張衡一號衛(wèi)星三頻信標(biāo)載荷典型事件觀測

魯恒新 申旭輝 趙庶凡 廖力 林劍 黃建平 澤仁志瑪 孫芳 郭峰

（1. 應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085；2. 中國地震局地球物理研究所，北京 100081；3. 中國電波傳播研究所，青島 266107）

引 言

電離層是地球大氣層的一個重要組成部分[1]，同時也是地球近地空間環(huán)境的一部分，與人類生產(chǎn)、生活密切相關(guān). 電離層除了能夠抵擋來自太陽的輻射和宇宙高能粒子的直接作用，保護地球上的生物外，還對穿越其中的無線電波有著折射、散射和吸收的效應(yīng)，影響著人類的通信、導(dǎo)航. 電離層總電子含量(total electron content, TEC)是電離層理論研究和電波傳播研究中的一個重要參量[2]，太陽活動、磁暴以及地震活動等事件都會對其產(chǎn)生不同程度的擾動.這些擾動能夠通過三頻信標(biāo)(tri-band beacon，TBB)接收機、GNSS 掩星接收機以及GPS 雙頻接收機等多種手段進行探測.

已有研究結(jié)果表明電離層TEC 具有非常明顯的周年和半年變化特征，如余濤等[2]利用國際GNSS 服務(wù)(International GNSS Service，IGS) 提 供 的 全球TEC 數(shù)據(jù)，對白天電離層TEC 的周年和半年變化特征進行了研究，認(rèn)為電離層TEC 周年變化幅度在南北半球中高緯度地區(qū)較大、赤道和低緯地區(qū)很小，且全球大部分地區(qū)的TEC 在春秋月份出現(xiàn)最大值. 此外，在磁暴等空間天氣事件中，TEC 通常也有著較為明顯的響應(yīng). 張東和等[3]利用GPS 觀測數(shù)據(jù)分析了2000-04 磁暴期間的電離層狀態(tài)，給出了磁暴在觀測區(qū)域內(nèi)的時空演化趨勢；在2018-08-25 的磁暴事件中，一些研究者[4-6]也發(fā)現(xiàn)電離層電子密度等參量具有同步的變化，TEC 和NmF2都有著明顯的升高現(xiàn)象.

電子密度的空間分布也是開展電離層理論研究和電波傳播研究中的一個重要參量. 為了獲得電子密度的空間分布，自1986 年開始，就不斷有學(xué)者探索利用電離層層析成像(computerized ionospheric tomography, CIT)技術(shù)反演電離層電子密度分布[7-9].傳統(tǒng)雙頻信標(biāo)的探測技術(shù)，存在TEC 測量不夠精確、視角有限等問題，不足以觀測電離層的小尺度擾動[10]. TBB 技術(shù)的出現(xiàn)，一定程度上彌補了這一缺憾.搭載于衛(wèi)星上的發(fā)射機向地面發(fā)射三組相干載波信號，地面接收機接收到信號后，對任意兩個頻率進行差分多普勒計算就能夠得到觀測鏈路的相對TEC，對多個接收站的數(shù)據(jù)進行集合，利用多站法可以得到更為精確的絕對TEC 數(shù)據(jù)[11-12]. 1997 年，中國臺灣地區(qū)和美國聯(lián)合制定了COSMIC(Constellation Observation System for Meteorology, Ionosphere and Climate)衛(wèi)星計劃，該計劃旨在通過搭載于衛(wèi)星上的TBB 發(fā)射機，以及布設(shè)于地面的接收機，將獲得的TEC 作為輸入，利用CIT 技術(shù)反演電離層電子密度.2006 年COSMIC 衛(wèi)星發(fā)射成功后，研究者在TBB 探測原理和CIT 算法上進行了深入的研究，取得了一定的科研成果，為我國TBB 技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[9, 11, 13-14].

2018-02-02T15:51，我國地震立體觀測體系天基平臺的首發(fā)星——“張衡一號(簡稱ZH-1)”，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射[15]，星上搭載的TBB 機載荷能夠持續(xù)向地面發(fā)射150，400，1 066 MHz(VHF/UHF/L)三個頻段的信號，配合我國南北地震帶上已建立起的一套地基TBB 電離層監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)φ炬溕峡盏碾婋x層進行高精度的TEC 測量，以及高分辨率的CIT. 陳亮等[16]利用電離層垂測數(shù)據(jù)及模型結(jié)果對TBB 觀測的質(zhì)量進行了評估，認(rèn)為TBB觀測結(jié)果與垂測數(shù)據(jù)具有較好的一致性.

自ZH-1 衛(wèi)星發(fā)射后，TBB 觀測系統(tǒng)已經(jīng)積累了大量的觀測數(shù)據(jù)，本文中，我們將利用ZH-1 TBB(本工作僅使用VHF 和L 頻段的觀測結(jié)果) 的觀測數(shù)據(jù)，對我國中、低緯地區(qū)電離層半年變化特征進行分析，并利用TBB 觀測結(jié)果對2018-08 發(fā)生的磁暴進行跟蹤分析.

1 ZH-1 衛(wèi)星TBB 觀測系統(tǒng)簡介

TBB 電離層探測系統(tǒng)利用ZH-1 衛(wèi)星上搭載的TBB 機發(fā)射三個頻率穩(wěn)定相位相參的無線電信號，利用不同頻率的電磁信號在電離層中的相速度不同來反演電離層的物理參數(shù)，在地面接收機與衛(wèi)星的連線掃過的區(qū)域連續(xù)監(jiān)測電離層狀態(tài)[14](圖1). 這一觀測系統(tǒng)能夠提供站鏈上空的絕對TEC、閃爍指數(shù)(S4)及電子密度等產(chǎn)品.

圖1 TBB 電離層測量示意圖Fig. 1 Schematic diagram of TBB ionospheric measurements

星載TBB 機主要包括TBB 發(fā)射機與TBB 發(fā)射天線. TBB 發(fā)射機產(chǎn)生相干的無線電VHF(150 MHz)/UHF(400 MHz)/LF(1 066 MHz)信號，通過TBB 發(fā)射天線向地面輻射. 發(fā)射天線采用正交偶極子天線，在空間合成圓極化波[16-17].

TBB 接收系統(tǒng)主要包括TBB 接收機站網(wǎng)和TBB數(shù)據(jù)處理中心兩部分. 各接收站根據(jù)衛(wèi)星星歷在衛(wèi)星過境前提前開機，完成信標(biāo)信號的捕獲和跟蹤，接收星上發(fā)射的TBB 信號，接收機配套有GPS 衛(wèi)星授時系統(tǒng)，用于標(biāo)記信號接收時間，確保不同接收站的數(shù)據(jù)在時間上的一致性. 接收到的數(shù)據(jù)通過地震信息網(wǎng)，實時傳送到衛(wèi)星地震應(yīng)用中心，應(yīng)用中心對原始數(shù)據(jù)進行處理，并反演得到相關(guān)電離層狀態(tài)信息.

2016 年開始，衛(wèi)星地震應(yīng)用中心陸續(xù)在我國甘肅、寧夏、云南等地區(qū)布設(shè)TBB 接收站，旨在對我國南北地震帶上空的電離層進行監(jiān)測. 目前已建成了14 個接收站(圖2)，這14 個接收站組成了2 條降軌鏈路和3 條升軌鏈路(表1).

圖2 我國TBB 接收站分布Fig. 2 Distribution of TBB receiving stations in China

表1 TBB 接收站鏈組成Tab. 1 TBB receiving station chain

2 ZH-1 衛(wèi)星TBB 數(shù)據(jù)格式及數(shù)據(jù)處理流程介紹

依據(jù)《電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品分級標(biāo)準(zhǔn)》，TBB 數(shù)據(jù)分為4 級，其中0 級觀測為數(shù)據(jù)，1～3 級為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品. 1 級數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括三頻段信號的差分相位、信號強度和觀測仰角；2 級數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括單站的相對TEC、電離層閃爍指數(shù)S4和觀測仰角；3 級數(shù)據(jù)產(chǎn)品是在2 級數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進行反演處理生成一條觀測鏈路的絕對TEC、電子密度二維剖面和NmF2數(shù)據(jù)(表2).

表2 TBB 數(shù)據(jù)分級Tab. 2 Data classification of TBB

TBB 系統(tǒng)各級數(shù)據(jù)處理流程如下：地面TBB 接收機鎖定TBB 信號后，輸出三個頻段信號的正交分量Q 和同向分量I 的觀測數(shù)據(jù)以及信噪比數(shù)據(jù)(0 級數(shù)據(jù)). 對TBB 接收機的I/Q 觀測數(shù)據(jù)分別進行差分相位計算和信號強度計算，可得到UHF&VHF、LF&VHF 的差分相位值和三個頻段各自的信號強度值(1 級數(shù)據(jù)). 對計算得到的差分相位值進行相位連接處理，每秒計算出一組相對電離層TEC 值；對計算得到的信號強度值進行幅度閃爍指數(shù)計算，每1 s 計算出一組閃爍指數(shù)進行時空匹配，計算得到各組數(shù)據(jù)在觀測時間所對應(yīng)的空間位置(2 級數(shù)據(jù)). 通過對多個臺站的觀測數(shù)據(jù)進行集中處理，利用多站法每秒計算一個電離層絕對TEC 數(shù)據(jù)，再利用CIT 對單個鏈路進行反演得到二維電子密度剖面數(shù)據(jù)，并提取NmF2異常(3 級數(shù)據(jù)).

3 數(shù)據(jù)篩選及觀測結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)的選擇

本工作主要利用2018—2019 TBB 觀測系統(tǒng)產(chǎn)出的電子密度、NmF2等數(shù)據(jù)，分析NmF2的半年變化特征；通過對2018-08 數(shù)據(jù)的處理，分析觀測數(shù)據(jù)對發(fā)生于2018-08-25—26 磁暴事件的響應(yīng)，以期探討TBB 載荷的觀測質(zhì)量.

數(shù)據(jù)選擇的原則如下：

1)首先需要剃除最大觀測仰角小于30°的數(shù)據(jù)，此部分?jǐn)?shù)據(jù)因觀測仰角過低，通常會受到觀測路徑上遮蔽物的影響，造成觀測數(shù)據(jù)的錯誤.

2)觀測數(shù)據(jù)中還存在信號功率跳變、相位失去鎖定，導(dǎo)致接收機重新進行相位計數(shù)的情況，這種現(xiàn)象通常是由于電磁干擾導(dǎo)致的相位失鎖，相位圖中主要表現(xiàn)為信號功率的劇烈抖動，如圖3 所示. 這部分?jǐn)?shù)據(jù)會直接導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)的錯誤，同樣需要剔除.

圖3 觀測信號失鎖和中斷現(xiàn)象Fig. 3 Loss of signal and signal lost

3.2 NmF2 半年變化特征

為了反映電離層電子密度的季節(jié)性變化規(guī)律，利用TBB 觀測數(shù)據(jù)(降軌，14:00UT)計算了2018-10—2019-09 每一軌的二維電子密度分布. 從每一軌的電子密度結(jié)果中，分別提取了23°N，30°N，40°N 三個緯度的NmF2. 為了便于分析電離層變化趨勢，把每月的NmF2進行平均，作為當(dāng)月的NmF2平均值，分析月變化趨勢.

圖4 分別描述了2018-10—2019-09 期間，不同緯度(23°N，30°N，40°N)NmF2月均值的變化情況. 可以看出，NmF2隨著緯度的升高而減小，23°N 峰值電子密度較大，接近10 TECU，40°N 地區(qū)峰值電子密度則小于6 TECU.

圖4 2018-08—2019-09 不同緯度NmF2 月均值變化Fig. 4 Mean NmF2 change in different latitudes from 2018-08—2019-09

將3，4 月作為春季，5—8 月作為夏季，9，10 月作為秋季，1，2，11，12 作為冬季，對NmF2月均值變化做6 階多項式擬合(圖4 紅線)后可以看出，NmF2均值隨季節(jié)變化的趨勢比較明顯，而這一現(xiàn)象在中低緯度表現(xiàn)更為顯著. 圖4 還反映出冬季的NmF2均值高于夏季的，具有明顯的“冬季異常”現(xiàn)象.

半年度異常是指TEC 在兩分點特別高，這一異常與太陽活動周期無關(guān)，即使在太陽黑子低年也很明顯. 從圖4 可以明顯看出：在低緯度地區(qū)，3，10 月兩個月份的NmF2均值均高于其他月份，最大值達到8 TECU；而在高緯度地區(qū)這一現(xiàn)象則并不顯著，可以認(rèn)為是半年度異常的體現(xiàn).

3.3 磁暴響應(yīng)

選擇2018-08-26 發(fā)生的磁暴事件，分析電子密度的響應(yīng)，SYM-H 指數(shù)如圖5(a)所示，可以看出：SYM-H 值本次磁暴急始開始于08-25T8:29UT，在達到27 nT 后開始下降，并在17:47UT 進入主相；SYMH 值在08-26T7:11UT 左右降至最低，約為-206 nT，隨后開始回升進入恢復(fù)相. 本次磁暴主相持續(xù)時間超過11 h，恢復(fù)相持續(xù)至08-27[4]. 8-26 主相期間共有兩軌觀測數(shù)據(jù)，軌道號031170 和031180(圖5(b))，觀測時段分別為6:44—6:58UT 和8:18—8:30UT(圖5(a))，為了便于分析電離層對磁暴的響應(yīng)，本文選擇兩個地磁寧靜日2018-08-21(參考日)和8-31(恢復(fù)日)相同時刻的電子密度結(jié)果與磁暴當(dāng)天電子密度結(jié)果進行對比.

圖5 2018-08-26 磁情指數(shù)與暴時軌道分布Fig. 5 SYM-H index and distribution of CSES orbit during storm time on 2018-08-26

我們將031170 和031180 軌與它們的參考日、恢復(fù)日的觀測結(jié)果繪制在一起，如圖6 所示.圖6(a)、(b)為選定的參考日電子密度剖面；圖6(c)、(e)和圖6(d)、(f)分別為磁暴當(dāng)日及恢復(fù)日的電子密度剖面；圖6(g)、(i)和圖6(h)、(j)分別為磁暴當(dāng)日和恢復(fù)日相對各自參考日的差值，代表電子密度的絕對變化；圖6(k)、(l)、(m)、(n)為電子密度的相對變化，由磁暴當(dāng)天與參考日電子密度的差值除以參考日電子密度得到.

圖6 磁暴當(dāng)天電子密度觀測結(jié)果與寧靜日對比Fig. 6 Electron density comparison of storm time and normal time

031170 軌和031180 軌間隔時間90 min，軌道間隔11°. SYM-H 最低時刻是7:11UT，與031170 軌在時間上更為接近. 031170 軌(圖6(c))觀測時間為磁暴主相階段，與參考日(圖6(a))相比，在北緯20°至30°之間，F(xiàn)2層電子密度增大(圖6(g))，表現(xiàn)為正暴相. 電子密度相對變化結(jié)果顯示F2層電子密度最大有約50% 的增幅(031170 軌，圖6(k)). 031180 軌(圖6(e))的觀測時間接近本次磁暴的恢復(fù)相階段，從觀測結(jié)果來看，在中緯度地區(qū)，電子密度顯著降低，表現(xiàn)出明顯的負(fù)擾動，低緯度地區(qū)則表現(xiàn)為正暴相特征(圖6(i))，其可能的原因是熱大氣層的中性風(fēng)、E×B對流等因素促使TEC 異常從高緯度向中低緯度擴散[18-19]. 低緯地區(qū)電子密度相對變化增幅不大，最大增幅約15%(圖6(m)). 磁暴結(jié)束后(08-31)，觀測到低緯度地區(qū)電子密度變化趨于平靜(圖6(h)，(l)，(j)，(n)).

4 討 論

利用2018—2019 TBB 的觀測數(shù)據(jù)，對接收站上空的電離層NmF2半年變化幅度進行了分析和研究.初步結(jié)果表明，利用TBB 觀測數(shù)據(jù)能夠有效監(jiān)測到中國區(qū)域電離層的NmF2變化，也能觀測到冬季異常、半年度異?，F(xiàn)象的變化活動規(guī)律. 引起NmF2異常的因素有很多，其中被廣泛接受的是Rishbeth and Setty[20]提出的電離層高度上[O/N2]變化是導(dǎo)致白天NmF2變化的主要原因. [O/N2]的比值變化被證明會受到夏季半球向冬季半球大氣環(huán)流運輸過程的影響，從而使中高緯度表現(xiàn)出NmF2周年變化和冬季異常現(xiàn)象[21-22]，這一理論也能對NmF2的季節(jié)異常作出解釋[23].

根據(jù)TBB 的觀測結(jié)果，2018-08-26 的磁暴為正暴相. 這與文獻[5-6, 24]的分析結(jié)果一致，他們認(rèn)為在磁暴主相階段，NmF2和TEC 都具有較大的增強，并且在亞洲區(qū)增幅最大. 通常情況下，熱層正常存在潮汐風(fēng)，白天產(chǎn)生向極風(fēng)，夜間產(chǎn)生向赤道風(fēng). 磁暴期間，白天的向極風(fēng)反向變?yōu)橄虺嗟里L(fēng)抬高電離層，在等離子體垂直向上的漂移以及中性風(fēng)的共同作用下，[O/N2]比增加，復(fù)合率降低，最終導(dǎo)致了NmF2和TEC 的增大. Li 等人[5]利用GUVI 衛(wèi)星的數(shù)據(jù)分析了磁暴期間[O/N2]的變化，發(fā)現(xiàn)在磁暴主相和恢復(fù)相期間[O/N2]都有明顯的增強；在磁暴恢復(fù)相階段，NmF2和TEC 還表現(xiàn)出了持續(xù)的正暴相特征，推測主要是由于在磁暴的恢復(fù)階段從赤道向中緯度輸送的原子氧密度增加導(dǎo)致的.

5 結(jié) 論

本文利用ZH-1 TBB 觀測數(shù)據(jù)，分析了站鏈上空電離層半年變化特征，并對發(fā)生于2018-08-26 的磁暴進行了跟蹤分析，結(jié)論如下：

1)利用ZH-1 TBB 數(shù)據(jù)，能夠?qū)φ炬溕峡针婋x層半年的變化規(guī)律進行觀測，能夠有效監(jiān)測電離層的變化；

2)在重要的空間天氣事件中，ZH-1 TBB 的觀測手段能夠獲得較為準(zhǔn)確的觀測數(shù)據(jù)，且成像速度快，能夠更準(zhǔn)確地獲得電離層短時間的變化特征；

3)受限于接收站的分布，這一觀測手段僅能對有限區(qū)域進行觀測，合理的接收站布設(shè)能夠讓我們得到更多、更優(yōu)質(zhì)的觀測數(shù)據(jù).

致 謝 感謝中國國家航天局和應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院支持的張衡一號衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)(https://www.leos.ac.cn). 感謝三頻信標(biāo)載荷研制方中國電波傳播研究所在數(shù)據(jù)處理方面給予的幫助.