电离层环境对地空信息系统的影响效应

冯健，甄卫民，刘钝

（1.西安电子科技大学物理与光电工程学院，西安710071；2.中国电波传播研究所，山东青岛266107）

电离层环境对地空信息系统的影响效应

冯健1,2，甄卫民2，刘钝2

（1.西安电子科技大学物理与光电工程学院，西安710071；2.中国电波传播研究所，山东青岛266107）

目的为了减缓电离层对卫星通信、全球卫星导航系统、星载合成孔径雷达等系统的影响，提高系统的环境适应性。方法由穿越电离层的无线电信号传播原理出发，结合各种系统的工作原理，给出电离层影响的分析方法。结果针对电离层闪烁、极化旋转、时延和色散等传播效应造成卫星通信误码率上升、卫星导航定位误差增大、SAR图像偏移和分辨率下降等影响，分析给出了效应补偿和减缓应对方法。结论电离层延迟效应可以由电离层实测值或者模型来进行校正，而闪烁效应大多需采用规避的措施来减缓其影响。

电离层；总电子含量；卫星通信；全球卫星导航系统；合成孔径雷达

在地球上空大约60～1000 km的区域，受太阳辐射，一部分空气分子被电离，以电子和离子的形式存在。由于它们的数密度相等，因此呈等离子体态，这一区域被称为电离层[1]。电离层是一个复杂的非线性动力学系统，主要受来自太阳的电磁辐射、高能粒子、行星际磁场的控制。除了地球外部的这些控制因素之外，影响电离层变化的还有地球磁场、大气环流等来自地球本身的控制因素。由于电离层内存在各种光化学、动力学、电动力学等物理过程和化学反应，因此它不仅具有太阳活动周、季节、逐日等规则变化[2—5]，也具有电离层闪烁和电离层暴等不同时空尺度的异常变化[6—7]。

作为电波环境的重要组成部分，电离层会与电磁信号相互作用，产生折射、法拉第旋转、反射、散射、吸收、电离层闪烁等多种影响效应[8]，进而影响各类无线电系统的效能。随着电子技术的发展，无线电系统的精度和灵敏度越来越高，受电离层环境的影响和制约也越来越显著。

1 电离层特性

1.1 环境特性

作为地球高层大气的一部分，电离层主要由带电粒子、中性原子与分子组成，它上接磁层，下接中性大气，受到磁层中的等离子体以及中高层大气中风场等的影响，变化十分复杂。电离层中的中性成分受太阳辐射、地球和日月引力等作用，处于不停地运动之中，它的密度、温度、压力、成分和电离度等随高度、经纬度和地方时的分布也存在明显的差异。

从宏观上看，电离层介质呈电中性。电离层的一个主要特征就是在大的集合尺度上近似水平分层，即电离层中各种物理参数在垂直方向上的变化要远大于水平方向。垂直方向，根据电子密度分布的特征，电离层可以分为D，E，F1和F2几个区域[1]。

太阳、地磁活动等因素都会对电离层的状态产生影响。大量的观测数据统计分析表明，电离层具有一些规则变化特征，主要包括日变化、季节变化、太阳周变化和纬度变化等。除了上述规则变化外，在某些特定的条件下，电离层还会产生电离层闪烁、电离层暴、突然骚扰等不同尺度的扰动现象。

1.2 传播特性

对于地空无线电信号，当忽略碰撞时，电离层折射指数可由Appleton-Hartree公式表示为[9]：

由Appleton-Hartree公式可知，电离层具有色散、吸收、双折射和各向异性等特点。

2 电离层对无线电信号的影响

2.1 相位超前

由式（1）可知，信号的相路径长度为：

式中：np为相折射指数；P0为由卫星到接收机点的真实距离。可见，由于无线电波在电离层中的相位折射指数小于1，因此电离层的存在缩短了相路径长度。

为了方便描述电离层的延迟效应，引入了电离层总电子含量（Total Electron Content,TE C），它定义为：

式中：s为积分路径，即信号的传播路径；1T E Cu=1×1016el/m2。

因此，电离层引起的相路径长度变化为：

因此，电离层引起的相位超前量为：

2.2 附加延迟

电离层色散效应使得电磁波以不同于相速度的群速度传播，由式（1）可以得出群折射指数为：

则等效群路径可表示为：

由于无线电波在电离层中的传播速度小于自由空间的速度，因此电离层的存在造成了传播附加延迟Δlg：

相对应的附加时延为：

2.3 电离层色散

由于电离层的折射率与信号频率有关，因此信号传播时延是频率的函数，尤其对于宽带信号，会引起严重的时延散布效应，即色散。色散通常指的是时延色散，即时间相对于频率的变化率，由式（9）可得：

式中：δt为时延色散，s；δf为脉冲频谱宽度，Hz。δf与脉冲宽度为τ的关系为：δf=1/τ。

电离层引起的相位色散就是相位关于频率的变化率，由式（5）得到：

2.4 法拉第旋转

地磁场的存在，使得电离层表现出各向异性特征，如（1）式所示。无线电波进入电离层后，分解为波矢量与相速不相同的寻常波和非寻常波。由于这两个特征波相位和幅度的变化，会造成合成波极化面发生旋转，并且会随着传播路径和电离层状态的变化而变化，此效应称为法拉第旋转。

准纵传播下，两个特征波是旋向相反的圆偏振波，由式（2）可知两特征波之间的相路径长度差为：

式中：下标“+”和“–”分别表示寻常波和非寻常波。极化旋转角可由式（12）得到：

式中：λ为信号波长；c为光速；B0为地磁场磁感应强度；θ为波的传播路径和磁场之间的夹角。

近似情况下，可以将传播路径上的地磁场视为一个平均值Bav，那么：

2.5 电离层闪烁

电离层闪烁是指受电离层中不规则结构的影响，无线电波传播穿过电离层时信号振幅、相位和到达角等随时间和空间的随机起伏现象[10]。在实验观测中，电离层闪烁强度通常用幅度闪烁指数和相位闪烁指数来衡量。幅度闪烁指数S4定义为信号强度的归一化方差：

式中：S4为表征幅度（强度）闪烁剧烈程度的物理量；＜＞表示均值；I为信号强度。

3 电离层对地空信息系统的影响及校正方法

电离层对地空无线电信号产生的影响效应主要分为两类[11]：一类是由平均背景或大尺度的电离层结构造成的群时延、相位超前、法拉第旋转、色散和衰减等，这些效应与电离层总电子含量相关；另一类是由电离层中的小尺度不规则结构（电离层电子密度的随机波动或扰动）引起的电离层闪烁效应。

3.1 对卫星通信系统的影响

一般情况下，卫星通信系统利用VHF及以上频段的信号，因此电离层吸收和反射效应可以忽略。影响卫星通信的主要因素为引起信号快速随机起伏的电离层闪烁效应。电离层闪烁影响的无线电频段从几十兆赫兹到10 GHz，对VHF和UHF频段的影响最为严重，对L和S频段影响次之，对C及以上频段的信号影响较小[12—13]。电离层闪烁的主要表现是信号幅度的随机起伏，它将导致信号强度的衰落，使信道的信噪比下降。当衰落深度超过接收系统设计的衰落余量时，将导致卫星通信链路中断。

由于在巴拿马的军事行动、海湾战争和科索沃战争期间，电离层闪烁都曾给美国造成较大影响，使得美国十分重视电离层闪烁研究，并分步实施对电离层闪烁的可靠预报。第一步，美国军方资助西北研究院(NorthWest Research Associates，NWRA)研制开发了宽带闪烁模型(WideBand ionospheric scintillation MODel,WBMOD)[14]。WBMOD是电离层闪烁中长期预报模型，它是通过对美洲地区长期电离层闪烁观测数据进行分析和理论研究得出的。第二步，在美洲建立了用于支撑其战术通信卫星的地面电离层闪烁监测网系统——电离层闪烁决策辅助系统(Scintillation Network Decision Aid，SCINDA)[15]。在地面的闪烁监测网直接接收其战术通信卫星UHF信号的幅度，每个监测站将其闪烁情况分别自动传送到数据中心，中心利用实时获得的监测数据和相关的物理模型实现对电离层闪烁现报和1～2 h近实时预报。第三步，建立通信/导航中断预报系统C/NOFS (Communication/Navigation Outage Forecasting System)。

美国于2008年发射了C/NOFS卫星[16]，开展电离层就地测量，即利用星载监测设备直接测量等离子体温度、等离子体漂移速度、电场等，对引起闪烁的电离层瑞利-泰勒（R-T）不稳定性的产生及演化过程进行预报，显著提升了对电离层闪烁的监测预报能力。

3.2 对卫星导航系统的影响

卫星导航系统在军事、民用领域得到越来越多的应用。现代军事应用中，陆、海、空、天等多种平台的导航应用，精确武器投放，雷达、通信系统的时频统一等已主要依赖于卫星导航系统实现。民用方面，车辆导航、大地测量、制图、通信系统的时间统一等也主要依赖于卫星导航系统实现。卫星导航系统正在成为现代信息社会中重要的基础设施而为各世界强国所重视。

电离层环境对卫星导航信号的影响主要包括两个方面：电离层延迟和电离层闪烁。电离层延迟效应会引起伪距误差，从而造成用户接收机定位误差增大。由式（8）可知，电离层延迟大小与频率的平方成反比，与电离层T E C成正比。电离层T E C的变化受太阳活动控制，在太阳活动高年时，电离层T E C增大，使得卫星导航定位误差增大。研究结果表明，太阳活动高年时，电离层垂直T E C最大可以达到110T E Cu，使得GPS用户产生约60 m的定位误差。

对于延迟影响，双频接收机用户可以利用双频信号进行电离层延迟改正[17]。单频实时导航定位用户必须采用有效的电离层修正模型。如美国的GPS系统采用Klobuchar模型[18]，欧洲的Galileo系统采用NeQuick模型[19]，我国北斗系统也开发了相应的修正模型。

电离层闪烁使得接收的卫星信号信噪比下降，信号衰落幅度可达20 dB以上，严重情况下还可以发生卫星信号跟踪的中断。对电离层闪烁期间信号信噪比变化情况的分析结果表明[20]：接收机信噪比的降低，将引起接收机跟踪精度的降低，从而引起定位精度的下降；卫星的失锁将引起测站可视空间卫星星座的变化，引起DOP因子的增大，降低定位精度；同时，电离层不规则体结构引起的电子密度变化，将引起卫星信号传播路径上电离层延迟的变化，进而影响定位精度。

电离层闪烁造成的信号幅度和相位的起伏是快速随机的，目前尚无较好的校正方法，更多的是从接收机设计角度尽量减轻其影响，或者是基于闪烁预报模型进行规避。

3.3 对星载SAR系统的影响

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，简称SAR）作为一种先进的主动式微波遥感技术，具有全天候、全天时、高分辨率成像的优势，已发展成为一种重要的对地观测手段，广泛应用于战场侦察、航空测量、航空航天遥感、海洋观测、地球资源勘探、环境监测、深空探测等军事和民用领域[21]。其工作时不可避免地要受到电离层的影响，尤其是P和L频段的SAR系统，其影响不可忽视。

电离层延迟效应将使得SAR图像发生偏移，色散效应使得雷达信号脉冲展宽，从而使距离向分辨率下降，而电离层闪烁效应会破坏星载SAR系统回波信号之间的相关性，从而使得方位向分辨率降低[22]。分析电离层闪烁对方位向分辨率的影响作用发现[23]：电离层闪烁对P波段SAR系统的影响较为严重，当闪烁指数大于0.1时便会使方位向分辨率、峰值旁瓣比和积分旁瓣比等指标下降，影响系统工作；当闪烁指数大于0.3时，冲激响应函数出现严重扰动，可能使得系统无法直接成像。

对于电离层延迟和色散效应可以利用电离层模型进行校正，而电离层闪烁效应则可利用相位梯度自聚焦等技术进行校正[24]，或者选择合理的轨道进行规避[25]。

4 结论

基于对电离层特性的分析和地空链路无线电信号的传播特性分析，电离层对地空信息系统的影响效应主要体现在：

对于卫星通信系统，电离层闪烁会使得信噪比下降，误码率上升，严重时可使通信中断。

2）对于卫星导航系统，电离层延迟可产生定位误差，可使用双频测量或电离层模型进行校正。闪烁效应也可以引起定位误差，严重时使用户无法定位。

3）对于星载SAR系统，延迟效应可使得图像发生偏移，色散使得距离向分辨率下降，闪烁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

冯健（1981—），男，山东人，高级工程师，主要研究方向为电离层电波传播应用技术。