张衡一号卫星观测的地基VLF 波电离层加热扰动特征

刘大鹏 申旭辉 杨德贺 赵庶凡

（应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京 100085）

引 言

地球电离层作为短波通信的重要介质，可引起空间无线电波反射、折射、散射和吸收等效应，进而对无线电广播、通信、导航、雷达观测等活动产生重要影响[1]. 电离层的探测手段主要分为原位探测(直接探测)和遥感探测(间接探测)，目前多以遥感探测为主，即通过地面设备向电离层发射信号，对散射回来的信号进行反演处理获得相关物理参数. 近年来，随着电离层物理研究的发展以及空间探测技术的日益成熟，使得对电离层环境进行高精度、高时空分辨率的卫星原位探测需求逐步体现出来[2].

近年来，随着卫星技术的快速发展，美国DMSP系列卫星、法国DEMETER 卫星、欧空局Swarm 卫星星座、俄罗斯COSPASS-II 卫星等一系列地球科学探测卫星相继发射，为地球电离层观测研究积累了丰富的观测数据和观测经验. 各国研究人员基于卫星观测数据开展了相关研究，取得了一系列的研究成果[3-6].

经过多年的筹备与努力，电磁监测试验卫星——张衡一号01 卫星已于2018 年2 月2 日成功发射入轨. 这是我国发射的首颗地球物理场探测卫星，也是我国未来地震立体观测体系的首个专用天基平台.张衡一号01 卫星的轨道运行高度为507 km，轨道倾角为97.4°，降交点地方时14:00，设计寿命5 年. 星上搭载了8 种科学载荷，包含电磁场类探测载荷高精度磁强计、感应式磁力仪、电场探测仪、电离层原位类探测载荷等离子体分析仪(plasma analyzer package,PAP)、朗缪尔探针、高能粒子探测器、电离层结构类探测载荷GNSS 掩星接收机和三频信标发射机，可对卫星轨道高度区域的地球电磁场、等离子体、高能粒子等参量的背景变化和扰动情况进行探测，获取卫星轨道以下区域的电离层结构及其变化情况[7-8].

此次张衡一号01 卫星搭载的科学载荷PAP，是我国等离体子原位探测载荷技术首次应用于电离层观测，具有开创意义和良好的应用前景. 其原位观测的离子密度、离子温度、离子漂移速度等参数，对于电离层-地震耦合过程、电离层环境变化等研究具有重要价值[9-10].

甚低频(very low frequency, VLF)波也称超长波，具有传播距离远的特点，可以在地球-电离层波导内进行远距离传播[11]. 大量数值模拟和加热试验表明，地基VLF 大功率电波信号能够显著影响电离层F 层等离子体状态，经过其上空的卫星可以探测到这种异常状态[12-13]. 本文通过张衡一号01 卫星PAP 对地基NWC 站VLF 波发射源引发的电离层扰动现象进行总结和特征探究，为深入认识地表活动对电离层环境变化的影响提供观测参考.

1 PAP

PAP 是张衡一号01 卫星搭载的原位观测电离层离子参数的科学载荷，硬件结构主要由三个传感器(阻滞势分析器、离子漂移计、离子捕获计)和一块导体扩展板组成. 其中：阻滞势分析器用于观测离子密度、离子温度、沿卫星飞行方向的离子漂移速度；离子漂移计用于观测垂直卫星飞行方向的离子漂移速度；离子捕获计用于观测离子密度涨落情况；导体扩展板主要用于增加导电面积，并保持传感器入口处电场的均匀性. 各传感器及导体扩展板均安装于卫星平台的迎风面，且传感器入口与卫星表层蒙皮保持齐平，结构与安装位置如图1、图2 所示[9-10,14].

图1 PAP 硬件组成结构图Fig. 1 Schematic diagram for composition of the PAP

图2 PAP 在张衡一号01 卫星平台的安装位置Fig. 2 Position of the PAP onboard ZH-1 (01) satellite

PAP 产出的观测数据包括氢离子密度NH+、氦离子密度NHe+、氧离子密度NO+、离子温度Ti、离子漂移速度(Vx、Vy、Vz)，以及离子密度涨落△Ni/Ni，其中+x为卫星飞行方向，+z为卫星朝地球方向. PAP 技术指标如表1 所示[14-15].

表1 PAP 观测技术指标一览表Tab. 1 Main parameters of the PAP

2 观测数据

常规观测状态下，张衡一号01 卫星PAP 在全球南北纬65°之间进行观测，5 d 可实现一次全球范围覆盖. 每1 s 获得一组观测数据，每天分别产出30.4 个日侧(升轨)和夜侧(降轨)轨道数据文件，每个升、降轨道观测持续约37 min. 特殊观测状态下，可根据观测需要，通过地面上注指令对观测区域和数据产出率进行调整[7-8,14].

张衡一号01 卫星下传数据由地面系统接收后，经过帧同步、解扰、去重、拼接等处理，产出原始观测数据[15]. PAP 的原始观测数据是二进制数据，转换为十进制电流数据后，结合地面标定参数按照转换关系转化为电压数据. 根据各个传感器工作原理，经过进一步数据处理产出按时间顺序排列的物理量数据产品. 将对应的星下点位置信息，经过坐标变换处理后进行叠加，生成带有时间和地理坐标信息的物理量数据产品.

3 地基NWC 站VLF 电波引起的电离层扰动

3.1 卫星原位观测的等离子体扰动

由于导航、通信等方面的需求，各国建设了数量众多的地基VLF 地面人工发射源，其中澳大利亚NWC(Northwest Cape，-21.816°N，114.166°E，发射中心频率19.8 kHz)发射站是目前世界上功率最大的VLF 人工发射源之一，发射功率达到1 000 kW[12,16].

张衡一号01 卫星轨道重访周期为5 d，对经过NWC 地面站上空的卫星重访轨道数据进行分析，PAP 多个参量均同步记录到了NWC 地面站引起的电离层加热扰动现象. 图3 展示了2019 年2 月22 日第5 860_1 轨道以及2019 年3 月14 日第6 164_1 轨道的位置，上述轨道均为夜侧轨道(由南向北飞行)，红色五角星为NWC 发射站位置.

图3 经过NWC 发射站上空的第5 860_1 和6 164_1 轨道位置Fig. 3 The positions of the No. 5860_1 and No. 6164_1 orbits which had across the NWC transmitter

图4 为第5 860_1 轨道记录的离子参量情况，横轴标记了UTC 时间和地理经纬度，蓝色虚线表示NWC 发射站所处的纬度位置，纵轴为各种离子参量的观测数值. 可以看出，NO+、Ti、Vx、Vy、Vz、△Ni/Ni在NWC 地面站以北约76 km 区域均同步出现强烈的相对扰动现象. 其中：NO+和△Ni/Ni表现出明显的升高现象；Ti、Vx、Vy和Vz发生剧烈的扰动，并且Vz的运动方向发生变化，由空对地方向反转为地对空方向. 此次等离子体扰动过程持续43 s，覆盖范围约为327 km.

图4 PAP 第5 860_1 轨道记录的NWC 地面站引起的电离层加热扰动Fig. 4 The ionospheric heating disturbances induced by NWC transmitter recorded by the No. 5 860_1 orbit of the PAP

图5 为第6 164_1 轨道记录的离子参量情况. 可以看出，NO+、Ti、Vx、Vz、△Ni/Ni在NWC 地面站以北约46 km 区域均同步出现强烈的相对扰动现象. 其中：NO+和△Ni/Ni表现出明显的升高现象；Ti、Vx和Vz发生剧烈扰动，Vz的运动方向保持地对空方向，Vy呈现较微弱扰动. 此次等离子体扰动过程持续56 s，覆盖范围约为426 km.

图5 PAP 第6 164_1 轨道记录的NWC 地面站引起的电离层加热扰动Fig. 5 The ionospheric heating disturbances induced by NWC transmitter recorded by the No. 6 164_1 orbit of the PAP

3.2 卫星电场功率谱验证

通过对张衡一号01 卫星第5 860_1 轨道和6 164_1轨道电场VLF 频段z分量功率谱密度(power spectral density, PSD)数据求取自然对数，并绘制时频图，结果如图6、图7 所示. 横轴标记了UTC 时间及地理经纬度，黑色虚线为NWC 发射站所处的纬度位置，纵轴表示观测频段范围.

图6 张衡一号01 卫星第5 860_1 轨道记录的NWC 地面站上空电场PSDFig. 6 Power spectrum of electric field over the NWC ground station recorded by the No. 5 860_1 orbit of ZH-1 (01) satellite

图7 张衡一号01 卫星第6 164_1 轨道记录的NWC 地面站上空电场PSDFig. 7 Power spectrum of electric field over the NWC ground station recorded by the No. 6 164_1 orbit of ZH-1 (01) satellite

第5 860_1 轨道电场PSD 值在NWC 站以北约70～400 km 显著增强，持续时间约为40 s. 第6 164_1轨道电场PSD 值在NWC 站以北约50～500 km 显著增强，持续时间约为60 s. 上述结果与图4、图5 中PAP观测的离子参量扰动范围基本一致. 电场PSD 值显著增强的频段范围(红色区域) 约为19.5 kHz 至20.1 kHz，与NWC 人工源发射频率19.8 kHz 基本一致，从而可以确定张衡一号01 卫星第5 860_1 轨道和第6 164_1 轨道PAP 观测的电离层等离子扰动变化，是由NWC 站发射的VLF 电波引起的.

3.3 扰动特征与传播机理分析

地基VLF 人工源引起的电离层加热传播机制至今仍在研究中. 目前业内学者普遍认为，由于VLF 波具有传播损耗小和传播距离远的特点，可以在低电离层波导中实现长距离传输，并能够产生空间波粒相互作用效应[17-18].

Wait 于1968 年提出了适用于VLF 的地球-电离层波导传播模型，电磁波在大气中传播时，除了正常的折射外，在一定条件下还会产生超折射现象，从而形成电离层波导传播[19]. Galejs 于1972 年首次讨论了地基VLF 电磁波对低电离层的加热影响[20]，Juan等人于1994 年进一步证实了VLF 发射源能够经常性地在夜间引起电离层D 区加热现象[21]. 根据法国DEMETER 卫星(轨道高度约700 km)的观测结果，该卫星在NWC 发射站上空以北区域观测到了相似的等离子体密度及温度的剧烈扰动现象，并认为该现象是由于NWC 站大功率VLF 波经回旋共振与高能粒子沉降相互作用，引起电离层电子、离子加热所导致[22]. Parrot 等人认为这种等离子体波增强现象主要是因为VLF 波能量衰减较小有关[23]. 还有学者提出静电波与离子相互作用是地基VLF 波引起电离层加热现象的可能原因之一[24-25].

地基大功率人工源产生的VLF 电磁波可以在地面和电离层底边界之间的波导中来回反射，并沿着地球-电离层波导传播到相距发射源位置很远的地方. 在穿越电离层D/E 区域时，VLF 电波的大部分能量由于电子和中性成分的强烈碰撞而被吸收消耗，但仍有相当一部分能量可以穿过电离层D/E 区，继续沿着哨声导管向电离层F 层和磁层传播. 由于较大能量的输入，电离层相关区域等离子体的温度发生显著升高，同时引起等离子体剧烈运动，进而导致NO+、Ti以及漂移速度状态发生显著变化，并被经过该区域的张衡一号01 卫星科学载荷观测到. 由于白天电离层等离子体密度梯度很强，而吸收区域很窄，因此这种地基VLF 波引起的电离层扰动现象白天很少被观测到，通常出现在夜侧[22].

△Ni/Ni表示的是离子总密度后一秒与前一秒的变化涨落情况，而离子密度中NO+的比重最大，约占总体的90% 左右[26]，因此图4、图5 中NO+与△Ni/Ni的变化情况相近.

如图4 所示，第5 860_1 轨道离子垂向漂移速度Vz的运动方向在扰动区域发生了变化，由空对地运动方向反转为地对空运动方向. 如图5 所示，第6 164_1轨道离子纵向漂移速度Vx和垂向漂移Vz都表现出强烈的同步扰动变化，并且Vz保持地对空运动方向，而Vy则没有出现剧烈的扰动. 电离层加热试验研究表明，当卫星经过增强的等离子体密度区时，观测离子运动方向会发生变化[13]. VLF 电波能量由地表向空间进行传播，引起电离层等离子体垂直向上运动，同时在地球电磁场的作用下，E×B作用力引起等离子体在水平方向发生漂移[24-25]，进而导致表征垂直地面方向离子漂移速度的Vz和南北方向离子漂移速度的Vx均发生显著的突跳变化.

根据图4、图5 所示的在NWC 站以北区域离子密度、离子温度、离子漂移速度在夜侧轨道的观测结果，以及图6、图7 展示的电场观测结果可知，地基大功率VLF 发射源在夜侧对电离层500 km 高度的辐射影响范围约为数百千米，而后恢复正常状态. 电离层扰动位置并不是发生在NWC 站正上空，而是相对站址位置向北侧偏离数十千米. 引起这种现象的原因是，地基VLF 发射源在电离层某一高度的辐射场呈同心圆形状，由于电波能量沿哨声管道传播，辐射扰动中心区域相对于发射源的位置通常向磁赤道方向发生偏移. 这种偏移变化与发射源所处的地理纬度以及发射频率有关，纬度越低，位置偏移越高[22,24-25].

此外，该现象与地震引起的电离层扰动现象有相似之处. 相关研究表明，地震电离层异常并不是发生在震中正上空，而是相对震中位置向磁赤道有一定偏移，大部分发生在几度至15°左右(纬度)，部分异常可能会超出该范围[27].

4 结 论

本文介绍了张衡一号01 卫星原位探测科学载荷PAP 的主要参数和数据产出，对该载荷在约507 km轨道原位观测的、由NWC 站大功率地面VLF 人工源辐射引起的电离层加热扰动现象及特征进行了总结和分析. 具体结论如下：

1)两个重访轨道的氧离子密度、离子温度、离子漂移速度等多个原位观测量在夜侧轨道均同步记录到NWC 站上空以北约50～500 km 区域出现的电离层加热扰动现象，扰动持续范围约为300～400 km.

2)通过对相同轨道电场数据进行功率谱计算可知，电场功率谱增强区域与等离子体扰动区域基本相同，且该区域电场频率与NWC 站发射频率基本一致，从而可以确定此次卫星观测的等离子体扰动变化由NWC 站发射的VLF 电波引起.

3)地基大功率VLF 电波能够对电离层等离子体环境产生明显影响. 在电磁场波导传播的作用下，地基VLF 电波引起的电离层扰动区域相对于发射源位置向磁赤道方向发生偏移.

4)验证了张衡一号01 卫星PAP 对地基大功率VLF 人工发射源引起的电离层等离子体扰动，具有一定的探测分辨能力.

5)通过对已知的地基电波发射源引起的电离层等离子体扰动开展研究，对于认识电离层环境变化特征具有重要的参考意义，可为地震-电离层耦合过程等研究提供观测参考.