電離層閃爍對跟蹤測量的影響分析及規(guī)避策略*

張海明，陳 菊，袁愛萍，梁 禎，袁 線

(1.宇航動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710043;2.西安衛(wèi)星測控中心，西安 710043)

1 引言

作為日地空間環(huán)境的重要組成部分，電離層保護(hù)了地球上的生物免受太陽紫外線輻射和宇宙高能粒子的直接作用，維持遠(yuǎn)距離無線電通信，但也會引發(fā)電離層閃爍，對衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。電離層閃爍對電波傳播的影響會導(dǎo)致接收系統(tǒng)通信故障和誤碼率增加、導(dǎo)航定位精度下降、天基雷達(dá)成像性能降低等［1－2］。據(jù)美國航天部門統(tǒng)計(jì)，約40% 的航天故障與電離層空間環(huán)境中的災(zāi)變有關(guān)［3］。為減輕或避免電離層劇烈擾動等空間環(huán)境災(zāi)害天氣帶來的巨大損失，國際科技資料廣播報(bào)和世界日服務(wù)局(IUWDS)已開展日地空間環(huán)境預(yù)報(bào)并發(fā)布相關(guān)的電離層變化信息等服務(wù)。目前，在國際互聯(lián)網(wǎng)上可以準(zhǔn)實(shí)時(shí)看到美國、歐洲、澳大利亞等國家和地區(qū)的相關(guān)機(jī)構(gòu)發(fā)布的電離層電子總含量(Total Electron Content，TEC)圖和電離層閃爍狀態(tài)圖。美國一直非常重視電離層閃爍對無線電系統(tǒng)的影響和修正研究:資助研究閃爍預(yù)報(bào)模型WBMOD;建設(shè)通信/導(dǎo)航中斷預(yù)測系統(tǒng)(C/NOFS);和中國臺灣聯(lián)合開展COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere and Climate)計(jì)劃。美國利用空間衛(wèi)星和地面電離層閃爍監(jiān)測網(wǎng)系統(tǒng)(SCINDA)相結(jié)合，可對電離層閃爍進(jìn)行短期(閃爍前2～3 h)、中期(4～6 h)和長期(24～72 h)的預(yù)報(bào)。歐洲隨著EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service)和GALILEO 系統(tǒng)的建設(shè)也在開展相關(guān)方面研究。由于全球電離層閃爍模式數(shù)據(jù)主要來自美洲、歐洲地區(qū)，均缺乏中國地區(qū)的數(shù)據(jù)支持，這些模式在我國低緯地區(qū)的預(yù)測精度和適用性還有待提高。

我國在電離層閃爍方面研究始于20 世紀(jì)80年代衛(wèi)星信標(biāo)觀測站的建立，主要集中在監(jiān)測預(yù)報(bào)和區(qū)域性統(tǒng)計(jì)研究等方面。近年來，伴隨著我國空間技術(shù)的高速發(fā)展和航空航天任務(wù)對測控系統(tǒng)高可靠性的需要，為避免電離層閃爍對航天測控系統(tǒng)完備性造成損害，我國相繼提出和開展的重大計(jì)劃有“地球空間雙星探測計(jì)劃”、“子午工程”、“太陽空間望遠(yuǎn)鏡”以及在“風(fēng)云”、“資源”等衛(wèi)星上搭載空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，有力地推動了我國電離層研究探測進(jìn)入新的階段。國內(nèi)許多單位對電離層閃爍進(jìn)行了監(jiān)測與分析:王霄和方涵先等人［4］分析了太陽活動下降年赤道電離層L 頻段的閃爍特征以及與擴(kuò)展F的關(guān)系;甄衛(wèi)民和劉鈍等人［5］利用GPS 衛(wèi)星信號研究了低緯地區(qū)L 頻段閃爍對定位性能的影響效應(yīng);尚社平等人分析了海南地區(qū)L 頻段電離層電波閃爍的太陽活動下降年期以及春、秋分時(shí)節(jié)的閃爍特征分布;李國主和胡連歡等人［6－7］對低緯地區(qū)擴(kuò)展F 層不規(guī)則體模式及其對無線電波散射的效應(yīng)進(jìn)行建模計(jì)算。本文通過某測控中心若干南方衛(wèi)星測控站S 頻段設(shè)備開展相關(guān)監(jiān)測試驗(yàn)，利用收集的數(shù)據(jù)對比分析電離層閃爍對衛(wèi)星測控站跟蹤測量影響，并給出相應(yīng)的規(guī)避措施。

2 電離層閃爍效應(yīng)

電離層是由地球大氣吸收太陽輻射后電離產(chǎn)生的。電離層電子密度的不均勻性會導(dǎo)致穿越電離層的衛(wèi)星信號幅度、相位的快速波動，稱為電離層閃爍。電離層閃爍的程度、空間分布以及類型(振幅、相位閃爍)與電離層電子密度不均勻體結(jié)構(gòu)的空間分布和尺度密切相關(guān)。通常，電離層不均勻體結(jié)構(gòu)的空間尺度從幾米到數(shù)千公里，空間譜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其成因可能是由幾種電離層(按高度可分為D、E、F層)不穩(wěn)定性過程作用所致，包括Raleigh－ Taylor不穩(wěn)定性、聲重力波及東向背景電場梯度漂移(或不穩(wěn)定性)等。

2.1 電離層閃爍發(fā)生時(shí)機(jī)

電離層閃爍主要發(fā)生在春、秋分前后，在地方時(shí)上，通常發(fā)生在當(dāng)?shù)厝章浜蟮囊雇碇恋诙炝璩?，持續(xù)時(shí)間從幾十分鐘到幾小時(shí)不等，其主要原因是夜間電離層電子濃度分布發(fā)生變化。電離層閃爍不僅隨季節(jié)和地方時(shí)變化，其出現(xiàn)概率和強(qiáng)度也隨太陽活動水平的增強(qiáng)而增大［8］，在太陽活動高年的磁赤道異常區(qū)，電離層閃爍幾乎在每天日落后都出現(xiàn)。

2.2 電離層夜間“中緯槽”現(xiàn)象

由于電離層夜間接收不到太陽輻射，電子密度逐漸變小，而磁層活動在夜間增強(qiáng)，使電子密度向磁赤道和兩極遷移，形成中緯度比較低，低緯度、高緯度地區(qū)相對電子密度反而增高的“中緯槽”現(xiàn)象。

2.3 電離層閃爍發(fā)生的區(qū)域

電離層強(qiáng)閃爍高發(fā)區(qū)集中在以磁赤道為中心的±20°的低緯區(qū)域，磁赤道異常區(qū)閃爍最強(qiáng)(如圖1 所示)。我國南方地區(qū)，特別是臺灣、福建、廣東、廣西、海南及南海地區(qū)，均處在磁赤道異常區(qū)的峰值區(qū)域，其閃爍出現(xiàn)率和嚴(yán)重程度較磁赤道和極區(qū)更為顯著。

圖1 國際電波聯(lián)盟公布的全球L 頻段電離層閃爍衰落分布Fig.1 Global fading distribution of L－band ionospheric scintillations published by the International Union of Radio

2.4 電離層閃爍指數(shù)

電離層閃爍強(qiáng)度一般用振幅閃爍指數(shù)和相位閃爍指數(shù)來衡量。

振幅閃爍指數(shù)S4定義為歸一化的信號強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差:

式中，＜＞表示1 min數(shù)據(jù)的均值;SI表示信號強(qiáng)度，即接收到的信號功率。S4指數(shù)隨幅度閃爍的增強(qiáng)而增大，無閃爍發(fā)生時(shí)，S4≤0.2;弱閃爍發(fā)生時(shí)，0.2 ＜S4≤0.4;中等強(qiáng)度閃爍發(fā)生時(shí)，0.4 ＜S4≤0.6;強(qiáng)閃爍發(fā)生時(shí)，S4＞0.6［9］。

3 電離層閃爍影響試驗(yàn)

3.1 電離層閃爍對電波傳播的影響

電離層閃爍具有較強(qiáng)的時(shí)間和空間變化特征，其影響頻段從30 MHz到10 GHz，包括VHF、UHF、L、S、C 頻段(特定外部條件下可影響到Ku 頻段)，隨著頻段的提高，影響程度逐漸減弱［10］。電離層閃爍會導(dǎo)致地面接收信號(尤其是3 GHz頻率以下)嚴(yán)重衰落與畸變，強(qiáng)閃爍能導(dǎo)致L 頻段信號產(chǎn)生15 dB以上衰落，遠(yuǎn)超測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)余量。

實(shí)際觀測中的衛(wèi)星下行信號出現(xiàn)閃爍的情況如圖2 所示。

圖2 電離層閃爍引起衛(wèi)星信號快速隨機(jī)波動Fig.2 Quick stochastic solatility of satellite signal caused by ionospheric scintillation

3.2 中心測控工作現(xiàn)狀及所面臨的風(fēng)險(xiǎn)

目前，中心南方測控站裝備的S、C 頻段測控設(shè)備及L 頻段GNSS 定位設(shè)備均工作在易被電離層閃爍干擾的頻段內(nèi)，在每年春、秋分電離層閃爍高發(fā)季，夜間跟蹤測控工作經(jīng)常受到電離層閃爍的干擾，造成信號電平嚴(yán)重閃爍，影響正常的跟蹤測控。為評估電離層閃爍對航天器測控系統(tǒng)完好性的影響，中心組織南方3 個(gè)測站共6 套設(shè)備(簡稱為A1、A2、B1、B2、C1、C2)進(jìn)行為期一個(gè)月(5 月3 日～6 月3日)的空間電離層閃爍監(jiān)測試驗(yàn)，對在跟蹤弧段所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，制定相應(yīng)對策。

3.3 數(shù)據(jù)分析與評估

根據(jù)“電波環(huán)境信息保障系統(tǒng)”發(fā)布的5 月份空間電磁環(huán)境電離層強(qiáng)閃爍情況通報(bào)，電離層強(qiáng)閃爍主要發(fā)生在4、6、10、12、14 及19 日的夜間或凌晨。

分析各衛(wèi)星測控站跟蹤測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在非閃爍時(shí)段，跟蹤測量信號平穩(wěn)，數(shù)據(jù)隨機(jī)差較小;當(dāng)跟蹤測量時(shí)段發(fā)生電離層強(qiáng)閃爍時(shí)，下行信號幅度(AGC)抖動劇烈，引起測量數(shù)據(jù)(ΔFd、Δv)隨機(jī)差增大，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致跟蹤丟失，對衛(wèi)星測控站跟蹤測量影響明顯。在統(tǒng)計(jì)的238 圈次跟蹤結(jié)果中，受電離層閃爍影響較大的有10 圈次，統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 南方測站參加電磁環(huán)境測試跟蹤圈次統(tǒng)計(jì)Table 1 Frequency statistics of tracking loops of southern station joining the electromagnetic environment test

5 月12 日，國家電波環(huán)境監(jiān)測預(yù)報(bào)中心通報(bào)，海口站觀測到電離層閃爍指數(shù)如圖3 所示。

圖3 ?？谡?013－05－12 電離層閃爍指數(shù)曲線圖Fig.3 Ionospheric scintillation index of Haikou station，tested in 2013－05－12

5 月12 日22∶ 44～22∶ 53 時(shí)間段，A2 跟蹤A星的數(shù)據(jù)曲線如圖4 所示。

圖4 A2 跟蹤A 星下行電平和測速隨機(jī)差曲線Fig.4 A2 tracking A satellite down signal level and random error of velocity measurement curve

5 月12 日20∶ 20～20∶ 34 時(shí)間段，C2 跟蹤F星數(shù)據(jù)曲線如圖5 所示。

圖5 C2 跟蹤F 星下行信號電平數(shù)據(jù)曲線Fig.5 C2 tracking F satellite down signal level curve

5 月12 日20∶ 11～20∶ 33，B1 跟蹤D 星的數(shù)據(jù)曲線如圖6 所示。

5 月19 日，國家電波環(huán)境監(jiān)測預(yù)報(bào)中心通報(bào)，?？谡居^測到電離層閃爍指數(shù)如圖7 所示。

圖7 海口站2013－05－19 電離層閃爍指數(shù)曲線圖Fig.7 Ionospheric scintillation index of Haikou station，tested in 2013－05－19

5 月19 日21∶ 51～22∶ 01 時(shí)間段，B1 跟蹤E星數(shù)據(jù)曲線如圖8 所示。

圖8 B1 跟蹤E 星下行信號電平數(shù)據(jù)和多普勒差分曲線Fig.8 B1 tracking E satellite down signal level and doppler differential curve

電離層閃爍強(qiáng)度與下行接收信號電平隨機(jī)差統(tǒng)計(jì)情況見表2。

表2 電離層閃爍強(qiáng)度與下行接收信號電平隨機(jī)差統(tǒng)計(jì)表Table 2 Ionospheric scintillation intensity and down signal level statistics of random errors

3.4 試驗(yàn)結(jié)論

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析比較，可認(rèn)為:

(1)電離層閃爍會導(dǎo)致下行跟蹤測量信號電平和多普勒頻偏抖動;

(2)電離層閃爍對載波幅度影響明顯，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致載波失鎖，跟蹤丟失;

(3)電離層閃爍是測控系統(tǒng)外部空間環(huán)境電磁干擾的主要威脅源之一。

航天測控系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星通信采用高頻信號，電離層的吸收和反射對其產(chǎn)生的影響已不重要，主要影響是電離層快速隨機(jī)變化所引起的衛(wèi)星信號的快速隨機(jī)起伏，大幅度閃爍可導(dǎo)致信號幅度的衰落，使信道的信噪比下降，誤碼率上升，測量數(shù)據(jù)隨機(jī)差增大甚至通信鏈路中斷。電離層閃爍越強(qiáng)，衰落電平低于接收門限的次數(shù)和頻率就越高，對接收機(jī)的正常工作影響也越大。當(dāng)衰落深度和時(shí)間超出接收機(jī)的最低門限時(shí)，對應(yīng)的衛(wèi)星信號就會失鎖，失鎖時(shí)間取決于閃爍發(fā)生期間接收信號低于接收機(jī)接收門限的時(shí)間。

4 規(guī)避策略

目前，中心南方測控站裝備的S 頻段和C 頻段兩類測控設(shè)備均工作在易受電離層閃爍干擾的頻段內(nèi)，隨著我國航天事業(yè)高速發(fā)展，中心全球布站的發(fā)展要求和我國的區(qū)域環(huán)境特性使得電離層閃爍影響更加嚴(yán)重。為降低跟蹤測量、測控的安全風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)前可從以下幾方面開展相應(yīng)工作:

(1)測站選址需對電離層環(huán)境影響進(jìn)行系統(tǒng)深入的評估論證，從設(shè)計(jì)、建設(shè)、試驗(yàn)、運(yùn)行保障等方面考慮應(yīng)對措施，將電離層閃爍預(yù)警納入系統(tǒng)完好性檢測;

(2)測控設(shè)備研制應(yīng)從天線副瓣電平優(yōu)化［11］，接收機(jī)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)(頻率選擇、編碼形式、信道余量等)方面保證在持續(xù)中等強(qiáng)度和短時(shí)大強(qiáng)度的電離層閃爍發(fā)生時(shí)保持環(huán)路跟蹤?？煽紤]加入快速自適應(yīng)帶寬鎖相環(huán)，通過對電離層閃爍的迅速識別來切換鎖相環(huán)的工作帶寬;優(yōu)化環(huán)路濾波器性能以減輕電離層閃爍時(shí)信號迅速衰落和相位突變對跟蹤的影響;

(3)深化與國家電波環(huán)境監(jiān)測預(yù)報(bào)中心等部門的合作，深入開展高精度電離層修正模型的理論研究，從電離層誤差修正技術(shù)、相關(guān)系統(tǒng)完好性實(shí)現(xiàn)技術(shù)等方面開展針對性研究，尤其要對我國中部、南部地區(qū)電離層閃爍進(jìn)行更深入的研究，提高我國中低緯電離層閃爍模型修正精度，建設(shè)有效的電離層閃爍監(jiān)測預(yù)警保障系統(tǒng);

(4)為降低任務(wù)弧段跟蹤測量以及在軌衛(wèi)星長期管理測控工作的安全風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)部門在制定測控網(wǎng)設(shè)備資源分配計(jì)劃時(shí)，應(yīng)減少或避免近赤道區(qū)的南方測站在電離層強(qiáng)閃爍(S4＞0.5)多發(fā)時(shí)段進(jìn)行重要弧段的跟蹤測控。

未來中心可通過提高空間環(huán)境觀測及預(yù)警能力，減小電離層閃爍對航天測控系統(tǒng)的影響。常見的觀測方式有衛(wèi)星與火箭當(dāng)?shù)販y量、地面非相干散射雷達(dá)測量、地面與衛(wèi)星垂直探測、衛(wèi)星信標(biāo)閃爍與法拉第旋轉(zhuǎn)測量等，作為對大功率散射雷達(dá)和衛(wèi)星測量電離層的重要補(bǔ)充，地基衛(wèi)星信標(biāo)接收機(jī)臺陣測量是獲得電離層不均勻結(jié)構(gòu)漂移信息的一種有效便利的技術(shù)手段［12］。近年的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究證明，利用空間間隔的多臺接收機(jī)接收到的衛(wèi)星閃爍數(shù)據(jù)，可精確估計(jì)不均勻結(jié)構(gòu)的漂移速度，結(jié)合電離層修正模型能有效提高預(yù)警準(zhǔn)確性。此外，中心可利用現(xiàn)有的多衛(wèi)星(GNSS 系統(tǒng)、靜止氣象衛(wèi)星和極軌氣象衛(wèi)星等)接收設(shè)備的天線及高頻、中頻信號接收通道，加裝多信號源信息融合分析功能，在中頻輸出端進(jìn)行電離層閃爍監(jiān)測。多種衛(wèi)星信息因其特點(diǎn)不同可從中取長補(bǔ)短，如靜止氣象衛(wèi)星資料對某些區(qū)域形成固定的捕獲區(qū)，將極軌氣象衛(wèi)星信號的探測資料用于對電離層閃爍體的快速捕獲，與空間覆蓋區(qū)域較大的GPS 資料結(jié)合可估算閃爍體尺度及運(yùn)動。在多區(qū)域、多點(diǎn)同時(shí)開展對電離層閃爍多尺度時(shí)空結(jié)構(gòu)及運(yùn)動規(guī)律的研究，不斷積累觀測數(shù)據(jù)改進(jìn)電離層閃爍效應(yīng)模型算法，在提高電離層環(huán)境監(jiān)測預(yù)警能力的同時(shí)可降低電離層監(jiān)測設(shè)備的成本。

5 結(jié)束語

綜上所述，通過對電離層閃爍效應(yīng)研究和對南方衛(wèi)星測控站一個(gè)月跟蹤測量數(shù)據(jù)的分析，充分驗(yàn)證了電離層強(qiáng)閃爍時(shí)會引起S 頻段接收機(jī)載波失鎖，跟蹤丟失。此結(jié)論和國內(nèi)外對電離層閃爍對無線通信的影響研究結(jié)果相近，適用于同類型測控設(shè)備。受限于我國區(qū)域性模型尚未完善，電離層閃爍難以精確預(yù)測，現(xiàn)階段可采用文中提出的規(guī)避策略降低電離層閃爍對航天器測控的潛在風(fēng)險(xiǎn)。未來還需要在電離層閃爍的數(shù)據(jù)積累及模型算法等方面進(jìn)一步研究。

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