電離層對短波測向系統的影響分析

孫鳳娟，柳文，李鐵成

（中國電子科技集團公司第二十二研究所，山東青島266107）

電離層對短波測向系統的影響分析

孫鳳娟，柳文，李鐵成

（中國電子科技集團公司第二十二研究所，山東青島266107）

目的研究電離層對短波測向系統的影響。方法從電離層傳播介質入手，分析路徑偏離效應和波干涉效應的形成機理及其對短波測向的影響。結果電離層系統傾斜引起的測向誤差可借助電離層長期預測模型、短期預測算法或電離層實時探測數據對測向方位偏差進行補償。行波擾動不可預測，只能依據行波擾動觀測結果進行測向誤差校正。波干涉誤差可通過時間平滑進行抑制。結論提升現有短波測向系統測向性能的根本途徑是為短波測向系統配備電離層探測設備，準確獲取系統覆蓋區內電離層狀態信息，并進行傳播效應補償。

電離層；短波測向；路徑偏離效應；波干涉效應；行波擾動；系統傾斜

短波測向系統借助電離層反射能夠實現對遠距離、大范圍內短波輻射源的測向定位，是監測遠距離干擾源的重要手段。然而，電離層具有隨機時變、各向異性、色散、非均勻等復雜特性，是影響短波測向系統作戰性能的關鍵因素。大量試驗數據表明，中緯度地區，電離層傾斜和擾動會使測向誤差增大1°～4°，最大可達到7°以上，大尺度行波擾動發生時甚至可引起高達十幾度的測向誤差。因此，深入分析電離層對短波測向精度的影響，探討消減或補償其影響的措施對提升短波測向系統作戰性能具有明確的指導意義。文中從分析電離層結構特點及其變化規律入手，研究了電離層路徑偏離效應和波干涉效應對短波測向的影響，并提出了應對措施。

1 電離層的結構特點及其變化規律

1.1 電離層的結構特點

電離層是地球高層大氣被電離的部分[1]。它是由于太陽高能電磁輻射，宇宙射線和沉降粒子作用于地球高層大氣，使大氣分子發生電離，產生大量的自由電子、離子和中性分子，而構成能量很低的準中性等離子區域。該區域高度大約在60～1000 km。

電離層按電子濃度的高度變化可分為D層、E層和F層，F層白天又可分為F1層和F2層。電離層各層的物理和化學變化與太陽散射、粒子散射、磁層擾動、電磁場變化及高層大氣運動密切相關[2]，常規電離層的分層狀況和基本特點見表1。

表1 常規電離層分層狀況和基本特點

1.2 電離層的變化規律

由于大氣結構和電離源的隨機變化，電離層是一種隨機的時空變化媒質。電離層的分層狀況及各層的電子濃度、半厚度、高度等參數隨地理位置、季節以及太陽活動性而發生較大變化。這些變化可分為規則變化和隨機不規則變化[1]。

電離層的規則變化有：

1）日變化，日出之后，各電離層的電子濃度不斷增加，到正午稍后時分達最大值，之后逐漸減小。一日之內，日出和日落時分電子濃度變化最快。

2）季節變化，由地球環繞太陽公轉引起。F1層多出現在夏季白天，F2層的高度夏季高冬季低，而電子濃度卻是冬季大夏季小，并且一年中春分和秋分兩次達到最大值。

3）黑子活動周期變化，與黑子活動正相關，呈現出11年周期變化。

4）緯度變化，由太陽照射角的不同引起，最大電子濃度隨緯度的增大大致減小，存在赤道異常和中緯度槽等現象。

電離層的不規則變化有：

1）Es層（突發E層），出現在E層高度上，是電子濃度很高的云狀物，能遮蔽上層回波，限制信號傳輸距離。

2）擴展F層，發生在F區的突發不均勻結構，能使回波發生擴散，導致接收回波發生嚴重衰落。

3）電離層行波擾動（TID），是F區一種類似波浪運動的大尺度不均勻結構，它使電子濃度等值面作波狀運動，從而導致無線電波傳播軌跡發生變化。

4）突然電離層騷擾（SID），由太陽風暴引起，使日照面電離層D層吸收增大，導致短波傳輸信道突然中斷。

5）電離層暴，由太陽風暴引起，可使電子濃度降低，鏈路最高可用頻率下降。

2 電離層對短波測向的影響

短波測向誤差是由設備測量誤差和電離層電波傳播誤差兩部分因素引起的。然而，隨著新體制測向系統的出現和系統建設水平的不斷提升，系統測量誤差逐漸減小，電離層傳播效應引起的誤差日漸突出。大量觀測數據顯示[3—7]，引起短波遠距離測向誤差的主要電離層傳播效應可歸納為路徑偏離效應和波干涉效應兩類。

2.1 路徑偏離效應對短波測向影響

路徑偏離效應通常由電離層傾斜引起，會使電波射線在傳輸過程中偏離原包含發射點至接收點的大圓平面，導致測得的示向度與目標真實方位角之間存在偏差。路徑偏離效應引起測向偏差如圖1所示。圖1中，A點發射信號偏離原大圓路徑■AOR到達測向站R，呈現出的示向指向B點所在的大圓平面■'BO R，引起Δφ的測向偏差。

圖1 電離層傾斜引起測向偏差

電離層傾斜由太陽規則變化引起的電離層系統傾斜和電離層隨機擾動兩種原因引起。

電離層系統傾斜主要發生在寂靜電離層狀態下的日出時段和日落時段，尤以日出時段更加明顯，引起的測向偏差在幾度量級。某南北向傳輸鏈路上觀測到的測向誤差隨太陽天頂角余弦的變化關系如圖2所示[8]。可以看出，負的測向誤差觀測于午夜至正午時段，表明電離層電子濃度等值線由西向東逐漸降低；正的測向誤差觀測于正午至午夜時段，此時電子濃度等值線由東向西往低處走；而在午夜或是正午時分，電離層系統傾斜引起的平均測向誤差幾乎為0。

圖2 電離層系統傾斜引起測向偏差

電離層系統傾斜最早由Ross等人[9]測量距測向站400 km處的短波發信源方位角時發現，當時他們觀測到方位角偏離原大圓路徑10°～20°，意味著試驗期間存在非常大的等效電離層傾斜。除此之外，他們還將測量得到的偏角與電離層垂直探測獲得的等效反射高度進行了定性比較，發現二者具有較好的一致性。之后，大量學者深入研究了電離層系統傾斜引起的測向偏差，并得出了很多有意義的結論。

1）測向偏差隨信號頻率偏離鏈路MUF（最大可用頻率）距離的增大而減小。

2）觀測到的方位偏差通常沿F1層或F2層傳播，E層信號經電離層傳輸時一般沿原大圓路徑傳播[10]。

3）最大測向偏差發生在日出后1 h左右，而非日出時刻。

4）測向偏差與信號在電離層中的穿透深度有關，穿透深度越大，測向偏差越大。

盡管寂靜電離層條件下小尺度不均勻體也會引起路徑偏離效應，但是電離層隨機擾動中行波擾動引起的電離層傾斜更普遍。電離層行波擾動引起的路徑偏離可使測量方位角出現周期性起伏，如圖3所示，周期為幾分鐘至幾十分鐘不等。一般大尺度行波擾動周期在30～60 min量級，而中尺度行波擾動在10～40 min量級。

行波擾動引起的時變路徑偏離效應最早由Bramley等人[11]于1951年觀測1跳F模式信號到達角時發現，隨后很多學者對該現象進行了研究。對中緯度地區來說，行波擾動引起的測向偏差約占總誤差的2/3，通常在1°～4°范圍內，而當大中尺度行波擾動發生時甚至能引起幾十度的測向偏差。不過，大尺度行波擾動只是時有發生，而中等尺度行波擾動卻一直存在。Hawlitschka采用超分辨高頻測向系統對中緯度地區行波擾動進行了為期3年的觀測研究[12]。觀測結果表明，中緯度地區，白天發生的大尺度行波擾動多與磁暴（k＞2）有關，通常發生時間晚于磁暴時間約2 h，夜晚低地磁活動時也會發生大尺度行波擾動；中等尺度行波擾動存在于試驗的整個階段，與白天、夜晚以及地磁活動性無關。

圖3 實測行波擾動引起的測量方位角周期起伏

2.2 波干涉效應對短波測向影響

電離層的分層結構使穿越其中的電磁波以多個模式傳播，如不同反射層傳播模式，同一反射層的高、低角模式，地磁場導致的尋常波（O波）和非常波（X波）模式以及不同層之間的混合模式（如EF模式）等，如圖4所示。這樣一來，到達測向陣的信號由相互干涉的多個波束構成，并且每個波束又由反射分量和圍繞其周圍的散射分量組成，最終導致被測信號的示向度在很大范圍內快速游動，引起較大測向誤差。

圖4 電離層多模式傳播

對于中緯度、中等距離傳輸鏈路上單個傳播模式信號來講，圍繞在反射分量周圍的散射分量，其角譜能量分布較窄，可用單個射線近似。這種情況下，波干涉誤差主要來源于兩個或兩個以上傳播模式之間以及單個傳播模式中尋常波和非常波的相互作用。即使是在這種相對簡單的條件下，測量得到的方位角通常也有幾度的誤差，誤差的大小與取向時長和天線陣孔徑有關。

3 應對電離層效應的措施

上一節分析表明，電離層路徑偏離效應和波干涉效應引起測向誤差的機理不同，測向誤差的表現特征也不相同。因此，消減或補償這兩種效應影響的措施也存在差異。

1）應對電離層系統傾斜的措施。對于太陽規則變化引起的電離層系統傾斜誤差，由于電離層規則變化具有一定的可預測性，可借助電離層長期預測模型、短期預測算法或電離層實時探測數據，通過評估電離層等效傾斜引起的方位偏差進行補償。許多學者研究分析了特定鏈路上不同時刻計算方位角與觀測方位角之間的關系，證明了系統傾斜誤差具有補償性[13—17]。如Rao采用三維射線追蹤技術，結合5個電離層垂測站實時探測結果，仿真計算了夜間Houston-Urbana鏈路1跳F層到達方位角[18—19]。通過將它與實測方位角進行比對發現，二者吻合得非常好。

2）應對行波擾動的措施。行波擾動可由不穩定的等離子體或中性風引起，它隨機產生和消失，基本不可預測。因此，很難通過預測方法對行波擾動引起的路徑偏差效應進行補償，只能依據行波擾動觀測結果進行測向誤差校正。行波擾動引起測向誤差的校正方法通常由下列三種[20]：采用多普勒探測網確定行波擾動的存在，并計算其傳輸方向、速度等參數，最后通過確定電離層傾斜角的方式計算測向偏角并進行補償；對斜向傳輸鏈路的多普勒頻移進行測量，利用多普勒頻移與方位偏角之間的相關性進行測向誤差校正；利用電離層垂直探測網確定行波擾動的存在，計算相關尺寸參數并進行建模，然后利用射線追蹤技術確定方位偏差并進行補償。

3）應對波干涉誤差的措施。在時間允許的情況下，波干涉誤差通?？刹捎脤B續多組快速測向結果進行時間平滑的方式進行抑制。觀測數據表明[21—22]，中緯度地區中等距離傳輸鏈路上干涉誤差的典型均方根誤差為2°，而經過2.5 min的時間平滑后，該誤差的典型值可降為原來的1/3。對于猝發等短時信號而言，由于缺乏足夠的取向時間，可采用空域平滑技術進行誤差抑制。所謂空域平滑技術是指采用大孔徑、具有銳方向特性的測向系統進行角譜測量。此方法要求角度測量期間信號角譜包絡維持不變，并且為了精確重構該角譜包絡，角度采樣間距應該足夠小，致使空域平滑技術的實際使用性能受到約束。

4 結語

短波測向系統為典型的環境依賴性系統，其測向性能受電離層電波傳播效應影響較大。文中通過歸納分析主要電波傳播效應――路徑偏離效應和波干涉效應對短波測向的影響，探究消減或補償這些效應影響的基本方法，得出了以下結論：為短波測向系統配備電離層探測設備，準確獲取系統覆蓋區內電離層狀態信息，并進行傳播效應補償是提升現有短波測向系統測向性能的根本途徑。

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Effects of Ionosphere on High-frequency Direction Finding Systems

SUN Feng-juan,LIU Wen,LI Tie-cheng
(CETC No.22 Research Institute,Qingdao 266107,China)

ObjectiveTo study effects of ionosphere on high-frequency direction finding systems.MethodsThe basic characteristics of ionosphere were firstly introduced,the formation mechanism of path deviation effect,wave-interference effect and its influences on HF direction finding were analyzed.ResultsWith the ionospheric long-term prediction model, short-term prediction algorithm or ionospheric real-time sounding data,the error caused by ionospheric system tilt could be compensated.Traveling wave disturbances could not be predicted and the error caused by traveling wave disturbances could only be corrected based on the observed results of traveling wave disturbance.Time smoothing could suppress the wave interference error.ConclusionThe basic way to improve the performance of HF direction finding system is to provide the ionospheric sounding equipment,to obtain the information of the ionospheric state in the coverage area and to carry out the compensation of the propagation effect.

ionosphere;hf direction finding;path deviation effect;wave-interference effect;traveling wave disturbance(TID);systemic tilt

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.009

TJ06；TN011

A

1672-9242(2017)07-0045-05

2017-03-20；

2017-05-08

國家自然科學基金（61331012）

孫鳳娟（1981—），女，山東沂南人，博士，高級工程師，主要研究方向電離層傳播特性及其對短波系統性能影響。