度磁強計、感應式磁力儀、電場探測儀、電離層原位類探測載荷等離子體分析儀(plasma analyzer package,PAP)、朗繆爾探針、高能粒子探測器、電離層結構類探測載荷GNSS 掩星接收機和三頻信標發(fā)射機，可對衛(wèi)星軌道高度區(qū)域的地球電磁場、等離子體、高能粒子等參量的背景變化和擾動情況進行探測，獲取衛(wèi)星軌道以下區(qū)域的電離層結構及其變化情況[7-8].

此次張衡一號01 衛(wèi)星搭載的科學載荷PAP，是我國等離體子原位探測載荷技術首次應用于電離層觀測，具有開創(chuàng)意義和良好的應用前景. 其原位觀測的離子密度、離子溫度、離子漂移速度等參數(shù)，對于電離層-地震耦合過程、電離層環(huán)境變化等研究具有重要價值[9-10].

甚低頻(very low frequency, VLF)波也稱超長波，具有傳播距離遠的特點，可以在地球-電離層波導內進行遠距離傳播[11]. 大量數(shù)值模擬和加熱試驗表明，地基VLF 大功率電波信號能夠顯著影響電離層F 層等離子體狀態(tài)，經過其上空的衛(wèi)星可以探測到這種異常狀態(tài)[12-13]. 本文通過張衡一號01 衛(wèi)星PAP 對地基NWC 站VLF 波發(fā)射源引發(fā)的電離層擾動現(xiàn)象進行總結和特征探究，為深入認識地表活動對電離層環(huán)境變化的影響提供觀測參考.

1 PAP

PAP 是張衡一號01 衛(wèi)星搭載的原位觀測電離層離子參數(shù)的科學載荷，硬件結構主要由三個傳感器(阻滯勢分析器、離子漂移計、離子捕獲計)和一塊導體擴展板組成. 其中：阻滯勢分析器用于觀測離子密度、離子溫度、沿衛(wèi)星飛行方向的離子漂移速度；離子漂移計用于觀測垂直衛(wèi)星飛行方向的離子漂移速度；離子捕獲計用于觀測離子密度漲落情況；導體擴展板主要用于增加導電面積，并保持傳感器入口處電場的均勻性. 各傳感器及導體擴展板均安裝于衛(wèi)星平臺的迎風面，且傳感器入口與衛(wèi)星表層蒙皮保持齊平，結構與安裝位置如圖1、圖2 所示[9-10,14].

圖1 PAP 硬件組成結構圖Fig. 1 Schematic diagram for composition of the PAP

圖2 PAP 在張衡一號01 衛(wèi)星平臺的安裝位置Fig. 2 Position of the PAP onboard ZH-1 (01) satellite

PAP 產出的觀測數(shù)據(jù)包括氫離子密度NH+、氦離子密度NHe+、氧離子密度NO+、離子溫度Ti、離子漂移速度(Vx、Vy、Vz)，以及離子密度漲落△Ni/Ni，其中+x為衛(wèi)星飛行方向，+z為衛(wèi)星朝地球方向. PAP 技術指標如表1 所示[14-15].

表1 PAP 觀測技術指標一覽表Tab. 1 Main parameters of the PAP

2 觀測數(shù)據(jù)

常規(guī)觀測狀態(tài)下，張衡一號01 衛(wèi)星PAP 在全球南北緯65°之間進行觀測，5 d 可實現(xiàn)一次全球范圍覆蓋. 每1 s 獲得一組觀測數(shù)據(jù)，每天分別產出30.4 個日側(升軌)和夜側(降軌)軌道數(shù)據(jù)文件，每個升、降軌道觀測持續(xù)約37 min. 特殊觀測狀態(tài)下，可根據(jù)觀測需要，通過地面上注指令對觀測區(qū)域和數(shù)據(jù)產出率進行調整[7-8,14].

張衡一號01 衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)由地面系統(tǒng)接收后，經過幀同步、解擾、去重、拼接等處理，產出原始觀測數(shù)據(jù)[15]. PAP 的原始觀測數(shù)據(jù)是二進制數(shù)據(jù)，轉換為十進制電流數(shù)據(jù)后，結合地面標定參數(shù)按照轉換關系轉化為電壓數(shù)據(jù). 根據(jù)各個傳感器工作原理，經過進一步數(shù)據(jù)處理產出按時間順序排列的物理量數(shù)據(jù)產品. 將對應的星下點位置信息，經過坐標變換處理后進行疊加，生成帶有時間和地理坐標信息的物理量數(shù)據(jù)產品.

3 地基NWC 站VLF 電波引起的電離層擾動

3.1 衛(wèi)星原位觀測的等離子體擾動

由于導航、通信等方面的需求，各國建設了數(shù)量眾多的地基VLF 地面人工發(fā)射源，其中澳大利亞NWC(Northwest Cape，-21.816°N，114.166°E，發(fā)射中心頻率19.8 kHz)發(fā)射站是目前世界上功率最大的VLF 人工發(fā)射源之一，發(fā)射功率達到1 000 kW[12,16].

張衡一號01 衛(wèi)星軌道重訪周期為5 d，對經過NWC 地面站上空的衛(wèi)星重訪軌道數(shù)據(jù)進行分析，PAP 多個參量均同步記錄到了NWC 地面站引起的電離層加熱擾動現(xiàn)象. 圖3 展示了2019 年2 月22 日第5 860_1 軌道以及2019 年3 月14 日第6 164_1 軌道的位置，上述軌道均為夜側軌道(由南向北飛行)，紅色五角星為NWC 發(fā)射站位置.

圖3 經過NWC 發(fā)射站上空的第5 860_1 和6 164_1 軌道位置Fig. 3 The positions of the No. 5860_1 and No. 6164_1 orbits which had across the NWC transmitter

圖4 為第5 860_1 軌道記錄的離子參量情況，橫軸標記了UTC 時間和地理經緯度，藍色虛線表示NWC 發(fā)射站所處的緯度位置，縱軸為各種離子參量的觀測數(shù)值. 可以看出，NO+、Ti、Vx、Vy、Vz、△Ni/Ni在NWC 地面站以北約76 km 區(qū)域均同步出現(xiàn)強烈的相對擾動現(xiàn)象. 其中：NO+和△Ni/Ni表現(xiàn)出明顯的升高現(xiàn)象；Ti、Vx、Vy和Vz發(fā)生劇烈的擾動，并且Vz的運動方向發(fā)生變化，由空對地方向反轉為地對空方向. 此次等離子體擾動過程持續(xù)43 s，覆蓋范圍約為327 km.

圖4 PAP 第5 860_1 軌道記錄的NWC 地面站引起的電離層加熱擾動Fig. 4 The ionospheric heating disturbances induced by NWC transmitter recorded by the No. 5 860_1 orbit of the PAP

圖5 為第6 164_1 軌道記錄的離子參量情況. 可以看出，NO+、Ti、Vx、Vz、△Ni/Ni在NWC 地面站以北約46 km 區(qū)域均同步出現(xiàn)強烈的相對擾動現(xiàn)象. 其中：NO+和△Ni/Ni表現(xiàn)出明顯的升高現(xiàn)象；Ti、Vx和Vz發(fā)生劇烈擾動，Vz的運動方向保持地對空方向，Vy呈現(xiàn)較微弱擾動. 此次等離子體擾動過程持續(xù)56 s，覆蓋范圍約為426 km.

圖5 PAP 第6 164_1 軌道記錄的NWC 地面站引起的電離層加熱擾動Fig. 5 The ionospheric heating disturbances induced by NWC transmitter recorded by the No. 6 164_1 orbit of the PAP

3.2 衛(wèi)星電場功率譜驗證

通過對張衡一號01 衛(wèi)星第5 860_1 軌道和6 164_1軌道電場VLF 頻段z分量功率譜密度(power spectral density, PSD)數(shù)據(jù)求取自然對數(shù)，并繪制時頻圖，結果如圖6、圖7 所示. 橫軸標記了UTC 時間及地理經緯度，黑色虛線為NWC 發(fā)射站所處的緯度位置，縱軸表示觀測頻段范圍.

圖6 張衡一號01 衛(wèi)星第5 860_1 軌道記錄的NWC 地面站上空電場PSDFig. 6 Power spectrum of electric field over the NWC ground station recorded by the No. 5 860_1 orbit of ZH-1 (01) satellite

圖7 張衡一號01 衛(wèi)星第6 164_1 軌道記錄的NWC 地面站上空電場PSDFig. 7 Power spectrum of electric field over the NWC ground station recorded by the No. 6 164_1 orbit of ZH-1 (01) satellite

第5 860_1 軌道電場PSD 值在NWC 站以北約70～400 km 顯著增強，持續(xù)時間約為40 s. 第6 164_1軌道電場PSD 值在NWC 站以北約50～500 km 顯著增強，持續(xù)時間約為60 s. 上述結果與圖4、圖5 中PAP觀測的離子參量擾動范圍基本一致. 電場PSD 值顯著增強的頻段范圍(紅色區(qū)域) 約為19.5 kHz 至20.1 kHz，與NWC 人工源發(fā)射頻率19.8 kHz 基本一致，從而可以確定張衡一號01 衛(wèi)星第5 860_1 軌道和第6 164_1 軌道PAP 觀測的電離層等離子擾動變化，是由NWC 站發(fā)射的VLF 電波引起的.

3.3 擾動特征與傳播機理分析

地基VLF 人工源引起的電離層加熱傳播機制至今仍在研究中. 目前業(yè)內學者普遍認為，由于VLF 波具有傳播損耗小和傳播距離遠的特點，可以在低電離層波導中實現(xiàn)長距離傳輸，并能夠產生空間波粒相互作用效應[17-18].

Wait 于1968 年提出了適用于VLF 的地球-電離層波導傳播模型，電磁波在大氣中傳播時，除了正常的折射外，在一定條件下還會產生超折射現(xiàn)象，從而形成電離層波導傳播[19]. Galejs 于1972 年首次討論了地基VLF 電磁波對低電離層的加熱影響[20]，Juan等人于1994 年進一步證實了VLF 發(fā)射源能夠經常性地在夜間引起電離層D 區(qū)加熱現(xiàn)象[21]. 根據(jù)法國DEMETER 衛(wèi)星(軌道高度約700 km)的觀測結果，該衛(wèi)星在NWC 發(fā)射站上空以北區(qū)域觀測到了相似的等離子體密度及溫度的劇烈擾動現(xiàn)象，并認為該現(xiàn)象是由于NWC 站大功率VLF 波經回旋共振與高能粒子沉降相互作用，引起電離層電子、離子加熱所導致[22]. Parrot 等人認為這種等離子體波增強現(xiàn)象主要是因為VLF 波能量衰減較小有關[23]. 還有學者提出靜電波與離子相互作用是地基VLF 波引起電離層加熱現(xiàn)象的可能原因之一[24-25].

地基大功率人工源產生的VLF 電磁波可以在地面和電離層底邊界之間的波導中來回反射，并沿著地球-電離層波導傳播到相距發(fā)射源位置很遠的地方. 在穿越電離層D/E 區(qū)域時，VLF 電波的大部分能量由于電子和中性成分的強烈碰撞而被吸收消耗，但仍有相當一部分能量可以穿過電離層D/E 區(qū)，繼續(xù)沿著哨聲導管向電離層F 層和磁層傳播. 由于較大能量的輸入，電離層相關區(qū)域等離子體的溫度發(fā)生顯著升高，同時引起等離子體劇烈運動，進而導致NO+、Ti以及漂移速度狀態(tài)發(fā)生顯著變化，并被經過該區(qū)域的張衡一號01 衛(wèi)星科學載荷觀測到. 由于白天電離層等離子體密度梯度很強，而吸收區(qū)域很窄，因此這種地基VLF 波引起的電離層擾動現(xiàn)象白天很少被觀測到，通常出現(xiàn)在夜側[22].

△Ni/Ni表示的是離子總密度后一秒與前一秒的變化漲落情況，而離子密度中NO+的比重最大，約占總體的90% 左右[26]，因此圖4、圖5 中NO+與△Ni/Ni的變化情況相近.

如圖4 所示，第5 860_1 軌道離子垂向漂移速度Vz的運動方向在擾動區(qū)域發(fā)生了變化，由空對地運動方向反轉為地對空運動方向. 如圖5 所示，第6 164_1軌道離子縱向漂移速度Vx和垂向漂移Vz都表現(xiàn)出強烈的同步擾動變化，并且Vz保持地對空運動方向，而Vy則沒有出現(xiàn)劇烈的擾動. 電離層加熱試驗研究表明，當衛(wèi)星經過增強的等離子體密度區(qū)時，觀測離子運動方向會發(fā)生變化[13]. VLF 電波能量由地表向空間進行傳播，引起電離層等離子體垂直向上運動，同時在地球電磁場的作用下，E×B作用力引起等離子體在水平方向發(fā)生漂移[24-25]，進而導致表征垂直地面方向離子漂移速度的Vz和南北方向離子漂移速度的Vx均發(fā)生顯著的突跳變化.

根據(jù)圖4、圖5 所示的在NWC 站以北區(qū)域離子密度、離子溫度、離子漂移速度在夜側軌道的觀測結果，以及圖6、圖7 展示的電場觀測結果可知，地基大功率VLF 發(fā)射源在夜側對電離層500 km 高度的輻射影響范圍約為數(shù)百千米，而后恢復正常狀態(tài). 電離層擾動位置并不是發(fā)生在NWC 站正上空，而是相對站址位置向北側偏離數(shù)十千米. 引起這種現(xiàn)象的原因是，地基VLF 發(fā)射源在電離層某一高度的輻射場呈同心圓形狀，由于電波能量沿哨聲管道傳播，輻射擾動中心區(qū)域相對于發(fā)射源的位置通常向磁赤道方向發(fā)生偏移. 這種偏移變化與發(fā)射源所處的地理緯度以及發(fā)射頻率有關，緯度越低，位置偏移越高[22,24-25].

此外，該現(xiàn)象與地震引起的電離層擾動現(xiàn)象有相似之處. 相關研究表明，地震電離層異常并不是發(fā)生在震中正上空，而是相對震中位置向磁赤道有一定偏移，大部分發(fā)生在幾度至15°左右(緯度)，部分異常可能會超出該范圍[27].

4 結 論

本文介紹了張衡一號01 衛(wèi)星原位探測科學載荷PAP 的主要參數(shù)和數(shù)據(jù)產出，對該載荷在約507 km軌道原位觀測的、由NWC 站大功率地面VLF 人工源輻射引起的電離層加熱擾動現(xiàn)象及特征進行了總結和分析. 具體結論如下：

1)兩個重訪軌道的氧離子密度、離子溫度、離子漂移速度等多個原位觀測量在夜側軌道均同步記錄到NWC 站上空以北約50～500 km 區(qū)域出現(xiàn)的電離層加熱擾動現(xiàn)象，擾動持續(xù)范圍約為300～400 km.

2)通過對相同軌道電場數(shù)據(jù)進行功率譜計算可知，電場功率譜增強區(qū)域與等離子體擾動區(qū)域基本相同，且該區(qū)域電場頻率與NWC 站發(fā)射頻率基本一致，從而可以確定此次衛(wèi)星觀測的等離子體擾動變化由NWC 站發(fā)射的VLF 電波引起.

3)地基大功率VLF 電波能夠對電離層等離子體環(huán)境產生明顯影響. 在電磁場波導傳播的作用下，地基VLF 電波引起的電離層擾動區(qū)域相對于發(fā)射源位置向磁赤道方向發(fā)生偏移.

4)驗證了張衡一號01 衛(wèi)星PAP 對地基大功率VLF 人工發(fā)射源引起的電離層等離子體擾動，具有一定的探測分辨能力.

5)通過對已知的地基電波發(fā)射源引起的電離層等離子體擾動開展研究，對于認識電離層環(huán)境變化特征具有重要的參考意義，可為地震-電離層耦合過程等研究提供觀測參考.