斜测链路F层最高观测频率变化特性分析

李晓君 陈春 孙树计 刘玉梅

(中国电波传播研究所,青岛 266107)



斜测链路F层最高观测频率变化特性分析

李晓君 陈春 孙树计 刘玉梅

(中国电波传播研究所,青岛 266107)

斜向探测是获取电离层状态信息的重要手段之一,根据斜向探测系统得到包含电离层状态信息的斜测电离图,能用于分析斜测链路上电离层相关参数的变化特性．以苏州—青岛和兰州—青岛两条链路为例,分析了斜向探测链路F层最高观测频率(Maximum Observed Frequency of F layer,MOFF)日变化特征;利用2013年12条斜向探测链路MOFF的观测数据,分析了冬、夏、分季的MOFF月中值变化特征,发现各链路的MOFF与电离层电子密度类似呈现出较为明显的日变化和季节变化特性．选取2013年西安—青岛、广州—海口两条链路的MOFF数据,与利用链路中点附近垂测数据计算的等效MOFF参数进行对比分析．结果表明：实测MOFF数据与等效MOFF数据具有较好的一致性,可为短波链路选频、电离层环境分析等提供参考．

斜向探测;链路;F层最高观测频率;相对偏差

引 言

电离层斜向探测是一种常规电离层探测手段．利用斜向探测技术可以得到电波传播过程中的所有频率的可能传播模式及其群路径、强度等信道特性．斜向探测采用收发分置的装置,无线电波从发射站斜向入射到电离层,经电离层反射后到达接收站,形成固定地面距离的频率-群时延特性曲线,即斜测电离图．对斜测电离图进行分析处理,能提取链路最高和最低观测频率,进而反演反射点附近的电离层特征参数,这对于短波通信链路频率预报和电离层环境特性研究等具有重要的现实意义．

链路基本最高可用频率(Maximum Usable Fr-equency,MUF)是无线电波在给定的收发终端间只通过电离层折射进行传播的最高频率．当频率高于基本MUF时,仍经常能接收到信号,这除了电离层观测的误差和理论公式不完全恰当等因素之外,还可能出现如Es层反射、F层散射和非大圆路径侧向反射等传播模式．在指定的时间和工作条件下,无线电波在给定收发终端间获得的可接受性能的最高频率,称为链路的工作MUF．而链路的MOFF是无线电波在给定的收发终端间通过电离层折射进行传播时形成的斜向观测电离图F层描迹对应的最高频率．可见,链路的MOFF更接近于链路的工作MUF．

电离层是一个非常复杂的随时空变化的非线性系统,影响因素众多．电离层F2层对入射到电离层的无线电波传播起主要作用,受太阳辐射、大气环流、地磁活动等因素的影响,其电子浓度随昼夜、季节、太阳活动、地理位置等发生复杂变化,由斜向探测电离图获取的电离层参数F层最低观测频率(Low Observed Frequency of F layer,LOFF)及F层最高观测频率(MOFF)与电离层电子浓度的变化密切相关,因此，也表现出明显的昼夜变化、季节变化等特征．

国外自上世纪70年代起在电离层斜向探测原理[1]、斜测电离图反演方法[2]、斜测电离图显示及参数度量[3]、斜测数据对比分析及应用[4]等方面开展了一定的工作,为电离层斜向探测技术研究奠定了理论及应用基础．在国内,中国电波传播研究所的科研人员在电离层斜向传播模式[5]、斜测电离图反演不稳定性算法研究[6]等方面开展了部分工作．此外,文献[7]利用我国多条斜测链路的F2层基本最高可用频率(MUF)月中值数据,与ITU-R P.434方法计算的F2层基本MUF进行了比较,分析了该方法在中国地区的适用性．武汉大学也开展了电离层斜向探测系统的研制工作[8],并利用该系统对武汉-万宁和万宁-武汉两条电离层高频信道的互易性进行了分析,结果发现这两条信道有较好的互易性[9]．

选取了电波环境观测站网12条斜向探测链路的数据,对MOFF月中值的变化特性进行了分析．进一步选取大圆距离分别在500 km、1 000 km左右的青岛—西安、广州—海口两条链路,利用链路中点附近的垂测站foF2数据计算链路的等效MOFF参数,并与实测MOFF进行了对比．

1 数据分析处理方法

综合考虑电波环境观测站网斜测链路反射点附近的垂测站位置,选取了其中的12条斜向探测链路,链路信息如表1所示．所选链路的中点距离最近的垂测站距离不超过300 km,远低于电离层变化的空间相关尺度[10]．

表1 斜测链路信息

利用斜测电离图自动判读软件对所有斜测电离图数据进行自动判读,获取各链路的实测MOFF参数,为分析电离层相对平静时MOFF参数的变化情况,采用MOFF月中值进行对比分析．

根据垂直探测和斜向探测电离图间的等效关系,当斜入射与垂直入射的两束无线电波反射高度相同时,其频率值满足正割定理,斜向探测电离图可以由斜向探测链路中点的垂直探测电离图变换而来．若电波以角度φ0入射到电离层,忽略地磁场的作用,由正割定理可得斜向探测电波的频率fo与同样真实高度反射的垂直探测电波频率fv有如下关系,即

fo=fvsecφ0

(1)

图1 斜投射射线的几何关系图

图1为无线电波入射到电离层的斜投射射线的几何关系示意图,若收发站两地的大圆距离为D,反射点处的斜路径群距离为P,地球半径为r0,由图1可知

(2)

由式(1)式(2)可得,等效斜测链路F层最高观测频率与链路反射点处的垂测F2层寻常波临界频率foF2有如下关系

(3)

在相同时刻,根据反射点附近垂测站的foF2实测数据及斜测链路实测F层最高观测频率对应的群距离P,由式(3)可计算等效斜测链路F层最高观测频率f等效．

若以垂测foF2计算的等效斜测链路的最高观测频率f等效作为基准,定义实测链路的F层最高观测频率f实测相对等效链路的F层最高观测频率的相对偏差为

(4)

2 链路MOFF变化特性

2.1 MOFF日变化特性分析

本文仅以南北走向的苏州—青岛链路,东西走向的兰州—青岛链路两条链路为例分析MOFF日变化特性,其中苏州—青岛和兰州—青岛两条链路的大圆距离分别为1 487 km和547 km．图2给出了这两条链路连续五天的实测MOFF变化曲线(2014-3-17～2014-3-21日)．

图2 2014-3-17～2014-3-21两条链路MOFF的变化曲线

从图2可以看出,两条链路MOFF都表现出较为明显的日变化特性．在当地时间5～7点,MOFF出现一天中的极小值,随着太阳的变化,日出后电离层电子密度开始增大,链路的MOFF也随之增大,在正午附近MOFF达到一天中的极大值,MOFF持续一段时间的较高水平,日落时刻以后随着太阳辐射的减弱,链路的最高观测频率开始逐渐减小,夜间维持一个较低的水平至凌晨开始加速减小到日出前后时刻达到最小值．以上结果与电离层电子密度的变化特征类似[11-12]．此外,对同一时刻而言,通信链路的大圆距离越长,观测到的MOFF通常也越大．

电离层中存在着各种尺度的动力学过程,这些过程对电离层结构的形成和发展起着重要的作用,局部地区电子数密度的变化取决于产生率、消失率和由于运动产生的电离通量．对于电离层F2区而言,电离的平均寿命为数小时,在这段时间尺度内不存在纯粹的光化平衡．不仅背景F2层是扩散平衡的结果,整个F区的各种异常都与运动有关,涉及背景的平均环流、热层风、低热层和中间层大气中的潮汐和声重力波以及电离层本身的运动,例如电磁场导致的电子漂移,从而引起斜测链路MOFF的不规则变化．例如,在声重波的作用下,电离层F2层峰值foF2附近的高度发生了迅速地变化．这种大尺度重力波的扰动能够产生电子浓度的梯度,使电子浓度随高度发生变化．当高频电波穿过这样的电离层时,电波传播的多径效应将使接收场强发生变化,从而对斜测链路F层最高观测频率的变化特性产生影响[13]．

2.2 MOFF季节变化特性分析

将全年分为冬季(1、2、11、12月)、分季(3、4、9、10月)、夏季(5、6、7、8月)．分别以8、10和12月作为夏季、分季和冬季的代表,图3给出了表1所有链路2013年不同季节MOFF月中值的变化曲线,其中红色曲线表示夏季,蓝色曲线表示分季,黑色曲线表示冬季．

MOFF在白天中午冬季值常常大于夏季值,这与冬季F2层临界频率和总电子含量的中午值常常大于夏季的特性相同,即“冬季异常”现象．MOFF的这种季节变化特性与电离层电子浓度的变化相关,Rishbeth[14]认为电子密度的变化归因于热层大气中氧原子与氮分子浓度比的变化．大气环流将相对较轻的夏季区域氧原子吹向冬季区,留下不易被吹走的相对较重的氧分子和氮分子,导致夏季区域中氧原子较少,冬季区域中氧原子较多,从而造成这种季节异常．

图3 2013年不同季节各条链路MOFF的变化曲线

2.3 实测与等效MOFF对比分析

对于单条链路,分别以相距为1 092 km的西安—青岛链路、相距为470 km的广州—海口链路为例,将2013年1～12月实测MOFF月中值与利用垂测数据计算的等效MOFF月中值进行对比,结果如下图4、图5所示．

从图中可以看出,西安—青岛链路实测MOFF月中值在大部分时刻比计算的等效MOFF月中值稍偏低．广州—海口链路在冬季、分季的夜晚实测MOFF月中值比等效MOFF月中值偏高,白天中午偏低．从全年的结果看来,这两条链路实测MOFF月中值和等效MOFF月中值曲线每个时刻的变化趋势基本一致,符合性较好．

根据公式(4)计算两条链路MOFF月中值与计算的等效MOFF月中值相对偏差如图6所示．西安—青岛链路全年的平均相对偏差变化较小,大部分时刻在10%以内,其中1、3、7月有个别时刻达20%．广州—海口链路在冬季、分季夜晚的相对偏差比白天偏大一些,在夏季的相对偏差最小,夏季全天相对偏差都在10%左右．两条链路全年的平均相对偏差均约10%,表明实测链路MOFF与计算的等效MOFF具有较好的符合度．

图4 西安—青岛链路实测MOFF与新乡foF2计算的等效MOFF月中值对比

图5 广州—海口链路实测MOFF与广州foF2计算的等效MOFF月中值对比

图6 西安—青岛、广州—海口链路实测MOFF与计算的等效MOFF月中值相对偏差

3 结 论

对我国区域不同走向的两条电离层斜向探测链路连续5天的MOFF变化曲线进行了分析,并对12条斜测链路的MOFF月中值的在不同季节的变化特性进行了对比分析,结果表明,MOFF的日变化及季节变化特性与电离层F2层特征频率foF2的变化[15]具有高度的相似性．链路的MOFF水平白天较高,夜间较低,日出前达到一天中的极小值,正午前后达到一天中的极大值,呈现较为明显的日变化特性;对不同的季节,夏季夜间的MOFF较高,冬季较低．夏季白天的MOFF低于冬季和分季,呈现明显的季节变化特性．

对西安—青岛、广州—海口两条链路实测MOFF月中值与利用链路中点附近垂测数据计算的等效MOFF月中值结果进行了对比,结果发现,斜测MOFF与计算的等效MOFF具有较好的一致性．通过分析其相对偏差发现,链路二者的平均相对偏差均在10%以内,一致性非常好．进一步说明斜向探测数据可用于研究链路反射点区域的电离层参数信息．

在现有MOFF月中值对比分析的基础上,下一步拟开展斜测和垂测数据的逐日变化对比分析,研究利用斜测电离图获得反射点附近频高图电离层参数的可用性、能力和方法,提高电离层高频探测技术在电离层空间天气研究和高频通信实时选频方面的应用能力．

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Analysis on the properties of maximum observed frequency of F layer for ionospheric oblique links

LI Xiaojun CHEN Chun SUN Shuji LIU Yumei

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Ionospheric oblique sounding is a powerful tool for acquiring the status of the ionosphere. An oblique ionogram is obtained by using oblique sounding, which contains useful information about the ionosphere and can be used to achieve the ionospheric variation characteristic of given oblique link. Take Suzhou-Qingdao and Lanzhou-Qingdao links for example, the dinural variations of the Maximum Observed Frequency of the ionospheric F layer (MOFF) is analyzed; Observational data of the MOFF obtained by 12 ionospheric oblique links in China during 2013 were used to study the variation characteristics of their monthly medians in winter, summer and equino. It shows that the MOFF of each link present obvious diurnal and seasonal variations as the ionospheric electron concentration. The MOFF data obtained in 2013 by Qingdao-Xi’an and Guangzhou-Haikou links were chosen for further study by comparing with the equivalent MOFF data calculated by the vertical sounding data near the mid-point of the chosen links. The preliminary results indicate that MOFF has good agreement with the calculated equivalent one, which indicates its value for short-wave frequency selection or ion-ospheric environment studies.

oblique sounding; link; maximum observed frequency of F layer(MOFF); relative deviation

10.13443/j.cjors. 2014111903

2014-11-19

P352

A

1005-0388(2015)05-0922-07

李晓君 (1982-)，女，湖北人，中国电波传播研究所工程师，主要从事数据库、电波传播相关软件研发等工作.

陈春 (1970-)，男，河南人，博士，中国电波传播研究所高级工程师，目前主要从事电离层及其电波传播物理等方面的研究工作.

孙树计 (1981-)，男，河南人，博士，中国电波传播研究所高级工程师，主要研究方向为空间物理.

刘玉梅 (1978-),女,山东人,硕士,中国电波传播研究所高级工程师,主要从事电波环境及传播特性等研究工作．

李晓君, 陈春, 孙树计, 等. 斜测链路F层最高观测频率变化特性分析[J]. 电波科学学报,2015,30(5):922-928.

LI Xiaojun, CHEN Chun, SUN Shuji, et al. Analysis on the properties of maximum observed frequency of F layer for ionospheric oblique links[J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(5):922-928. (in Chinese). doi: 10.13443/j.cjors. 2014111903

联系人： 李晓君 E-mail：zhaojunxinxiang@sohu.com