孫鳳娟，柳文，李鐵成

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所，山東青島266107）

電離層對短波測向系統(tǒng)的影響分析

孫鳳娟，柳文，李鐵成

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所，山東青島266107）

目的研究電離層對短波測向系統(tǒng)的影響。方法從電離層傳播介質(zhì)入手，分析路徑偏離效應(yīng)和波干涉效應(yīng)的形成機(jī)理及其對短波測向的影響。結(jié)果電離層系統(tǒng)傾斜引起的測向誤差可借助電離層長期預(yù)測模型、短期預(yù)測算法或電離層實時探測數(shù)據(jù)對測向方位偏差進(jìn)行補(bǔ)償。行波擾動不可預(yù)測，只能依據(jù)行波擾動觀測結(jié)果進(jìn)行測向誤差校正。波干涉誤差可通過時間平滑進(jìn)行抑制。結(jié)論提升現(xiàn)有短波測向系統(tǒng)測向性能的根本途徑是為短波測向系統(tǒng)配備電離層探測設(shè)備，準(zhǔn)確獲取系統(tǒng)覆蓋區(qū)內(nèi)電離層狀態(tài)信息，并進(jìn)行傳播效應(yīng)補(bǔ)償。

電離層；短波測向；路徑偏離效應(yīng)；波干涉效應(yīng)；行波擾動；系統(tǒng)傾斜

短波測向系統(tǒng)借助電離層反射能夠?qū)崿F(xiàn)對遠(yuǎn)距離、大范圍內(nèi)短波輻射源的測向定位，是監(jiān)測遠(yuǎn)距離干擾源的重要手段。然而，電離層具有隨機(jī)時變、各向異性、色散、非均勻等復(fù)雜特性，是影響短波測向系統(tǒng)作戰(zhàn)性能的關(guān)鍵因素。大量試驗數(shù)據(jù)表明，中緯度地區(qū)，電離層傾斜和擾動會使測向誤差增大1°～4°，最大可達(dá)到7°以上，大尺度行波擾動發(fā)生時甚至可引起高達(dá)十幾度的測向誤差。因此，深入分析電離層對短波測向精度的影響，探討消減或補(bǔ)償其影響的措施對提升短波測向系統(tǒng)作戰(zhàn)性能具有明確的指導(dǎo)意義。文中從分析電離層結(jié)構(gòu)特點及其變化規(guī)律入手，研究了電離層路徑偏離效應(yīng)和波干涉效應(yīng)對短波測向的影響，并提出了應(yīng)對措施。

1 電離層的結(jié)構(gòu)特點及其變化規(guī)律

1.1 電離層的結(jié)構(gòu)特點

電離層是地球高層大氣被電離的部分[1]。它是由于太陽高能電磁輻射，宇宙射線和沉降粒子作用于地球高層大氣，使大氣分子發(fā)生電離，產(chǎn)生大量的自由電子、離子和中性分子，而構(gòu)成能量很低的準(zhǔn)中性等離子區(qū)域。該區(qū)域高度大約在60～1000 km。

電離層按電子濃度的高度變化可分為D層、E層和F層，F(xiàn)層白天又可分為F1層和F2層。電離層各層的物理和化學(xué)變化與太陽散射、粒子散射、磁層擾動、電磁場變化及高層大氣運動密切相關(guān)[2]，常規(guī)電離層的分層狀況和基本特點見表1。

表1 常規(guī)電離層分層狀況和基本特點

1.2 電離層的變化規(guī)律

由于大氣結(jié)構(gòu)和電離源的隨機(jī)變化，電離層是一種隨機(jī)的時空變化媒質(zhì)。電離層的分層狀況及各層的電子濃度、半厚度、高度等參數(shù)隨地理位置、季節(jié)以及太陽活動性而發(fā)生較大變化。這些變化可分為規(guī)則變化和隨機(jī)不規(guī)則變化[1]。

電離層的規(guī)則變化有：

1）日變化，日出之后，各電離層的電子濃度不斷增加，到正午稍后時分達(dá)最大值，之后逐漸減小。一日之內(nèi)，日出和日落時分電子濃度變化最快。

2）季節(jié)變化，由地球環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)引起。F1層多出現(xiàn)在夏季白天，F(xiàn)2層的高度夏季高冬季低，而電子濃度卻是冬季大夏季小，并且一年中春分和秋分兩次達(dá)到最大值。

3）黑子活動周期變化，與黑子活動正相關(guān)，呈現(xiàn)出11年周期變化。

4）緯度變化，由太陽照射角的不同引起，最大電子濃度隨緯度的增大大致減小，存在赤道異常和中緯度槽等現(xiàn)象。

電離層的不規(guī)則變化有：

1）Es層（突發(fā)E層），出現(xiàn)在E層高度上，是電子濃度很高的云狀物，能遮蔽上層回波，限制信號傳輸距離。

2）擴(kuò)展F層，發(fā)生在F區(qū)的突發(fā)不均勻結(jié)構(gòu)，能使回波發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)致接收回波發(fā)生嚴(yán)重衰落。

3）電離層行波擾動（TID），是F區(qū)一種類似波浪運動的大尺度不均勻結(jié)構(gòu)，它使電子濃度等值面作波狀運動，從而導(dǎo)致無線電波傳播軌跡發(fā)生變化。

4）突然電離層騷擾（SID），由太陽風(fēng)暴引起，使日照面電離層D層吸收增大，導(dǎo)致短波傳輸信道突然中斷。

5）電離層暴，由太陽風(fēng)暴引起，可使電子濃度降低，鏈路最高可用頻率下降。

2 電離層對短波測向的影響

短波測向誤差是由設(shè)備測量誤差和電離層電波傳播誤差兩部分因素引起的。然而，隨著新體制測向系統(tǒng)的出現(xiàn)和系統(tǒng)建設(shè)水平的不斷提升，系統(tǒng)測量誤差逐漸減小，電離層傳播效應(yīng)引起的誤差日漸突出。大量觀測數(shù)據(jù)顯示[3—7]，引起短波遠(yuǎn)距離測向誤差的主要電離層傳播效應(yīng)可歸納為路徑偏離效應(yīng)和波干涉效應(yīng)兩類。

2.1 路徑偏離效應(yīng)對短波測向影響

路徑偏離效應(yīng)通常由電離層傾斜引起，會使電波射線在傳輸過程中偏離原包含發(fā)射點至接收點的大圓平面，導(dǎo)致測得的示向度與目標(biāo)真實方位角之間存在偏差。路徑偏離效應(yīng)引起測向偏差如圖1所示。圖1中，A點發(fā)射信號偏離原大圓路徑■AOR到達(dá)測向站R，呈現(xiàn)出的示向指向B點所在的大圓平面■'BO R，引起Δφ的測向偏差。

圖1 電離層傾斜引起測向偏差

電離層傾斜由太陽規(guī)則變化引起的電離層系統(tǒng)傾斜和電離層隨機(jī)擾動兩種原因引起。

電離層系統(tǒng)傾斜主要發(fā)生在寂靜電離層狀態(tài)下的日出時段和日落時段，尤以日出時段更加明顯，引起的測向偏差在幾度量級。某南北向傳輸鏈路上觀測到的測向誤差隨太陽天頂角余弦的變化關(guān)系如圖2所示[8]?？梢钥闯?，負(fù)的測向誤差觀測于午夜至正午時段，表明電離層電子濃度等值線由西向東逐漸降低；正的測向誤差觀測于正午至午夜時段，此時電子濃度等值線由東向西往低處走；而在午夜或是正午時分，電離層系統(tǒng)傾斜引起的平均測向誤差幾乎為0。

圖2 電離層系統(tǒng)傾斜引起測向偏差

電離層系統(tǒng)傾斜最早由Ross等人[9]測量距測向站400 km處的短波發(fā)信源方位角時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時他們觀測到方位角偏離原大圓路徑10°～20°，意味著試驗期間存在非常大的等效電離層傾斜。除此之外，他們還將測量得到的偏角與電離層垂直探測獲得的等效反射高度進(jìn)行了定性比較，發(fā)現(xiàn)二者具有較好的一致性。之后，大量學(xué)者深入研究了電離層系統(tǒng)傾斜引起的測向偏差，并得出了很多有意義的結(jié)論。

1）測向偏差隨信號頻率偏離鏈路MUF（最大可用頻率）距離的增大而減小。

2）觀測到的方位偏差通常沿F1層或F2層傳播，E層信號經(jīng)電離層傳輸時一般沿原大圓路徑傳播[10]。

3）最大測向偏差發(fā)生在日出后1 h左右，而非日出時刻。

4）測向偏差與信號在電離層中的穿透深度有關(guān)，穿透深度越大，測向偏差越大。

盡管寂靜電離層條件下小尺度不均勻體也會引起路徑偏離效應(yīng)，但是電離層隨機(jī)擾動中行波擾動引起的電離層傾斜更普遍。電離層行波擾動引起的路徑偏離可使測量方位角出現(xiàn)周期性起伏，如圖3所示，周期為幾分鐘至幾十分鐘不等。一般大尺度行波擾動周期在30～60 min量級，而中尺度行波擾動在10～40 min量級。

行波擾動引起的時變路徑偏離效應(yīng)最早由Bramley等人[11]于1951年觀測1跳F模式信號到達(dá)角時發(fā)現(xiàn)，隨后很多學(xué)者對該現(xiàn)象進(jìn)行了研究。對中緯度地區(qū)來說，行波擾動引起的測向偏差約占總誤差的2/3，通常在1°～4°范圍內(nèi)，而當(dāng)大中尺度行波擾動發(fā)生時甚至能引起幾十度的測向偏差。不過，大尺度行波擾動只是時有發(fā)生，而中等尺度行波擾動卻一直存在。Hawlitschka采用超分辨高頻測向系統(tǒng)對中緯度地區(qū)行波擾動進(jìn)行了為期3年的觀測研究[12]。觀測結(jié)果表明，中緯度地區(qū)，白天發(fā)生的大尺度行波擾動多與磁暴（k＞2）有關(guān)，通常發(fā)生時間晚于磁暴時間約2 h，夜晚低地磁活動時也會發(fā)生大尺度行波擾動；中等尺度行波擾動存在于試驗的整個階段，與白天、夜晚以及地磁活動性無關(guān)。

圖3 實測行波擾動引起的測量方位角周期起伏

2.2 波干涉效應(yīng)對短波測向影響

電離層的分層結(jié)構(gòu)使穿越其中的電磁波以多個模式傳播，如不同反射層傳播模式，同一反射層的高、低角模式，地磁場導(dǎo)致的尋常波（O波）和非常波（X波）模式以及不同層之間的混合模式（如EF模式）等，如圖4所示。這樣一來，到達(dá)測向陣的信號由相互干涉的多個波束構(gòu)成，并且每個波束又由反射分量和圍繞其周圍的散射分量組成，最終導(dǎo)致被測信號的示向度在很大范圍內(nèi)快速游動，引起較大測向誤差。

圖4 電離層多模式傳播

對于中緯度、中等距離傳輸鏈路上單個傳播模式信號來講，圍繞在反射分量周圍的散射分量，其角譜能量分布較窄，可用單個射線近似。這種情況下，波干涉誤差主要來源于兩個或兩個以上傳播模式之間以及單個傳播模式中尋常波和非常波的相互作用。即使是在這種相對簡單的條件下，測量得到的方位角通常也有幾度的誤差，誤差的大小與取向時長和天線陣孔徑有關(guān)。

3 應(yīng)對電離層效應(yīng)的措施

上一節(jié)分析表明，電離層路徑偏離效應(yīng)和波干涉效應(yīng)引起測向誤差的機(jī)理不同，測向誤差的表現(xiàn)特征也不相同。因此，消減或補(bǔ)償這兩種效應(yīng)影響的措施也存在差異。

1）應(yīng)對電離層系統(tǒng)傾斜的措施。對于太陽規(guī)則變化引起的電離層系統(tǒng)傾斜誤差，由于電離層規(guī)則變化具有一定的可預(yù)測性，可借助電離層長期預(yù)測模型、短期預(yù)測算法或電離層實時探測數(shù)據(jù)，通過評估電離層等效傾斜引起的方位偏差進(jìn)行補(bǔ)償。許多學(xué)者研究分析了特定鏈路上不同時刻計算方位角與觀測方位角之間的關(guān)系，證明了系統(tǒng)傾斜誤差具有補(bǔ)償性[13—17]。如Rao采用三維射線追蹤技術(shù)，結(jié)合5個電離層垂測站實時探測結(jié)果，仿真計算了夜間Houston-Urbana鏈路1跳F層到達(dá)方位角[18—19]。通過將它與實測方位角進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)，二者吻合得非常好。

2）應(yīng)對行波擾動的措施。行波擾動可由不穩(wěn)定的等離子體或中性風(fēng)引起，它隨機(jī)產(chǎn)生和消失，基本不可預(yù)測。因此，很難通過預(yù)測方法對行波擾動引起的路徑偏差效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，只能依據(jù)行波擾動觀測結(jié)果進(jìn)行測向誤差校正。行波擾動引起測向誤差的校正方法通常由下列三種[20]：采用多普勒探測網(wǎng)確定行波擾動的存在，并計算其傳輸方向、速度等參數(shù)，最后通過確定電離層傾斜角的方式計算測向偏角并進(jìn)行補(bǔ)償；對斜向傳輸鏈路的多普勒頻移進(jìn)行測量，利用多普勒頻移與方位偏角之間的相關(guān)性進(jìn)行測向誤差校正；利用電離層垂直探測網(wǎng)確定行波擾動的存在，計算相關(guān)尺寸參數(shù)并進(jìn)行建模，然后利用射線追蹤技術(shù)確定方位偏差并進(jìn)行補(bǔ)償。

3）應(yīng)對波干涉誤差的措施。在時間允許的情況下，波干涉誤差通?？刹捎脤B續(xù)多組快速測向結(jié)果進(jìn)行時間平滑的方式進(jìn)行抑制。觀測數(shù)據(jù)表明[21—22]，中緯度地區(qū)中等距離傳輸鏈路上干涉誤差的典型均方根誤差為2°，而經(jīng)過2.5 min的時間平滑后，該誤差的典型值可降為原來的1/3。對于猝發(fā)等短時信號而言，由于缺乏足夠的取向時間，可采用空域平滑技術(shù)進(jìn)行誤差抑制。所謂空域平滑技術(shù)是指采用大孔徑、具有銳方向特性的測向系統(tǒng)進(jìn)行角譜測量。此方法要求角度測量期間信號角譜包絡(luò)維持不變，并且為了精確重構(gòu)該角譜包絡(luò)，角度采樣間距應(yīng)該足夠小，致使空域平滑技術(shù)的實際使用性能受到約束。

4 結(jié)語

短波測向系統(tǒng)為典型的環(huán)境依賴性系統(tǒng)，其測向性能受電離層電波傳播效應(yīng)影響較大。文中通過歸納分析主要電波傳播效應(yīng)――路徑偏離效應(yīng)和波干涉效應(yīng)對短波測向的影響，探究消減或補(bǔ)償這些效應(yīng)影響的基本方法，得出了以下結(jié)論：為短波測向系統(tǒng)配備電離層探測設(shè)備，準(zhǔn)確獲取系統(tǒng)覆蓋區(qū)內(nèi)電離層狀態(tài)信息，并進(jìn)行傳播效應(yīng)補(bǔ)償是提升現(xiàn)有短波測向系統(tǒng)測向性能的根本途徑。

[1]焦培南,張忠治.雷達(dá)環(huán)境與電波傳播特性[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[2]戴耀森.短波數(shù)字通信自適應(yīng)選頻技術(shù)[M].杭州:浙江科學(xué)技術(shù)出版社,1990.

[3]GETHING P J D.High-frequency Direction Finding[J]. Proceedings of the IEEE,1966,113:49—56.

[4]HAWLITSCHKA S.Travelling Ionospheric Disturbances (TIDS)and Tides Observed by a Super-resolution HF Direction Finding System[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics,2006,68:568—577.

[5]BAILEYA D.An Investigation of the Direction of Arrival of Radio Waves[D].Illinois:University of Illinois,1954.

[6]Bramley E.N.Some Comparative Directional Measurements on Short Radio Waves over Different Transmission Paths[J].Proceedings of the IEEE,1955, 102B:544—549.

[7]BRAMLEY E N.Directional Observations on HF Transmissions over 2100 km[J].Proceedings of the IEEE, 1956,103B:295—299.

[8]MORGAN A D.A Qualitative Examination of the Effect of Systematic Tilts in The ionosphere on HF Bearing Measurements[J].Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics,1974,36:1675—1682.

[9]ROSS W,BRAMLEY E N.Lateral Deviation of Radio Waves at Sunrise[J].Nature,1947,159:132—136.

[10]BAULCH R N E,BUTCHER E C.Direction of Arrival of Radio Waves Reflected from the E-region[J].Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics,1979,40:1235—1243.

[11]BRAMLEY E N,ROSS W.Measurements of the Direction of Arrival of Short Radio Waves Reflected at the Ionosphere[J].Proceedings of the Royal Society of London,1951,207A:251—262.

[12]HAWLITSCHKA S.Travelling Ionospheric Disturbances (TIDS)and Tides Observed by a Super-resolution HF Direction Finding System[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics,2006,68:568—577.

[13]趙志安.電離層大尺度傾斜對電波傳播的影響[J].電波科學(xué)學(xué)報,1986(2):44—45.

[14]STEIN S.The Role of Ionospheric Layer Tilts in Longrange High-frequency Radio Propagation[J].Journal of Geophysical Research,1958,63:217—241.

[15]TITHERIDEG J E.Variations in the Direction of Arrival of High-frequency Radio Waves[J].Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics,1958,13(1): 17—25.

[16]WHALE H A,DELVES L M.Some Relations between the Bearing and Amplitude of a Fading Radio Wave[J]. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics,1958,13 (1/2):72—85.

[17]RAO N N.Ray-tracing Investigation of Direction of Arrival Observations of HF Radio Waves[J].Radio Science,2016,3(8):796—802.

[18]RAO N N.Bearing Deviation in HF Transionospheric Propagation 1:Exact Computations for Some Ionosphreric Models with no Magnetic Field[J].Radio Science, 1968,3(12):1113—1118.

[19]RAO N N.Bearing Deviation in HF Transionospheric Propagation 3:Ray Tracing Investigation of the Magnetoionic Effect[J].Radio Science,1969,4(2):153—161.

[20]JONES T B,REYNOLDS J S B.Ionospheric Perturbations and Their Effect on the Accuracy of h.f. Ditection Finders[J].The Radio and Electronic Engineer, 1975,45:63—75.

[21]BAIN W C.Calculation of Wave Interference Errors on a Direction-finder Employing Cyclical Differential Measurements of Phase[J].Proceedings of the IEEE, 2010,100(67):253—261.

[22]BECKWITH R I.An Investigation of Directional Propagation Effects in High-frequency Radio Source Location[D].Illinois:University of Illinois,1972.

Effects of Ionosphere on High-frequency Direction Finding Systems

SUN Feng-juan,LIU Wen,LI Tie-cheng
(CETC No.22 Research Institute,Qingdao 266107,China)

ObjectiveTo study effects of ionosphere on high-frequency direction finding systems.MethodsThe basic characteristics of ionosphere were firstly introduced,the formation mechanism of path deviation effect,wave-interference effect and its influences on HF direction finding were analyzed.ResultsWith the ionospheric long-term prediction model, short-term prediction algorithm or ionospheric real-time sounding data,the error caused by ionospheric system tilt could be compensated.Traveling wave disturbances could not be predicted and the error caused by traveling wave disturbances could only be corrected based on the observed results of traveling wave disturbance.Time smoothing could suppress the wave interference error.ConclusionThe basic way to improve the performance of HF direction finding system is to provide the ionospheric sounding equipment,to obtain the information of the ionospheric state in the coverage area and to carry out the compensation of the propagation effect.

ionosphere;hf direction finding;path deviation effect;wave-interference effect;traveling wave disturbance(TID);systemic tilt

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.009

TJ06；TN011

A

1672-9242(2017)07-0045-05

2017-03-20；

2017-05-08

國家自然科學(xué)基金（61331012）

孫鳳娟（1981—），女，山東沂南人，博士，高級工程師，主要研究方向電離層傳播特性及其對短波系統(tǒng)性能影響。