劉大鵬 申旭輝 楊德賀 趙庶凡

（應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085）

引 言

地球電離層作為短波通信的重要介質(zhì)，可引起空間無線電波反射、折射、散射和吸收等效應(yīng)，進(jìn)而對(duì)無線電廣播、通信、導(dǎo)航、雷達(dá)觀測(cè)等活動(dòng)產(chǎn)生重要影響[1]. 電離層的探測(cè)手段主要分為原位探測(cè)(直接探測(cè))和遙感探測(cè)(間接探測(cè))，目前多以遙感探測(cè)為主，即通過地面設(shè)備向電離層發(fā)射信號(hào)，對(duì)散射回來的信號(hào)進(jìn)行反演處理獲得相關(guān)物理參數(shù). 近年來，隨著電離層物理研究的發(fā)展以及空間探測(cè)技術(shù)的日益成熟，使得對(duì)電離層環(huán)境進(jìn)行高精度、高時(shí)空分辨率的衛(wèi)星原位探測(cè)需求逐步體現(xiàn)出來[2].

近年來，隨著衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，美國DMSP系列衛(wèi)星、法國DEMETER 衛(wèi)星、歐空局Swarm 衛(wèi)星星座、俄羅斯COSPASS-II 衛(wèi)星等一系列地球科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星相繼發(fā)射，為地球電離層觀測(cè)研究積累了豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù)和觀測(cè)經(jīng)驗(yàn). 各國研究人員基于衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)開展了相關(guān)研究，取得了一系列的研究成果[3-6].

經(jīng)過多年的籌備與努力，電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星——張衡一號(hào)01 衛(wèi)星已于2018 年2 月2 日成功發(fā)射入軌. 這是我國發(fā)射的首顆地球物理場(chǎng)探測(cè)衛(wèi)星，也是我國未來地震立體觀測(cè)體系的首個(gè)專用天基平臺(tái).張衡一號(hào)01 衛(wèi)星的軌道運(yùn)行高度為507 km，軌道傾角為97.4°，降交點(diǎn)地方時(shí)14:00，設(shè)計(jì)壽命5 年. 星上搭載了8 種科學(xué)載荷，包含電磁場(chǎng)類探測(cè)載荷高精度磁強(qiáng)計(jì)、感應(yīng)式磁力儀、電場(chǎng)探測(cè)儀、電離層原位類探測(cè)載荷等離子體分析儀(plasma analyzer package,PAP)、朗繆爾探針、高能粒子探測(cè)器、電離層結(jié)構(gòu)類探測(cè)載荷GNSS 掩星接收機(jī)和三頻信標(biāo)發(fā)射機(jī)，可對(duì)衛(wèi)星軌道高度區(qū)域的地球電磁場(chǎng)、等離子體、高能粒子等參量的背景變化和擾動(dòng)情況進(jìn)行探測(cè)，獲取衛(wèi)星軌道以下區(qū)域的電離層結(jié)構(gòu)及其變化情況[7-8].

此次張衡一號(hào)01 衛(wèi)星搭載的科學(xué)載荷PAP，是我國等離體子原位探測(cè)載荷技術(shù)首次應(yīng)用于電離層觀測(cè)，具有開創(chuàng)意義和良好的應(yīng)用前景. 其原位觀測(cè)的離子密度、離子溫度、離子漂移速度等參數(shù)，對(duì)于電離層-地震耦合過程、電離層環(huán)境變化等研究具有重要價(jià)值[9-10].

甚低頻(very low frequency, VLF)波也稱超長波，具有傳播距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，可以在地球-電離層波導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播[11]. 大量數(shù)值模擬和加熱試驗(yàn)表明，地基VLF 大功率電波信號(hào)能夠顯著影響電離層F 層等離子體狀態(tài)，經(jīng)過其上空的衛(wèi)星可以探測(cè)到這種異常狀態(tài)[12-13]. 本文通過張衡一號(hào)01 衛(wèi)星PAP 對(duì)地基NWC 站VLF 波發(fā)射源引發(fā)的電離層擾動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)和特征探究，為深入認(rèn)識(shí)地表活動(dòng)對(duì)電離層環(huán)境變化的影響提供觀測(cè)參考.

1 PAP

PAP 是張衡一號(hào)01 衛(wèi)星搭載的原位觀測(cè)電離層離子參數(shù)的科學(xué)載荷，硬件結(jié)構(gòu)主要由三個(gè)傳感器(阻滯勢(shì)分析器、離子漂移計(jì)、離子捕獲計(jì))和一塊導(dǎo)體擴(kuò)展板組成. 其中：阻滯勢(shì)分析器用于觀測(cè)離子密度、離子溫度、沿衛(wèi)星飛行方向的離子漂移速度；離子漂移計(jì)用于觀測(cè)垂直衛(wèi)星飛行方向的離子漂移速度；離子捕獲計(jì)用于觀測(cè)離子密度漲落情況；導(dǎo)體擴(kuò)展板主要用于增加導(dǎo)電面積，并保持傳感器入口處電場(chǎng)的均勻性. 各傳感器及導(dǎo)體擴(kuò)展板均安裝于衛(wèi)星平臺(tái)的迎風(fēng)面，且傳感器入口與衛(wèi)星表層蒙皮保持齊平，結(jié)構(gòu)與安裝位置如圖1、圖2 所示[9-10,14].

圖1 PAP 硬件組成結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Schematic diagram for composition of the PAP

圖2 PAP 在張衡一號(hào)01 衛(wèi)星平臺(tái)的安裝位置Fig. 2 Position of the PAP onboard ZH-1 (01) satellite

PAP 產(chǎn)出的觀測(cè)數(shù)據(jù)包括氫離子密度NH+、氦離子密度NHe+、氧離子密度NO+、離子溫度Ti、離子漂移速度(Vx、Vy、Vz)，以及離子密度漲落△Ni/Ni，其中+x為衛(wèi)星飛行方向，+z為衛(wèi)星朝地球方向. PAP 技術(shù)指標(biāo)如表1 所示[14-15].

表1 PAP 觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)一覽表Tab. 1 Main parameters of the PAP

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)

常規(guī)觀測(cè)狀態(tài)下，張衡一號(hào)01 衛(wèi)星PAP 在全球南北緯65°之間進(jìn)行觀測(cè)，5 d 可實(shí)現(xiàn)一次全球范圍覆蓋. 每1 s 獲得一組觀測(cè)數(shù)據(jù)，每天分別產(chǎn)出30.4 個(gè)日側(cè)(升軌)和夜側(cè)(降軌)軌道數(shù)據(jù)文件，每個(gè)升、降軌道觀測(cè)持續(xù)約37 min. 特殊觀測(cè)狀態(tài)下，可根據(jù)觀測(cè)需要，通過地面上注指令對(duì)觀測(cè)區(qū)域和數(shù)據(jù)產(chǎn)出率進(jìn)行調(diào)整[7-8,14].

張衡一號(hào)01 衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)由地面系統(tǒng)接收后，經(jīng)過幀同步、解擾、去重、拼接等處理，產(chǎn)出原始觀測(cè)數(shù)據(jù)[15]. PAP 的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制電流數(shù)據(jù)后，結(jié)合地面標(biāo)定參數(shù)按照轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)化為電壓數(shù)據(jù). 根據(jù)各個(gè)傳感器工作原理，經(jīng)過進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理產(chǎn)出按時(shí)間順序排列的物理量數(shù)據(jù)產(chǎn)品. 將對(duì)應(yīng)的星下點(diǎn)位置信息，經(jīng)過坐標(biāo)變換處理后進(jìn)行疊加，生成帶有時(shí)間和地理坐標(biāo)信息的物理量數(shù)據(jù)產(chǎn)品.

3 地基NWC 站VLF 電波引起的電離層擾動(dòng)

3.1 衛(wèi)星原位觀測(cè)的等離子體擾動(dòng)

由于導(dǎo)航、通信等方面的需求，各國建設(shè)了數(shù)量眾多的地基VLF 地面人工發(fā)射源，其中澳大利亞NWC(Northwest Cape，-21.816°N，114.166°E，發(fā)射中心頻率19.8 kHz)發(fā)射站是目前世界上功率最大的VLF 人工發(fā)射源之一，發(fā)射功率達(dá)到1 000 kW[12,16].

張衡一號(hào)01 衛(wèi)星軌道重訪周期為5 d，對(duì)經(jīng)過NWC 地面站上空的衛(wèi)星重訪軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，PAP 多個(gè)參量均同步記錄到了NWC 地面站引起的電離層加熱擾動(dòng)現(xiàn)象. 圖3 展示了2019 年2 月22 日第5 860_1 軌道以及2019 年3 月14 日第6 164_1 軌道的位置，上述軌道均為夜側(cè)軌道(由南向北飛行)，紅色五角星為NWC 發(fā)射站位置.

圖3 經(jīng)過NWC 發(fā)射站上空的第5 860_1 和6 164_1 軌道位置Fig. 3 The positions of the No. 5860_1 and No. 6164_1 orbits which had across the NWC transmitter

圖4 為第5 860_1 軌道記錄的離子參量情況，橫軸標(biāo)記了UTC 時(shí)間和地理經(jīng)緯度，藍(lán)色虛線表示NWC 發(fā)射站所處的緯度位置，縱軸為各種離子參量的觀測(cè)數(shù)值. 可以看出，NO+、Ti、Vx、Vy、Vz、△Ni/Ni在NWC 地面站以北約76 km 區(qū)域均同步出現(xiàn)強(qiáng)烈的相對(duì)擾動(dòng)現(xiàn)象. 其中：NO+和△Ni/Ni表現(xiàn)出明顯的升高現(xiàn)象；Ti、Vx、Vy和Vz發(fā)生劇烈的擾動(dòng)，并且Vz的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，由空對(duì)地方向反轉(zhuǎn)為地對(duì)空方向. 此次等離子體擾動(dòng)過程持續(xù)43 s，覆蓋范圍約為327 km.

圖4 PAP 第5 860_1 軌道記錄的NWC 地面站引起的電離層加熱擾動(dòng)Fig. 4 The ionospheric heating disturbances induced by NWC transmitter recorded by the No. 5 860_1 orbit of the PAP

圖5 為第6 164_1 軌道記錄的離子參量情況. 可以看出，NO+、Ti、Vx、Vz、△Ni/Ni在NWC 地面站以北約46 km 區(qū)域均同步出現(xiàn)強(qiáng)烈的相對(duì)擾動(dòng)現(xiàn)象. 其中：NO+和△Ni/Ni表現(xiàn)出明顯的升高現(xiàn)象；Ti、Vx和Vz發(fā)生劇烈擾動(dòng)，Vz的運(yùn)動(dòng)方向保持地對(duì)空方向，Vy呈現(xiàn)較微弱擾動(dòng). 此次等離子體擾動(dòng)過程持續(xù)56 s，覆蓋范圍約為426 km.

圖5 PAP 第6 164_1 軌道記錄的NWC 地面站引起的電離層加熱擾動(dòng)Fig. 5 The ionospheric heating disturbances induced by NWC transmitter recorded by the No. 6 164_1 orbit of the PAP

3.2 衛(wèi)星電場(chǎng)功率譜驗(yàn)證

通過對(duì)張衡一號(hào)01 衛(wèi)星第5 860_1 軌道和6 164_1軌道電場(chǎng)VLF 頻段z分量功率譜密度(power spectral density, PSD)數(shù)據(jù)求取自然對(duì)數(shù)，并繪制時(shí)頻圖，結(jié)果如圖6、圖7 所示. 橫軸標(biāo)記了UTC 時(shí)間及地理經(jīng)緯度，黑色虛線為NWC 發(fā)射站所處的緯度位置，縱軸表示觀測(cè)頻段范圍.

圖6 張衡一號(hào)01 衛(wèi)星第5 860_1 軌道記錄的NWC 地面站上空電場(chǎng)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

圖7 張衡一號(hào)01 衛(wèi)星第6 164_1 軌道記錄的NWC 地面站上空電場(chǎng)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 軌道電場(chǎng)PSD 值在NWC 站以北約70～400 km 顯著增強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間約為40 s. 第6 164_1軌道電場(chǎng)PSD 值在NWC 站以北約50～500 km 顯著增強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間約為60 s. 上述結(jié)果與圖4、圖5 中PAP觀測(cè)的離子參量擾動(dòng)范圍基本一致. 電場(chǎng)PSD 值顯著增強(qiáng)的頻段范圍(紅色區(qū)域) 約為19.5 kHz 至20.1 kHz，與NWC 人工源發(fā)射頻率19.8 kHz 基本一致，從而可以確定張衡一號(hào)01 衛(wèi)星第5 860_1 軌道和第6 164_1 軌道PAP 觀測(cè)的電離層等離子擾動(dòng)變化，是由NWC 站發(fā)射的VLF 電波引起的.

3.3 擾動(dòng)特征與傳播機(jī)理分析

地基VLF 人工源引起的電離層加熱傳播機(jī)制至今仍在研究中. 目前業(yè)內(nèi)學(xué)者普遍認(rèn)為，由于VLF 波具有傳播損耗小和傳播距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，可以在低電離層波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)長距離傳輸，并能夠產(chǎn)生空間波粒相互作用效應(yīng)[17-18].

Wait 于1968 年提出了適用于VLF 的地球-電離層波導(dǎo)傳播模型，電磁波在大氣中傳播時(shí)，除了正常的折射外，在一定條件下還會(huì)產(chǎn)生超折射現(xiàn)象，從而形成電離層波導(dǎo)傳播[19]. Galejs 于1972 年首次討論了地基VLF 電磁波對(duì)低電離層的加熱影響[20]，Juan等人于1994 年進(jìn)一步證實(shí)了VLF 發(fā)射源能夠經(jīng)常性地在夜間引起電離層D 區(qū)加熱現(xiàn)象[21]. 根據(jù)法國DEMETER 衛(wèi)星(軌道高度約700 km)的觀測(cè)結(jié)果，該衛(wèi)星在NWC 發(fā)射站上空以北區(qū)域觀測(cè)到了相似的等離子體密度及溫度的劇烈擾動(dòng)現(xiàn)象，并認(rèn)為該現(xiàn)象是由于NWC 站大功率VLF 波經(jīng)回旋共振與高能粒子沉降相互作用，引起電離層電子、離子加熱所導(dǎo)致[22]. Parrot 等人認(rèn)為這種等離子體波增強(qiáng)現(xiàn)象主要是因?yàn)閂LF 波能量衰減較小有關(guān)[23]. 還有學(xué)者提出靜電波與離子相互作用是地基VLF 波引起電離層加熱現(xiàn)象的可能原因之一[24-25].

地基大功率人工源產(chǎn)生的VLF 電磁波可以在地面和電離層底邊界之間的波導(dǎo)中來回反射，并沿著地球-電離層波導(dǎo)傳播到相距發(fā)射源位置很遠(yuǎn)的地方. 在穿越電離層D/E 區(qū)域時(shí)，VLF 電波的大部分能量由于電子和中性成分的強(qiáng)烈碰撞而被吸收消耗，但仍有相當(dāng)一部分能量可以穿過電離層D/E 區(qū)，繼續(xù)沿著哨聲導(dǎo)管向電離層F 層和磁層傳播. 由于較大能量的輸入，電離層相關(guān)區(qū)域等離子體的溫度發(fā)生顯著升高，同時(shí)引起等離子體劇烈運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致NO+、Ti以及漂移速度狀態(tài)發(fā)生顯著變化，并被經(jīng)過該區(qū)域的張衡一號(hào)01 衛(wèi)星科學(xué)載荷觀測(cè)到. 由于白天電離層等離子體密度梯度很強(qiáng)，而吸收區(qū)域很窄，因此這種地基VLF 波引起的電離層擾動(dòng)現(xiàn)象白天很少被觀測(cè)到，通常出現(xiàn)在夜側(cè)[22].

△Ni/Ni表示的是離子總密度后一秒與前一秒的變化漲落情況，而離子密度中NO+的比重最大，約占總體的90% 左右[26]，因此圖4、圖5 中NO+與△Ni/Ni的變化情況相近.

如圖4 所示，第5 860_1 軌道離子垂向漂移速度Vz的運(yùn)動(dòng)方向在擾動(dòng)區(qū)域發(fā)生了變化，由空對(duì)地運(yùn)動(dòng)方向反轉(zhuǎn)為地對(duì)空運(yùn)動(dòng)方向. 如圖5 所示，第6 164_1軌道離子縱向漂移速度Vx和垂向漂移Vz都表現(xiàn)出強(qiáng)烈的同步擾動(dòng)變化，并且Vz保持地對(duì)空運(yùn)動(dòng)方向，而Vy則沒有出現(xiàn)劇烈的擾動(dòng). 電離層加熱試驗(yàn)研究表明，當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過增強(qiáng)的等離子體密度區(qū)時(shí)，觀測(cè)離子運(yùn)動(dòng)方向會(huì)發(fā)生變化[13]. VLF 電波能量由地表向空間進(jìn)行傳播，引起電離層等離子體垂直向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在地球電磁場(chǎng)的作用下，E×B作用力引起等離子體在水平方向發(fā)生漂移[24-25]，進(jìn)而導(dǎo)致表征垂直地面方向離子漂移速度的Vz和南北方向離子漂移速度的Vx均發(fā)生顯著的突跳變化.

根據(jù)圖4、圖5 所示的在NWC 站以北區(qū)域離子密度、離子溫度、離子漂移速度在夜側(cè)軌道的觀測(cè)結(jié)果，以及圖6、圖7 展示的電場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果可知，地基大功率VLF 發(fā)射源在夜側(cè)對(duì)電離層500 km 高度的輻射影響范圍約為數(shù)百千米，而后恢復(fù)正常狀態(tài). 電離層擾動(dòng)位置并不是發(fā)生在NWC 站正上空，而是相對(duì)站址位置向北側(cè)偏離數(shù)十千米. 引起這種現(xiàn)象的原因是，地基VLF 發(fā)射源在電離層某一高度的輻射場(chǎng)呈同心圓形狀，由于電波能量沿哨聲管道傳播，輻射擾動(dòng)中心區(qū)域相對(duì)于發(fā)射源的位置通常向磁赤道方向發(fā)生偏移. 這種偏移變化與發(fā)射源所處的地理緯度以及發(fā)射頻率有關(guān)，緯度越低，位置偏移越高[22,24-25].

此外，該現(xiàn)象與地震引起的電離層擾動(dòng)現(xiàn)象有相似之處. 相關(guān)研究表明，地震電離層異常并不是發(fā)生在震中正上空，而是相對(duì)震中位置向磁赤道有一定偏移，大部分發(fā)生在幾度至15°左右(緯度)，部分異?？赡軙?huì)超出該范圍[27].

4 結(jié) 論

本文介紹了張衡一號(hào)01 衛(wèi)星原位探測(cè)科學(xué)載荷PAP 的主要參數(shù)和數(shù)據(jù)產(chǎn)出，對(duì)該載荷在約507 km軌道原位觀測(cè)的、由NWC 站大功率地面VLF 人工源輻射引起的電離層加熱擾動(dòng)現(xiàn)象及特征進(jìn)行了總結(jié)和分析. 具體結(jié)論如下：

1)兩個(gè)重訪軌道的氧離子密度、離子溫度、離子漂移速度等多個(gè)原位觀測(cè)量在夜側(cè)軌道均同步記錄到NWC 站上空以北約50～500 km 區(qū)域出現(xiàn)的電離層加熱擾動(dòng)現(xiàn)象，擾動(dòng)持續(xù)范圍約為300～400 km.

2)通過對(duì)相同軌道電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜計(jì)算可知，電場(chǎng)功率譜增強(qiáng)區(qū)域與等離子體擾動(dòng)區(qū)域基本相同，且該區(qū)域電場(chǎng)頻率與NWC 站發(fā)射頻率基本一致，從而可以確定此次衛(wèi)星觀測(cè)的等離子體擾動(dòng)變化由NWC 站發(fā)射的VLF 電波引起.

3)地基大功率VLF 電波能夠?qū)﹄婋x層等離子體環(huán)境產(chǎn)生明顯影響. 在電磁場(chǎng)波導(dǎo)傳播的作用下，地基VLF 電波引起的電離層擾動(dòng)區(qū)域相對(duì)于發(fā)射源位置向磁赤道方向發(fā)生偏移.

4)驗(yàn)證了張衡一號(hào)01 衛(wèi)星PAP 對(duì)地基大功率VLF 人工發(fā)射源引起的電離層等離子體擾動(dòng)，具有一定的探測(cè)分辨能力.

5)通過對(duì)已知的地基電波發(fā)射源引起的電離層等離子體擾動(dòng)開展研究，對(duì)于認(rèn)識(shí)電離層環(huán)境變化特征具有重要的參考意義，可為地震-電離層耦合過程等研究提供觀測(cè)參考.