張衡一號衛星三頻信標載荷典型事件觀測

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. 應急管理部國家自然災害防治研究院，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境的一部分，與人類生產、生活密切相關. 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，影響著人類的通信、導航. 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生不同程度的擾動.這些擾動能夠通過三頻信標(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(International GNSS Service，IGS) 提 供 的 全球TEC 數據，對白天電離層TEC 的周年和半年變化特征進行了研究，認為電離層TEC 周年變化幅度在南北半球中高緯度地區較大、赤道和低緯地區很小，且全球大部分地區的TEC 在春秋月份出現最大值. 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. 張東和等[3]利用GPS 觀測數據分析了2000-04 磁暴期間的電離層狀態，給出了磁暴在觀測區域內的時空演化趨勢；在2018-08-25 的磁暴事件中，一些研究者[4-6]也發現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，就不斷有學者探索利用電離層層析成像(computerized ionospheric tomography, CIT)技術反演電離層電子密度分布[7-9].傳統雙頻信標的探測技術，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 技術的出現，一定程度上彌補了這一缺憾.搭載于衛星上的發射機向地面發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，對多個接收站的數據進行集合，利用多站法可以得到更為精確的絕對TEC 數據[11-12]. 1997 年，中國臺灣地區和美國聯合制定了COSMIC(Constellation Observation System for Meteorology, Ionosphere and Climate)衛星計劃，該計劃旨在通過搭載于衛星上的TBB 發射機，以及布設于地面的接收機，將獲得的TEC 作為輸入，利用CIT 技術反演電離層電子密度.2006 年COSMIC 衛星發射成功后，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 技術的發展奠定了基礎[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星——“張衡一號(簡稱ZH-1)”，在酒泉衛星發射中心成功發射[15]，星上搭載的TBB 機載荷能夠持續向地面發射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 電離層監測系統，能夠對站鏈上空的電離層進行高精度的TEC 測量，以及高分辨率的CIT. 陳亮等[16]利用電離層垂測數據及模型結果對TBB 觀測的質量進行了評估，認為TBB觀測結果與垂測數據具有較好的一致性.

自ZH-1 衛星發射后，TBB 觀測系統已經積累了大量的觀測數據，本文中，我們將利用ZH-1 TBB(本工作僅使用VHF 和L 頻段的觀測結果) 的觀測數據，對我國中、低緯地區電離層半年變化特征進行分析，并利用TBB 觀測結果對2018-08 發生的磁暴進行跟蹤分析.

1 ZH-1 衛星TBB 觀測系統簡介

TBB 電離層探測系統利用ZH-1 衛星上搭載的TBB 機發射三個頻率穩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，在地面接收機與衛星的連線掃過的區域連續監測電離層狀態[14](圖1). 這一觀測系統能夠提供站鏈上空的絕對TEC、閃爍指數(S4)及電子密度等產品.

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

TBB 接收系統主要包括TBB 接收機站網和TBB數據處理中心兩部分. 各接收站根據衛星星歷在衛星過境前提前開機，完成信標信號的捕獲和跟蹤，接收星上發射的TBB 信號，接收機配套有GPS 衛星授時系統，用于標記信號接收時間，確保不同接收站的數據在時間上的一致性. 接收到的數據通過地震信息網，實時傳送到衛星地震應用中心，應用中心對原始數據進行處理，并反演得到相關電離層狀態信息.

2016 年開始，衛星地震應用中心陸續在我國甘肅、寧夏、云南等地區布設TBB 接收站，旨在對我國南北地震帶上空的電離層進行監測. 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 衛星TBB 數據格式及數據處理流程介紹

依據《電磁監測試驗衛星數據產品分級標準》，TBB 數據分為4 級，其中0 級觀測為數據，1～3 級為標準數據產品. 1 級數據產品包括三頻段信號的差分相位、信號強度和觀測仰角；2 級數據產品包括單站的相對TEC、電離層閃爍指數S4和觀測仰角；3 級數據產品是在2 級數據的基礎上，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數據(表2).

表2 TBB 數據分級Tab. 2 Data classification of TBB

TBB 系統各級數據處理流程如下：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 的觀測數據以及信噪比數據(0 級數據). 對TBB 接收機的I/Q 觀測數據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 級數據). 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計算，每1 s 計算出一組閃爍指數進行時空匹配，計算得到各組數據在觀測時間所對應的空間位置(2 級數據). 通過對多個臺站的觀測數據進行集中處理，利用多站法每秒計算一個電離層絕對TEC 數據，再利用CIT 對單個鏈路進行反演得到二維電子密度剖面數據，并提取NmF2異常(3 級數據).

3 數據篩選及觀測結果

3.1 數據的選擇

本工作主要利用2018—2019 TBB 觀測系統產出的電子密度、NmF2等數據，分析NmF2的半年變化特征；通過對2018-08 數據的處理，分析觀測數據對發生于2018-08-25—26 磁暴事件的響應，以期探討TBB 載荷的觀測質量.

數據選擇的原則如下：

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

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

圖3 觀測信號失鎖和中斷現象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性變化規律，利用TBB 觀測數據(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均值隨季節變化的趨勢比較明顯，而這一現象在中低緯度表現更為顯著. 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，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，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；而在高緯度地區這一現象則并不顯著，可以認為是半年度異常的體現.

3.3 磁暴響應

選擇2018-08-26 發生的磁暴事件，分析電子密度的響應，SYM-H 指數如圖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相. 本次磁暴主相持續時間超過11 h，恢復相持續至08-27[4]. 8-26 主相期間共有兩軌觀測數據，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，本文選擇兩個地磁寧靜日2018-08-21(參考日)和8-31(恢復日)相同時刻的電子密度結果與磁暴當天電子密度結果進行對比.

圖5 2018-08-26 磁情指數與暴時軌道分布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、恢復日的觀測結果繪制在一起，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)分別為磁暴當日及恢復日的電子密度剖面；圖6(g)、(i)和圖6(h)、(j)分別為磁暴當日和恢復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 磁暴當天電子密度觀測結果與寧靜日對比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，F2層電子密度增大(圖6(g))，表現為正暴相. 電子密度相對變化結果顯示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相階段，從觀測結果來看，在中緯度地區，電子密度顯著降低，表現出明顯的負擾動，低緯度地區則表現為正暴相特征(圖6(i))，其可能的原因是熱大氣層的中性風、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]. 低緯地區電子密度相對變化增幅不大，最大增幅約15%(圖6(m)). 磁暴結束后(08-31)，觀測到低緯度地區電子密度變化趨于平靜(圖6(h)，(l)，(j)，(n)).

4 討 論

利用2018—2019 TBB 的觀測數據，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.初步結果表明，利用TBB 觀測數據能夠有效監測到中國區域電離層的NmF2變化，也能觀測到冬季異常、半年度異常現象的變化活動規律. 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流運輸過程的影響，從而使中高緯度表現出NmF2周年變化和冬季異常現象[21-22]，這一理論也能對NmF2的季節異常作出解釋[23].

根據TBB 的觀測結果，2018-08-26 的磁暴為正暴相. 這與文獻[5-6, 24]的分析結果一致，他們認為在磁暴主相階段，NmF2和TEC 都具有較大的增強，并且在亞洲區增幅最大. 通常情況下，熱層正常存在潮汐風，白天產生向極風，夜間產生向赤道風. 磁暴期間，白天的向極風反向變為向赤道風抬高電離層，在等離子體垂直向上的漂移以及中性風的共同作用下，[O/N2]比增加，復合率降低，最終導致了NmF2和TEC 的增大. Li 等人[5]利用GUVI 衛星的數據分析了磁暴期間[O/N2]的變化，發現在磁暴主相和恢復相期間[O/N2]都有明顯的增強；在磁暴恢復相階段，NmF2和TEC 還表現出了持續的正暴相特征，推測主要是由于在磁暴的恢復階段從赤道向中緯度輸送的原子氧密度增加導致的.

5 結 論

本文利用ZH-1 TBB 觀測數據，分析了站鏈上空電離層半年變化特征，并對發生于2018-08-26 的磁暴進行了跟蹤分析，結論如下：

1)利用ZH-1 TBB 數據，能夠對站鏈上空電離層半年的變化規律進行觀測，能夠有效監測電離層的變化；

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確的觀測數據，且成像速度快，能夠更準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域進行觀測，合理的接收站布設能夠讓我們得到更多、更優質的觀測數據.

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