【文章內(nèi)容簡介】 離層對星一地鏈路電波傳播影響，人們引入電離層總電子含量(TEC)，它是一個非常重要的參量： dssNTEC s e )(?? () 式中積分沿傳播路徑 s進行， TEC單位： TECU=lxl016el/m2。由于電子密度的 時空變化，導(dǎo)致其路徑積分值 TEC也隨著變化。電離層 TEC具有相對規(guī)律的日、 季節(jié)和太陽周期變化，并且強烈地依賴于地理位置和太陽、地磁活 動狀態(tài)，垂直 路徑 TEC的變化值為 1016～ 1018電子 /m2。 電離層不規(guī)則體及其表征方法 電離層中存在各種尺度的電子密度不規(guī)則體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電離層 TEC的時空變化和衛(wèi)星信號發(fā)生閃爍。電離層不規(guī)則體具有寬廣的尺度譜，其產(chǎn)生機理與電子密度梯度不穩(wěn)定性、大電場引起的雙流不穩(wěn)定性及中性大氣重力波等相聯(lián)系，并與太陽及地磁活動等有一定關(guān)系 [7]。 電離層不規(guī)則體主要集中于 E層和 F層，大尺度不規(guī)則體主要表現(xiàn)為 ES層和擴展 F等結(jié)構(gòu)。電離層不規(guī)則體的觀測、形態(tài)與形成機理的研究一直是電離層研究中最活躍的領(lǐng)域之一 。研究表明，在赤道和高緯產(chǎn)生的電離層不規(guī)則體可能起因于幾種相應(yīng)的不穩(wěn)定性之一 (Rayleigh— Taylor、梯度漂移、電流遷移、通量管互換等 )，再加上電子沉降和剪切機制 [9]。在赤道區(qū)域，大尺度結(jié)構(gòu)或赤道擴展 F的主要產(chǎn)生機理是 RayleighTaylor不穩(wěn)定性；而在高緯，認(rèn)為電子密度不規(guī)則體主要由梯度漂移不穩(wěn)定性產(chǎn)生。在高緯地區(qū)，極光閃爍表現(xiàn)得比赤道閃爍更不規(guī)則，可能發(fā)生在地方時白天或夜間的任何時刻，增強的地磁活動會帶來更強的閃爍。極光由來自太陽風(fēng)的高能電子產(chǎn)生，它們在極區(qū)有時可以突破地磁場的屏障，從而電離原子導(dǎo)致電子密度的增加。因為極光效應(yīng)是由太陽風(fēng)和地球磁場與太陽磁場的耦合產(chǎn)生的，這些效應(yīng)發(fā)生的頻度和嚴(yán)重程度依賴于太陽活動。在它們對于穿透電離層的傳播效應(yīng)中，赤道 F區(qū)不規(guī)則體效應(yīng)使得高緯區(qū)的效應(yīng)相形見絀。通過對不穩(wěn)定性機制進行理論上的探究和雷達后向散射、火箭和衛(wèi)星的就地測量，表明夜間赤道不規(guī)則體在日落后由不穩(wěn)定性的底部發(fā)生，屬于Rayleigh— Taylor型。電子密度耗空的電離層泡起于 F2層峰值以上區(qū)域，在電離層洞邊緣的陡峭梯度有助于形成較小尺度的不規(guī)則體，它們會產(chǎn)生很強的閃爍[9]。 不規(guī)則體可導(dǎo) 致信號的極化起伏，它歸因于小尺度不規(guī)則體的閃爍 (此尺度與 Fresnel半徑尺度有關(guān)系 )，觀測和研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)它在頻率高于 300MHz的時候可以忽略，甚至當(dāng)嚴(yán)重的振幅閃爍存在時亦可如此。對于星載無線電系統(tǒng)的測距、成像等性能的提高在相當(dāng)大的程度上依賴于所使用頻段范圍內(nèi)電離層的平穩(wěn)性，電離層不規(guī)則體的時空特性與相應(yīng)的相位和振幅閃爍最終相關(guān)。如果信號帶寬內(nèi)不同頻率的閃爍之間表現(xiàn)為統(tǒng)計不相關(guān)，則為頻率選擇信道。當(dāng)所用帶寬超過電離層信道的相干帶寬時會出現(xiàn)頻率選擇閃爍，寬帶系統(tǒng)更易發(fā)生。 電離層閃爍的地理分布示于圖 [9]，閃爍的嚴(yán)重程度在圖中用交叉的斜線表示。振幅閃爍強度可以用信號強度的歸一化方差衡量，它反映衰落的深度，而相位閃爍用相位的方差描述。從全球來看，絕大多數(shù)電離不規(guī)則體在地磁赤道北和南 200的地理區(qū)域與緯度高于 550～ 600之上的極區(qū)。赤道閃爍大約發(fā)生在地方時20： 00～ 02： 00之間，通?？赡茉?VHF／ UHF頻段發(fā)生飽和的 Rayleigh振幅衰落，偶爾在 L波段也可發(fā)生飽和閃爍。赤道附近閃爍比中緯和高緯的閃爍強，引起閃爍的不規(guī)則體主要位于高度 200～ 1000km的 F層內(nèi)，高緯和赤道不規(guī)則體的主要擾動區(qū)域在 250400km之間。有時位于 90至 100km范圍內(nèi)的 E層不規(guī)則體也會產(chǎn)生閃爍，特別是 Es和極光 E層?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為當(dāng)空問波數(shù)大于“凍結(jié)”尺度時，譜表現(xiàn)為 k4形式，當(dāng)尺度大小在“凍結(jié)”尺度到外尺度之間，譜為 間。外尺度變化范圍為 10～ 100km，而“凍結(jié)”尺度變化范圍為 150～ 1000m。一種觀點認(rèn)為電離層不規(guī)則體結(jié)構(gòu)是一個厚層 (200km)，從 F層的底部向上擴展，電子密度起伏量級是平均電子密度的 50100%。實驗表明，在很寬的頻域上存在著電離層不規(guī)則性， Booker用合成譜圖對此做 了很好的總結(jié)，這個合成譜圖跨越 8個數(shù)量級，相應(yīng)于空間尺度從電子回旋半徑到地球半徑。在這些量級范圍內(nèi)，引起電離層閃爍的不規(guī)則體尺度從幾米變化到幾十公里 [9]。 GPS接收機經(jīng)過改造可以用來觀測電離層閃爍，從而獲得電離層不規(guī)則體和信號閃爍參數(shù)。電離層層析技術(shù) (CIT)可以重建電離層二維、三維電子密度空間分布，具有對電離層不規(guī)則體成像和探測功能。近年興起的天基掩星探測技術(shù)，將搭載于低軌小衛(wèi)星上的 GPS掩星探測數(shù)據(jù)與地基 GPS探測網(wǎng)數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以大大提高電離層 CT技術(shù)垂直分辨率。 圖 電離層閃爍衰落的地 理分布 電離層對衛(wèi)星信號傳播的影響 電離層對無線電系統(tǒng)信號傳播和運行性能產(chǎn)生各方面影響，電離層折射指數(shù)與電子密度的局域分布有關(guān)。電離層中由平均背景或很大尺度電離結(jié)構(gòu)造成的影響集中表現(xiàn)與 TEC相關(guān)，包括：衰減、吸收、相移、時延、色散、極化旋轉(zhuǎn)、折射和多徑效應(yīng)等。另外，傳播路徑上相對較小尺度的電離層結(jié)構(gòu)可能引起接收信號相位、振幅、到達角和其它信號特征隨機起伏。 無線電波可以由以下五個基本參數(shù)及它們的時空變化而確定：振幅、傳播方向、相位、頻率和極化 [9]。接收的無線電波振幅可能會受到吸收、大尺度聚焦效應(yīng) 或小尺度衍射效應(yīng)的影響 。到達角可能會由于折射或繞射效應(yīng)而發(fā)生變化 。無線電波的瞬時頻率可能會受到接收相位起伏的影響，而極化可能會由于磁等離子體裂變及其引起的差分吸收、折射和相位的變化而影響。電離層浸在地磁場中，具有色散、吸收、雙折射和各向異性等特性。前兩種特性在沒有地磁場的情況下也存在，對無線電系統(tǒng)影響作一階近似處理時僅需考慮這些特性，地磁場的存在會導(dǎo)致電離層的雙折射和各向異性， Faraday旋轉(zhuǎn)效應(yīng)是由雙折射特性引起的重要現(xiàn)象。表 ～ 10GHz電磁波影響的數(shù)值估計，對應(yīng)仰角 300的單程路徑， TEC值為 1018el/m2，這是高太陽活動下低緯白天的高 TEC值。 表 最大電離層效應(yīng)的估計 對衛(wèi)星信號相位的影響 相位超前與色散 相路徑長度的變化 為了確定電離層對衛(wèi)星信號傳播相路徑長度的影響，考慮有效的相路徑長度： ?? sndlP （ ） 式中原本存在的因子 cosα被省略了 (α是電波法向和射線之間的夾角 )，在VHF以上頻段這個因子基本為 1。電離層引入的相路徑長度變化 △ lp[1]： ? ? ???????? s sp TE Cbn d ldlnl 2)1( ? () 可 見，相對于自由空間，電離層的存在縮短了相路徑長度。 相位超前 無線電波在電離層中的相位折射指數(shù)小于 1，因而相對于自由空間存在相位超前。當(dāng)電離層內(nèi)不均勻體在一個 Fresnel帶半徑的橫向距離內(nèi)引起的相位畸變可以與 l弧度相比擬時，不規(guī)則的振幅閃爍就會發(fā)生 [1]。電離層引起的相位超前為： T E CfT E Cc bl p ??????? ???? 弧度 () 相位變化反比于工作頻率，且 Fresnel半徑正比于 λ1/2，因而閃爍在低頻段更顯 著。 相位色散 相位關(guān)于頻率的變化率是由電離層引起的的相位色散。由 ()式 可得 T E CfT E Ccfbdfd 2 72 ?????? ?? 弧度 /Hz （ ） 相位色散會導(dǎo)致無線電測量系統(tǒng)的測距誤差。相對于相位色散而言，通常術(shù)語色散特指時間相對于頻率的變化率，也即 dt/df。色散對于寬帶系統(tǒng)的影響更顯著，波數(shù) k是頻率的非線性函數(shù)，這是由于不同的頻率相速度不同所致。如果一個信號包含寬的頻譜，將在不同的頻率成分上與發(fā)射時有不同的相位關(guān)系，因而發(fā)生形變。電磁脈沖在穿過電離層傳播時由于色散，而在時間 (和空間 )上發(fā)生形變，如展寬和能量分布變化等。 對衛(wèi)星信號極化的影響 Faraday 旋轉(zhuǎn) 尋 常波與非尋常波的相路徑長度差異 考慮地磁場時，電離層表現(xiàn)為雙折射介質(zhì)，通常將入射波分裂為以不同速度傳播的兩個分量。在電離層中，本征極化依賴于傳播路徑相對于恒定磁場的夾角。線極化無線電波穿過電離層傳播時，對于沿磁場線的傳播，本征極化是左手和右手圓極化；當(dāng)傳播方向垂直于磁場矢量時，一個本征極化 (尋常波 )與電場矢量成線性關(guān)系在地球磁場的方向內(nèi)，另一個本征極化 (非尋常波 )是橢圓極化，本征極化都是橢圓的。因為每個本征極化具有不同的波數(shù)，任意一個由不同本征極化組合而成的極化穿過電離層時將被畸變。從 ()式，對于準(zhǔn)縱 情形，可知兩分量之間的相位路徑長度差為： dlNbdlXYdlnnPP s Ls Ls ??? ????? ???? ?? 32)( （ ） 下標(biāo)“ +”和“ ”分別表示尋常波和非尋常波 。ωL=ωHcosθ:磁場的縱分量，ωH=eB0/m:電子迪旋角頻率 ,B0:地磁場磁感應(yīng)強度 ,θ:波法向和地磁場夾角。 Faraday旋轉(zhuǎn) 穿過電離層的線性極化電磁波可以表達為兩個特征波，它們通常是具有相反旋轉(zhuǎn)方向的橢圓極化并且以不同的相速傳播，合成波極化面隨著在電離層中的傳播而不斷旋轉(zhuǎn)。當(dāng)無線電波頻率高時，對于兩個特征波來說折射率接近于 1。在這種情況下，除了在相對于精確垂直條件 下的很小的角度范圍內(nèi)，準(zhǔn)縱近似對于大多數(shù)角度都是比較精確的 [2]。 因為本征極化以不同的速度通過電離層，兩種極化之間的相對相位將發(fā)生改變。 Faraday旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重影響了無線電系統(tǒng)，尤其是采用線極化信號的系統(tǒng)。如表 ，在 1GHz旋轉(zhuǎn)角可達 1080，對于 1GHz左右或更低的頻率，經(jīng)常利用圓極化克服 Faraday旋轉(zhuǎn)。單程傳播的極化旋轉(zhuǎn)角可由方程 ()算得 : dlNcbdlnn s Ls ?? ???? ?? ???? 1)( 2 弧度 () 可見，除電波頻率和電子密度分布外，旋轉(zhuǎn)角與地磁場沿傳播路徑的分量也有關(guān)，當(dāng)傳播方向和地磁場方向一 致時 (也即嚴(yán)格的縱向傳播 )，旋轉(zhuǎn)最大。近似情況下，可以將傳播路徑上的地磁場視為一個平均值 Bav，那么 : T E CfBT E Ccmb e B avav 242 ???? ? 弧度 （ ） 衛(wèi)星信標(biāo)的 Faraday旋轉(zhuǎn)比較容易測量，經(jīng)常利用其測量電離層 TEC。我國工作者就曾利用偏振儀測量日本 ETSⅡ 衛(wèi)星信標(biāo)的 Faraday旋轉(zhuǎn)換算出 TEC。 對衛(wèi)星信號傳播時間的影響 群延遲與色散 群路徑延遲 色散使得電磁脈沖以不同于相速的群速穿過電離層，引入“群折射指數(shù)”為： ???? ddnndndn ??? )(39。 () 則單程傳播的 等效群路徑為： ? ??? s ddppdlnP ??39。39。 () 在 VHF以上頻段，忽略磁場，單程路徑中電離層引入的群路徑長度變化量是： TE Cbldlndlnl s s pg 239。 )1()1( ?????????? ? ? () 可見 △ lg是正的附加距離延遲，從而電離層引入的傳播附加時延為： T E CcfT E Cc bclt g 22 ????? ? () 群延遲是因為信號在電離層中傳播的速度比自由空間慢。背景電離層引起群路徑長度的變化而導(dǎo)致的測距偏差，可以將公式 ()沿射線路徑積分而得，實際路徑可以利用 AppletonHartree公式和 Snell定律來恢復(fù)。 （ ） 計算附加時延得出 的是電離層折射時延，當(dāng)考慮電子密度隨機起伏特性時，可以計算出電離層散射時延。 電離層電子密度可以表示為統(tǒng)計平均值 Ne與隨機起伏部分 △ Ne之和Ne=Ne+△ Ne,△ Ne的平均值為零。描述隨機場 △ Ne的統(tǒng)計特性的重要參數(shù)為自相關(guān)函數(shù) dzzBAzNezNezBNNN ???? ? ??????? ),()( )39。,()39。,(),( ?? ????（ ） 其中 )(?NA?? 為橫向自相關(guān)函數(shù) ,它是反映電子密度隨機起伏統(tǒng)計特性的重要參數(shù)。散射時延為 )()321(c os16 22242 2339。 ??? Ne AzLLfrct ????? （ ） 在第三章利用雙頻 GPS數(shù)據(jù)測量絕對 TEC時有一個重要誤差源是電離層電子密度隨機起伏所造成的湍流誤差，利用三頻 GPS信號通過三頻組合測 量可以消除這一誤差。 第 3 章 雙頻 GPS 數(shù)據(jù)測量 TEC 雙頻差分相位法測量 TEC 利用雙頻差分相位法測量，如第二章所講，由于其色散特性，電離層會引入相路徑長度變化，測量兩信號到達的相位差，可反演得到 TEC，但因為相位模糊度的存在，差分相位法只能得到相對 TEC，雙頻差分相位法的測量原理如下 : 電磁波在電離層中傳播的相速度 (單一頻率的電磁波的相位傳播速度 )VP 與電離層中的折射率 nP之間有下列關(guān)系 : pP ncV ? (） 式中 : VP為 電磁波的相位在電離層中的傳播速度 , c為真空中的光速 , nP 為相折射率。 43330221 )c o s(1 ??? ???? fNKfHNKfNKn eeep ? （ ） 上式為研究電離層折射誤差的基礎(chǔ)