斜測(cè)鏈路F層最高觀(guān)測(cè)頻率變化特性分析

李曉君 陳春 孫樹(shù)計(jì) 劉玉梅

(中國(guó)電波傳播研究所,青島 266107)

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斜測(cè)鏈路F層最高觀(guān)測(cè)頻率變化特性分析

李曉君 陳春 孫樹(shù)計(jì) 劉玉梅

(中國(guó)電波傳播研究所,青島 266107)

斜向探測(cè)是獲取電離層狀態(tài)信息的重要手段之一,根據(jù)斜向探測(cè)系統(tǒng)得到包含電離層狀態(tài)信息的斜測(cè)電離圖,能用于分析斜測(cè)鏈路上電離層相關(guān)參數(shù)的變化特性．以蘇州—青島和蘭州—青島兩條鏈路為例,分析了斜向探測(cè)鏈路F層最高觀(guān)測(cè)頻率(Maximum Observed Frequency of F layer,MOFF)日變化特征;利用2013年12條斜向探測(cè)鏈路MOFF的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),分析了冬、夏、分季的MOFF月中值變化特征,發(fā)現(xiàn)各鏈路的MOFF與電離層電子密度類(lèi)似呈現(xiàn)出較為明顯的日變化和季節(jié)變化特性．選取2013年西安—青島、廣州—?？趦蓷l鏈路的MOFF數(shù)據(jù),與利用鏈路中點(diǎn)附近垂測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的等效MOFF參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析．結(jié)果表明：實(shí)測(cè)MOFF數(shù)據(jù)與等效MOFF數(shù)據(jù)具有較好的一致性,可為短波鏈路選頻、電離層環(huán)境分析等提供參考．

斜向探測(cè);鏈路;F層最高觀(guān)測(cè)頻率;相對(duì)偏差

引 言

電離層斜向探測(cè)是一種常規(guī)電離層探測(cè)手段．利用斜向探測(cè)技術(shù)可以得到電波傳播過(guò)程中的所有頻率的可能傳播模式及其群路徑、強(qiáng)度等信道特性．斜向探測(cè)采用收發(fā)分置的裝置,無(wú)線(xiàn)電波從發(fā)射站斜向入射到電離層,經(jīng)電離層反射后到達(dá)接收站,形成固定地面距離的頻率-群時(shí)延特性曲線(xiàn),即斜測(cè)電離圖．對(duì)斜測(cè)電離圖進(jìn)行分析處理,能提取鏈路最高和最低觀(guān)測(cè)頻率,進(jìn)而反演反射點(diǎn)附近的電離層特征參數(shù),這對(duì)于短波通信鏈路頻率預(yù)報(bào)和電離層環(huán)境特性研究等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義．

鏈路基本最高可用頻率(Maximum Usable Fr-equency,MUF)是無(wú)線(xiàn)電波在給定的收發(fā)終端間只通過(guò)電離層折射進(jìn)行傳播的最高頻率．當(dāng)頻率高于基本MUF時(shí),仍經(jīng)常能接收到信號(hào),這除了電離層觀(guān)測(cè)的誤差和理論公式不完全恰當(dāng)?shù)纫蛩刂?還可能出現(xiàn)如Es層反射、F層散射和非大圓路徑側(cè)向反射等傳播模式．在指定的時(shí)間和工作條件下,無(wú)線(xiàn)電波在給定收發(fā)終端間獲得的可接受性能的最高頻率,稱(chēng)為鏈路的工作MUF．而鏈路的MOFF是無(wú)線(xiàn)電波在給定的收發(fā)終端間通過(guò)電離層折射進(jìn)行傳播時(shí)形成的斜向觀(guān)測(cè)電離圖F層描跡對(duì)應(yīng)的最高頻率．可見(jiàn),鏈路的MOFF更接近于鏈路的工作MUF．

電離層是一個(gè)非常復(fù)雜的隨時(shí)空變化的非線(xiàn)性系統(tǒng),影響因素眾多．電離層F2層對(duì)入射到電離層的無(wú)線(xiàn)電波傳播起主要作用,受太陽(yáng)輻射、大氣環(huán)流、地磁活動(dòng)等因素的影響,其電子濃度隨晝夜、季節(jié)、太陽(yáng)活動(dòng)、地理位置等發(fā)生復(fù)雜變化,由斜向探測(cè)電離圖獲取的電離層參數(shù)F層最低觀(guān)測(cè)頻率(Low Observed Frequency of F layer,LOFF)及F層最高觀(guān)測(cè)頻率(MOFF)與電離層電子濃度的變化密切相關(guān),因此，也表現(xiàn)出明顯的晝夜變化、季節(jié)變化等特征．

國(guó)外自上世紀(jì)70年代起在電離層斜向探測(cè)原理[1]、斜測(cè)電離圖反演方法[2]、斜測(cè)電離圖顯示及參數(shù)度量[3]、斜測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析及應(yīng)用[4]等方面開(kāi)展了一定的工作,為電離層斜向探測(cè)技術(shù)研究奠定了理論及應(yīng)用基礎(chǔ)．在國(guó)內(nèi),中國(guó)電波傳播研究所的科研人員在電離層斜向傳播模式[5]、斜測(cè)電離圖反演不穩(wěn)定性算法研究[6]等方面開(kāi)展了部分工作．此外,文獻(xiàn)[7]利用我國(guó)多條斜測(cè)鏈路的F2層基本最高可用頻率(MUF)月中值數(shù)據(jù),與ITU-R P.434方法計(jì)算的F2層基本MUF進(jìn)行了比較,分析了該方法在中國(guó)地區(qū)的適用性．武漢大學(xué)也開(kāi)展了電離層斜向探測(cè)系統(tǒng)的研制工作[8],并利用該系統(tǒng)對(duì)武漢-萬(wàn)寧和萬(wàn)寧-武漢兩條電離層高頻信道的互易性進(jìn)行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩條信道有較好的互易性[9]．

選取了電波環(huán)境觀(guān)測(cè)站網(wǎng)12條斜向探測(cè)鏈路的數(shù)據(jù),對(duì)MOFF月中值的變化特性進(jìn)行了分析．進(jìn)一步選取大圓距離分別在500 km、1 000 km左右的青島—西安、廣州—?？趦蓷l鏈路,利用鏈路中點(diǎn)附近的垂測(cè)站foF2數(shù)據(jù)計(jì)算鏈路的等效MOFF參數(shù),并與實(shí)測(cè)MOFF進(jìn)行了對(duì)比．

1 數(shù)據(jù)分析處理方法

綜合考慮電波環(huán)境觀(guān)測(cè)站網(wǎng)斜測(cè)鏈路反射點(diǎn)附近的垂測(cè)站位置,選取了其中的12條斜向探測(cè)鏈路,鏈路信息如表1所示．所選鏈路的中點(diǎn)距離最近的垂測(cè)站距離不超過(guò)300 km,遠(yuǎn)低于電離層變化的空間相關(guān)尺度[10]．

表1 斜測(cè)鏈路信息

利用斜測(cè)電離圖自動(dòng)判讀軟件對(duì)所有斜測(cè)電離圖數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)判讀,獲取各鏈路的實(shí)測(cè)MOFF參數(shù),為分析電離層相對(duì)平靜時(shí)MOFF參數(shù)的變化情況,采用MOFF月中值進(jìn)行對(duì)比分析．

根據(jù)垂直探測(cè)和斜向探測(cè)電離圖間的等效關(guān)系,當(dāng)斜入射與垂直入射的兩束無(wú)線(xiàn)電波反射高度相同時(shí),其頻率值滿(mǎn)足正割定理,斜向探測(cè)電離圖可以由斜向探測(cè)鏈路中點(diǎn)的垂直探測(cè)電離圖變換而來(lái)．若電波以角度φ0入射到電離層,忽略地磁場(chǎng)的作用,由正割定理可得斜向探測(cè)電波的頻率fo與同樣真實(shí)高度反射的垂直探測(cè)電波頻率fv有如下關(guān)系,即

fo=fvsecφ0

(1)

圖1 斜投射射線(xiàn)的幾何關(guān)系圖

圖1為無(wú)線(xiàn)電波入射到電離層的斜投射射線(xiàn)的幾何關(guān)系示意圖,若收發(fā)站兩地的大圓距離為D,反射點(diǎn)處的斜路徑群距離為P,地球半徑為r0,由圖1可知

(2)

由式(1)式(2)可得,等效斜測(cè)鏈路F層最高觀(guān)測(cè)頻率與鏈路反射點(diǎn)處的垂測(cè)F2層尋常波臨界頻率foF2有如下關(guān)系

(3)

在相同時(shí)刻,根據(jù)反射點(diǎn)附近垂測(cè)站的foF2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及斜測(cè)鏈路實(shí)測(cè)F層最高觀(guān)測(cè)頻率對(duì)應(yīng)的群距離P,由式(3)可計(jì)算等效斜測(cè)鏈路F層最高觀(guān)測(cè)頻率f等效．

若以垂測(cè)foF2計(jì)算的等效斜測(cè)鏈路的最高觀(guān)測(cè)頻率f等效作為基準(zhǔn),定義實(shí)測(cè)鏈路的F層最高觀(guān)測(cè)頻率f實(shí)測(cè)相對(duì)等效鏈路的F層最高觀(guān)測(cè)頻率的相對(duì)偏差為

(4)

2 鏈路MOFF變化特性

2.1 MOFF日變化特性分析

本文僅以南北走向的蘇州—青島鏈路,東西走向的蘭州—青島鏈路兩條鏈路為例分析MOFF日變化特性,其中蘇州—青島和蘭州—青島兩條鏈路的大圓距離分別為1 487 km和547 km．圖2給出了這兩條鏈路連續(xù)五天的實(shí)測(cè)MOFF變化曲線(xiàn)(2014-3-17～2014-3-21日)．

圖2 2014-3-17～2014-3-21兩條鏈路MOFF的變化曲線(xiàn)

從圖2可以看出,兩條鏈路MOFF都表現(xiàn)出較為明顯的日變化特性．在當(dāng)?shù)貢r(shí)間5～7點(diǎn),MOFF出現(xiàn)一天中的極小值,隨著太陽(yáng)的變化,日出后電離層電子密度開(kāi)始增大,鏈路的MOFF也隨之增大,在正午附近MOFF達(dá)到一天中的極大值,MOFF持續(xù)一段時(shí)間的較高水平,日落時(shí)刻以后隨著太陽(yáng)輻射的減弱,鏈路的最高觀(guān)測(cè)頻率開(kāi)始逐漸減小,夜間維持一個(gè)較低的水平至凌晨開(kāi)始加速減小到日出前后時(shí)刻達(dá)到最小值．以上結(jié)果與電離層電子密度的變化特征類(lèi)似[11-12]．此外,對(duì)同一時(shí)刻而言,通信鏈路的大圓距離越長(zhǎng),觀(guān)測(cè)到的MOFF通常也越大．

電離層中存在著各種尺度的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,這些過(guò)程對(duì)電離層結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展起著重要的作用,局部地區(qū)電子數(shù)密度的變化取決于產(chǎn)生率、消失率和由于運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電離通量．對(duì)于電離層F2區(qū)而言,電離的平均壽命為數(shù)小時(shí),在這段時(shí)間尺度內(nèi)不存在純粹的光化平衡．不僅背景F2層是擴(kuò)散平衡的結(jié)果,整個(gè)F區(qū)的各種異常都與運(yùn)動(dòng)有關(guān),涉及背景的平均環(huán)流、熱層風(fēng)、低熱層和中間層大氣中的潮汐和聲重力波以及電離層本身的運(yùn)動(dòng),例如電磁場(chǎng)導(dǎo)致的電子漂移,從而引起斜測(cè)鏈路MOFF的不規(guī)則變化．例如,在聲重波的作用下,電離層F2層峰值foF2附近的高度發(fā)生了迅速地變化．這種大尺度重力波的擾動(dòng)能夠產(chǎn)生電子濃度的梯度,使電子濃度隨高度發(fā)生變化．當(dāng)高頻電波穿過(guò)這樣的電離層時(shí),電波傳播的多徑效應(yīng)將使接收?qǐng)鰪?qiáng)發(fā)生變化,從而對(duì)斜測(cè)鏈路F層最高觀(guān)測(cè)頻率的變化特性產(chǎn)生影響[13]．

2.2 MOFF季節(jié)變化特性分析

將全年分為冬季(1、2、11、12月)、分季(3、4、9、10月)、夏季(5、6、7、8月)．分別以8、10和12月作為夏季、分季和冬季的代表,圖3給出了表1所有鏈路2013年不同季節(jié)MOFF月中值的變化曲線(xiàn),其中紅色曲線(xiàn)表示夏季,藍(lán)色曲線(xiàn)表示分季,黑色曲線(xiàn)表示冬季．

MOFF在白天中午冬季值常常大于夏季值,這與冬季F2層臨界頻率和總電子含量的中午值常常大于夏季的特性相同,即“冬季異常”現(xiàn)象．MOFF的這種季節(jié)變化特性與電離層電子濃度的變化相關(guān),Rishbeth[14]認(rèn)為電子密度的變化歸因于熱層大氣中氧原子與氮分子濃度比的變化．大氣環(huán)流將相對(duì)較輕的夏季區(qū)域氧原子吹向冬季區(qū),留下不易被吹走的相對(duì)較重的氧分子和氮分子,導(dǎo)致夏季區(qū)域中氧原子較少,冬季區(qū)域中氧原子較多,從而造成這種季節(jié)異常．

圖3 2013年不同季節(jié)各條鏈路MOFF的變化曲線(xiàn)

2.3 實(shí)測(cè)與等效MOFF對(duì)比分析

對(duì)于單條鏈路,分別以相距為1 092 km的西安—青島鏈路、相距為470 km的廣州—?？阪溌窞槔?將2013年1～12月實(shí)測(cè)MOFF月中值與利用垂測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的等效MOFF月中值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如下圖4、圖5所示．

從圖中可以看出,西安—青島鏈路實(shí)測(cè)MOFF月中值在大部分時(shí)刻比計(jì)算的等效MOFF月中值稍偏低．廣州—海口鏈路在冬季、分季的夜晚實(shí)測(cè)MOFF月中值比等效MOFF月中值偏高,白天中午偏低．從全年的結(jié)果看來(lái),這兩條鏈路實(shí)測(cè)MOFF月中值和等效MOFF月中值曲線(xiàn)每個(gè)時(shí)刻的變化趨勢(shì)基本一致,符合性較好．

根據(jù)公式(4)計(jì)算兩條鏈路MOFF月中值與計(jì)算的等效MOFF月中值相對(duì)偏差如圖6所示．西安—青島鏈路全年的平均相對(duì)偏差變化較小,大部分時(shí)刻在10%以?xún)?nèi),其中1、3、7月有個(gè)別時(shí)刻達(dá)20%．廣州—海口鏈路在冬季、分季夜晚的相對(duì)偏差比白天偏大一些,在夏季的相對(duì)偏差最小,夏季全天相對(duì)偏差都在10%左右．兩條鏈路全年的平均相對(duì)偏差均約10%,表明實(shí)測(cè)鏈路MOFF與計(jì)算的等效MOFF具有較好的符合度．

圖4 西安—青島鏈路實(shí)測(cè)MOFF與新鄉(xiāng)foF2計(jì)算的等效MOFF月中值對(duì)比

圖5 廣州—?？阪溌穼?shí)測(cè)MOFF與廣州foF2計(jì)算的等效MOFF月中值對(duì)比

圖6 西安—青島、廣州—?？阪溌穼?shí)測(cè)MOFF與計(jì)算的等效MOFF月中值相對(duì)偏差

3 結(jié) 論

對(duì)我國(guó)區(qū)域不同走向的兩條電離層斜向探測(cè)鏈路連續(xù)5天的MOFF變化曲線(xiàn)進(jìn)行了分析,并對(duì)12條斜測(cè)鏈路的MOFF月中值的在不同季節(jié)的變化特性進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明,MOFF的日變化及季節(jié)變化特性與電離層F2層特征頻率foF2的變化[15]具有高度的相似性．鏈路的MOFF水平白天較高,夜間較低,日出前達(dá)到一天中的極小值,正午前后達(dá)到一天中的極大值,呈現(xiàn)較為明顯的日變化特性;對(duì)不同的季節(jié),夏季夜間的MOFF較高,冬季較低．夏季白天的MOFF低于冬季和分季,呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特性．

對(duì)西安—青島、廣州—?？趦蓷l鏈路實(shí)測(cè)MOFF月中值與利用鏈路中點(diǎn)附近垂測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的等效MOFF月中值結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果發(fā)現(xiàn),斜測(cè)MOFF與計(jì)算的等效MOFF具有較好的一致性．通過(guò)分析其相對(duì)偏差發(fā)現(xiàn),鏈路二者的平均相對(duì)偏差均在10%以?xún)?nèi),一致性非常好．進(jìn)一步說(shuō)明斜向探測(cè)數(shù)據(jù)可用于研究鏈路反射點(diǎn)區(qū)域的電離層參數(shù)信息．

在現(xiàn)有MOFF月中值對(duì)比分析的基礎(chǔ)上,下一步擬開(kāi)展斜測(cè)和垂測(cè)數(shù)據(jù)的逐日變化對(duì)比分析,研究利用斜測(cè)電離圖獲得反射點(diǎn)附近頻高圖電離層參數(shù)的可用性、能力和方法,提高電離層高頻探測(cè)技術(shù)在電離層空間天氣研究和高頻通信實(shí)時(shí)選頻方面的應(yīng)用能力．

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Analysis on the properties of maximum observed frequency of F layer for ionospheric oblique links

LI Xiaojun CHEN Chun SUN Shuji LIU Yumei

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Ionospheric oblique sounding is a powerful tool for acquiring the status of the ionosphere. An oblique ionogram is obtained by using oblique sounding, which contains useful information about the ionosphere and can be used to achieve the ionospheric variation characteristic of given oblique link. Take Suzhou-Qingdao and Lanzhou-Qingdao links for example, the dinural variations of the Maximum Observed Frequency of the ionospheric F layer (MOFF) is analyzed; Observational data of the MOFF obtained by 12 ionospheric oblique links in China during 2013 were used to study the variation characteristics of their monthly medians in winter, summer and equino. It shows that the MOFF of each link present obvious diurnal and seasonal variations as the ionospheric electron concentration. The MOFF data obtained in 2013 by Qingdao-Xi’an and Guangzhou-Haikou links were chosen for further study by comparing with the equivalent MOFF data calculated by the vertical sounding data near the mid-point of the chosen links. The preliminary results indicate that MOFF has good agreement with the calculated equivalent one, which indicates its value for short-wave frequency selection or ion-ospheric environment studies.

oblique sounding; link; maximum observed frequency of F layer(MOFF); relative deviation

10.13443/j.cjors. 2014111903

2014-11-19

P352

A

1005-0388(2015)05-0922-07

李曉君 (1982-)，女，湖北人，中國(guó)電波傳播研究所工程師，主要從事數(shù)據(jù)庫(kù)、電波傳播相關(guān)軟件研發(fā)等工作.

陳春 (1970-)，男，河南人，博士，中國(guó)電波傳播研究所高級(jí)工程師，目前主要從事電離層及其電波傳播物理等方面的研究工作.

孫樹(shù)計(jì) (1981-)，男，河南人，博士，中國(guó)電波傳播研究所高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g物理.

劉玉梅 (1978-),女,山東人,碩士,中國(guó)電波傳播研究所高級(jí)工程師,主要從事電波環(huán)境及傳播特性等研究工作．

李曉君, 陳春, 孫樹(shù)計(jì), 等. 斜測(cè)鏈路F層最高觀(guān)測(cè)頻率變化特性分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2015,30(5):922-928.

LI Xiaojun, CHEN Chun, SUN Shuji, et al. Analysis on the properties of maximum observed frequency of F layer for ionospheric oblique links[J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(5):922-928. (in Chinese). doi: 10.13443/j.cjors. 2014111903

聯(lián)系人： 李曉君 E-mail：zhaojunxinxiang@sohu.com