電離層環境對地空信息系統的影響效應

馮健，甄衛民，劉鈍

（1.西安電子科技大學物理與光電工程學院，西安710071；2.中國電波傳播研究所，山東青島266107）

電離層環境對地空信息系統的影響效應

馮健1,2，甄衛民2，劉鈍2

（1.西安電子科技大學物理與光電工程學院，西安710071；2.中國電波傳播研究所，山東青島266107）

目的為了減緩電離層對衛星通信、全球衛星導航系統、星載合成孔徑雷達等系統的影響，提高系統的環境適應性。方法由穿越電離層的無線電信號傳播原理出發，結合各種系統的工作原理，給出電離層影響的分析方法。結果針對電離層閃爍、極化旋轉、時延和色散等傳播效應造成衛星通信誤碼率上升、衛星導航定位誤差增大、SAR圖像偏移和分辨率下降等影響，分析給出了效應補償和減緩應對方法。結論電離層延遲效應可以由電離層實測值或者模型來進行校正，而閃爍效應大多需采用規避的措施來減緩其影響。

電離層；總電子含量；衛星通信；全球衛星導航系統；合成孔徑雷達

在地球上空大約60～1000 km的區域，受太陽輻射，一部分空氣分子被電離，以電子和離子的形式存在。由于它們的數密度相等，因此呈等離子體態，這一區域被稱為電離層[1]。電離層是一個復雜的非線性動力學系統，主要受來自太陽的電磁輻射、高能粒子、行星際磁場的控制。除了地球外部的這些控制因素之外，影響電離層變化的還有地球磁場、大氣環流等來自地球本身的控制因素。由于電離層內存在各種光化學、動力學、電動力學等物理過程和化學反應，因此它不僅具有太陽活動周、季節、逐日等規則變化[2—5]，也具有電離層閃爍和電離層暴等不同時空尺度的異常變化[6—7]。

作為電波環境的重要組成部分，電離層會與電磁信號相互作用，產生折射、法拉第旋轉、反射、散射、吸收、電離層閃爍等多種影響效應[8]，進而影響各類無線電系統的效能。隨著電子技術的發展，無線電系統的精度和靈敏度越來越高，受電離層環境的影響和制約也越來越顯著。

1 電離層特性

1.1 環境特性

作為地球高層大氣的一部分，電離層主要由帶電粒子、中性原子與分子組成，它上接磁層，下接中性大氣，受到磁層中的等離子體以及中高層大氣中風場等的影響，變化十分復雜。電離層中的中性成分受太陽輻射、地球和日月引力等作用，處于不停地運動之中，它的密度、溫度、壓力、成分和電離度等隨高度、經緯度和地方時的分布也存在明顯的差異。

從宏觀上看，電離層介質呈電中性。電離層的一個主要特征就是在大的集合尺度上近似水平分層，即電離層中各種物理參數在垂直方向上的變化要遠大于水平方向。垂直方向，根據電子密度分布的特征，電離層可以分為D，E，F1和F2幾個區域[1]。

太陽、地磁活動等因素都會對電離層的狀態產生影響。大量的觀測數據統計分析表明，電離層具有一些規則變化特征，主要包括日變化、季節變化、太陽周變化和緯度變化等。除了上述規則變化外，在某些特定的條件下，電離層還會產生電離層閃爍、電離層暴、突然騷擾等不同尺度的擾動現象。

1.2 傳播特性

對于地空無線電信號，當忽略碰撞時，電離層折射指數可由Appleton-Hartree公式表示為[9]：

由Appleton-Hartree公式可知，電離層具有色散、吸收、雙折射和各向異性等特點。

2 電離層對無線電信號的影響

2.1 相位超前

由式（1）可知，信號的相路徑長度為：

式中：np為相折射指數；P0為由衛星到接收機點的真實距離。可見，由于無線電波在電離層中的相位折射指數小于1，因此電離層的存在縮短了相路徑長度。

為了方便描述電離層的延遲效應，引入了電離層總電子含量（Total Electron Content,TE C），它定義為：

式中：s為積分路徑，即信號的傳播路徑；1T E Cu=1×1016el/m2。

因此，電離層引起的相路徑長度變化為：

因此，電離層引起的相位超前量為：

2.2 附加延遲

電離層色散效應使得電磁波以不同于相速度的群速度傳播，由式（1）可以得出群折射指數為：

則等效群路徑可表示為：

由于無線電波在電離層中的傳播速度小于自由空間的速度，因此電離層的存在造成了傳播附加延遲Δlg：

相對應的附加時延為：

2.3 電離層色散

由于電離層的折射率與信號頻率有關，因此信號傳播時延是頻率的函數，尤其對于寬帶信號，會引起嚴重的時延散布效應，即色散。色散通常指的是時延色散，即時間相對于頻率的變化率，由式（9）可得：

式中：δt為時延色散，s；δf為脈沖頻譜寬度，Hz。δf與脈沖寬度為τ的關系為：δf=1/τ。

電離層引起的相位色散就是相位關于頻率的變化率，由式（5）得到：

2.4 法拉第旋轉

地磁場的存在，使得電離層表現出各向異性特征，如（1）式所示。無線電波進入電離層后，分解為波矢量與相速不相同的尋常波和非尋常波。由于這兩個特征波相位和幅度的變化，會造成合成波極化面發生旋轉，并且會隨著傳播路徑和電離層狀態的變化而變化，此效應稱為法拉第旋轉。

準縱傳播下，兩個特征波是旋向相反的圓偏振波，由式（2）可知兩特征波之間的相路徑長度差為：

式中：下標“+”和“–”分別表示尋常波和非尋常波。極化旋轉角可由式（12）得到：

式中：λ為信號波長；c為光速；B0為地磁場磁感應強度；θ為波的傳播路徑和磁場之間的夾角。

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：

2.5 電離層閃爍

電離層閃爍是指受電離層中不規則結構的影響，無線電波傳播穿過電離層時信號振幅、相位和到達角等隨時間和空間的隨機起伏現象[10]。在實驗觀測中，電離層閃爍強度通常用幅度閃爍指數和相位閃爍指數來衡量。幅度閃爍指數S4定義為信號強度的歸一化方差：

式中：S4為表征幅度（強度）閃爍劇烈程度的物理量；＜＞表示均值；I為信號強度。

3 電離層對地空信息系統的影響及校正方法

電離層對地空無線電信號產生的影響效應主要分為兩類[11]：一類是由平均背景或大尺度的電離層結構造成的群時延、相位超前、法拉第旋轉、色散和衰減等，這些效應與電離層總電子含量相關；另一類是由電離層中的小尺度不規則結構（電離層電子密度的隨機波動或擾動）引起的電離層閃爍效應。

3.1 對衛星通信系統的影響

一般情況下，衛星通信系統利用VHF及以上頻段的信號，因此電離層吸收和反射效應可以忽略。影響衛星通信的主要因素為引起信號快速隨機起伏的電離層閃爍效應。電離層閃爍影響的無線電頻段從幾十兆赫茲到10 GHz，對VHF和UHF頻段的影響最為嚴重，對L和S頻段影響次之，對C及以上頻段的信號影響較小[12—13]。電離層閃爍的主要表現是信號幅度的隨機起伏，它將導致信號強度的衰落，使信道的信噪比下降。當衰落深度超過接收系統設計的衰落余量時，將導致衛星通信鏈路中斷。

由于在巴拿馬的軍事行動、海灣戰爭和科索沃戰爭期間，電離層閃爍都曾給美國造成較大影響，使得美國十分重視電離層閃爍研究，并分步實施對電離層閃爍的可靠預報。第一步，美國軍方資助西北研究院(NorthWest Research Associates，NWRA)研制開發了寬帶閃爍模型(WideBand ionospheric scintillation MODel,WBMOD)[14]。WBMOD是電離層閃爍中長期預報模型，它是通過對美洲地區長期電離層閃爍觀測數據進行分析和理論研究得出的。第二步，在美洲建立了用于支撐其戰術通信衛星的地面電離層閃爍監測網系統——電離層閃爍決策輔助系統(Scintillation Network Decision Aid，SCINDA)[15]。在地面的閃爍監測網直接接收其戰術通信衛星UHF信號的幅度，每個監測站將其閃爍情況分別自動傳送到數據中心，中心利用實時獲得的監測數據和相關的物理模型實現對電離層閃爍現報和1～2 h近實時預報。第三步，建立通信/導航中斷預報系統C/NOFS (Communication/Navigation Outage Forecasting System)。

美國于2008年發射了C/NOFS衛星[16]，開展電離層就地測量，即利用星載監測設備直接測量等離子體溫度、等離子體漂移速度、電場等，對引起閃爍的電離層瑞利-泰勒（R-T）不穩定性的產生及演化過程進行預報，顯著提升了對電離層閃爍的監測預報能力。

3.2 對衛星導航系統的影響

衛星導航系統在軍事、民用領域得到越來越多的應用。現代軍事應用中，陸、海、空、天等多種平臺的導航應用，精確武器投放，雷達、通信系統的時頻統一等已主要依賴于衛星導航系統實現。民用方面，車輛導航、大地測量、制圖、通信系統的時間統一等也主要依賴于衛星導航系統實現。衛星導航系統正在成為現代信息社會中重要的基礎設施而為各世界強國所重視。

電離層環境對衛星導航信號的影響主要包括兩個方面：電離層延遲和電離層閃爍。電離層延遲效應會引起偽距誤差，從而造成用戶接收機定位誤差增大。由式（8）可知，電離層延遲大小與頻率的平方成反比，與電離層T E C成正比。電離層T E C的變化受太陽活動控制，在太陽活動高年時，電離層T E C增大，使得衛星導航定位誤差增大。研究結果表明，太陽活動高年時，電離層垂直T E C最大可以達到110T E Cu，使得GPS用戶產生約60 m的定位誤差。

對于延遲影響，雙頻接收機用戶可以利用雙頻信號進行電離層延遲改正[17]。單頻實時導航定位用戶必須采用有效的電離層修正模型。如美國的GPS系統采用Klobuchar模型[18]，歐洲的Galileo系統采用NeQuick模型[19]，我國北斗系統也開發了相應的修正模型。

電離層閃爍使得接收的衛星信號信噪比下降，信號衰落幅度可達20 dB以上，嚴重情況下還可以發生衛星信號跟蹤的中斷。對電離層閃爍期間信號信噪比變化情況的分析結果表明[20]：接收機信噪比的降低，將引起接收機跟蹤精度的降低，從而引起定位精度的下降；衛星的失鎖將引起測站可視空間衛星星座的變化，引起DOP因子的增大，降低定位精度；同時，電離層不規則體結構引起的電子密度變化，將引起衛星信號傳播路徑上電離層延遲的變化，進而影響定位精度。

電離層閃爍造成的信號幅度和相位的起伏是快速隨機的，目前尚無較好的校正方法，更多的是從接收機設計角度盡量減輕其影響，或者是基于閃爍預報模型進行規避。

3.3 對星載SAR系統的影響

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，簡稱SAR）作為一種先進的主動式微波遙感技術，具有全天候、全天時、高分辨率成像的優勢，已發展成為一種重要的對地觀測手段，廣泛應用于戰場偵察、航空測量、航空航天遙感、海洋觀測、地球資源勘探、環境監測、深空探測等軍事和民用領域[21]。其工作時不可避免地要受到電離層的影響，尤其是P和L頻段的SAR系統，其影響不可忽視。

電離層延遲效應將使得SAR圖像發生偏移，色散效應使得雷達信號脈沖展寬，從而使距離向分辨率下降，而電離層閃爍效應會破壞星載SAR系統回波信號之間的相關性，從而使得方位向分辨率降低[22]。分析電離層閃爍對方位向分辨率的影響作用發現[23]：電離層閃爍對P波段SAR系統的影響較為嚴重，當閃爍指數大于0.1時便會使方位向分辨率、峰值旁瓣比和積分旁瓣比等指標下降，影響系統工作；當閃爍指數大于0.3時，沖激響應函數出現嚴重擾動，可能使得系統無法直接成像。

對于電離層延遲和色散效應可以利用電離層模型進行校正，而電離層閃爍效應則可利用相位梯度自聚焦等技術進行校正[24]，或者選擇合理的軌道進行規避[25]。

4 結論

基于對電離層特性的分析和地空鏈路無線電信號的傳播特性分析，電離層對地空信息系統的影響效應主要體現在：

對于衛星通信系統，電離層閃爍會使得信噪比下降，誤碼率上升，嚴重時可使通信中斷。

2）對于衛星導航系統，電離層延遲可產生定位誤差，可使用雙頻測量或電離層模型進行校正。閃爍效應也可以引起定位誤差，嚴重時使用戶無法定位。

3）對于星載SAR系統，延遲效應可使得圖像發生偏移，色散使得距離向分辨率下降，閃爍使得方位向分辨率下降。

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Effects of Ionospheric Environment on Earth-Space Information Systems

F ENG Jian1,2,ZHEN Wei-min2,LIU Dun2
(1.School of Physics and Optoelectronic Engineering,Xidian University,Xi’an 710071,China; 2.China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107,China)

ObjectiveTo mitigate effects of ionosphere on satellite communication,Global Navigation Satellite System (GNSS)and space-based Synthetic Aperture Radar(SAR)and improve the environmental suitability of the system.MethodsBased on propagation principles of radio-wave which travels through the ionosphere,and the mechanism of the various systems,analysis methods of ionospheric effects were given.ResultsSolutions for compensation and mitigation were give in allusion to that ionospheric scintillation,Faraday Rotation,time delay and dispersion would raise the error rate of satellite communication,increase the positioning error of GNSS,lead to the excursion of SAR image and degradation of resolution.ConclusionThe effect of ionospheric delay can be corrected by observation or ionospheric models.However,the effect of scintillation can only be mitigated through some avoiding methods.

ionosphere;total electron content;satellite communication;global navigation satellite system;synthetic aperture radar

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.002

TJ07；TN011

A

1672-9242(2017)07-0007-05

2017-04-28；

2017-05-18

馮健（1981—），男，山東人，高級工程師，主要研究方向為電離層電波傳播應用技術。