基于化學物質釋放的電離層閃爍抑制方法研究*

趙海生 許正文 徐朝輝 薛昆 鄭延帥 謝守志 馮杰 吳健

(中國電波傳播研究所,電波環境特性及模化技術重點實驗室,青島 266107)

1 引 言

隨著人類的信息技術不斷發展,高技術信息系統性能發揮受空間環境的影響和制約越來越大.近地空間電離層等離子體環境,具有時空變化和多種尺度的電子密度不均勻結構,會對穿越其中的無線電波產生顯著影響,從而直接影響和制約無線電信息系統[1,2].當電波穿越電離層時,電離層電子密度不均勻體會引起電波的聚焦和散焦效應,從而導致無線電波信號的幅度、相位、到達角、極化狀態等發生快速隨機抖動,這就是電離層閃爍.電離層閃爍可以對幾十MHz到10 GHz無線電頻段的電子信息系統產生影響,導致星地鏈路信號幅度、相位的隨機起伏,降低了衛星通信、衛星導航和天地基雷達目標監測等系統的性能.嚴重空間天氣事件期間,高緯和低緯度地區發生的嚴重電離層閃爍,甚至會導致衛星通信系統通信中斷,導致衛星導航系統接收機失鎖,導致天地基雷達系統測距誤差甚至無法成像.

所有的電子信息系統都是在特定的空間環境下運行的.空間環境的變化直接影響信息化系統的電波傳播,對各類電子信息系統性能產生不同的影響.隨著信息技術的發展,電子信息系統精度和靈敏度越來越高,受空間環境的影響和制約也越來越顯著.惡劣的空間環境將極大地影響電子信息系統的使用效能,電離層閃爍將對電子信息系統產生最為嚴重的影響[3-5],圖1是電離層閃爍對衛星導航和衛星通信系統影響的示意圖.

以美國為首的發達國家很重視電離層閃爍對衛星通信系統影響的研究,建立了完善的電離層閃爍監測系統,有序推進了用于支撐通信衛星的地面電離層閃爍監測網系統,以及用于通信/導航中斷預報的C/NOFS衛星系統(communication/navigation outage forecasting system).基于此,開展了對電離層閃爍產生機理、閃爍地區形態的統計規律、閃爍對通信系統的影響效應及減緩技術等各方面的研究分析工作,并且實現了電離層閃爍對各頻段信息鏈路系統影響效應的現報和預報業務化服務.除了上述電離層閃爍監測手段外,美國等國也通過人工干預的手段,開展了人工影響電離層閃爍的主動空間試驗.研究電離層閃爍機理、不穩定性觸發等,進一步對閃爍形成的機理進行了深化研究[6,7].

圖1 電離層閃爍對衛星導航和通信的影響示意圖Fig.1.The schematic diagram of the influence of ionospheric scintillation on satellite navigation and communication.

1982年9月,美國和巴西合作利用火箭開展物質釋放實驗,試圖激發不規則體和擴展F,人工觸發電離層閃爍效應.開展了BIME系列試驗(Brazilian Ionospheric Modification Experiment)[8,9],向電離層中釋放中性氣體,試驗地點位于巴西東部納塔耳(Natal)海岸附近.試驗中都觀測到強振幅閃爍及擴展F等現象,這是首次通過主動的空間試驗人工觸發赤道F2層底部的電子密度擾動.與此同時還在巴西海岸進行了“彩色泡計劃”(Colored Bubbles),該計劃通過釋放易電離的堿土金屬,在電離層局域產生電子密度的增強區.

1990年,美國國家航空航天局(National Aeronsautics and Space Administration,NASA)在馬歇爾群島的Kwajalein(9.28°N,167.73°E),實施了兩次空間釋放試驗[10,11],通過火箭向電離層釋放六氟化硫(SF6),試圖觸發赤道底部的等離子體復合,人工影響電離層閃爍,兩次試驗都在人工擾動區域觀測到了小尺度不規則體.

2013年,美空軍實驗室牽頭,開展了金屬氧化物空間云計劃(The Metal Oxide Space Cloud Experiment,MOSC)[12-17],研究電離層閃爍控制和遠距離通信能力增強技術.隨后2015年2月在白沙基地再次進行了人工電離層控制試驗.MOSC試驗通過向電離層特定區域釋放電子密度增強類化學物質釤(Sm)改變了電離層等離子體局部電場分布及電子密度分布,調控電離層動力學行為,降低電離層等離子體不穩定性增長率,進而抑制引起電離層閃爍的不規則體的產生,圖2[13]為MOSC-2試驗觀測到得電離層閃爍抑制效果.從實驗效果看,在試驗當晚的電離層電子密度不規則體的強度明顯弱于第二天夜晚同一時段,但是不規則體強度減弱是否是由于釋放試驗引起的,還需要開展更多的理論和試驗研究,對這一試驗現象進一步確認.

我國在電離層閃爍監測預報研究方面,早在20世紀80年代,中國電子科技集團公司第二十二研究所曾利用ETS-II衛星甚高頻(VHF)信號對我國低緯電離層閃爍開展了相關研究；90年代曾用C波段4 GHz衛星信號,對電離層閃爍開展了觀測研究.研制了GPS閃爍接收機,在低緯海口、廣州、蘭州、重慶等站和高緯南極長城站、中山站進行了閃爍觀測,使國內處于低谷的電離層閃爍觀測研究得以重新開展,并快速發展.2006年以來,又在北極建立了5個電離層閃爍觀測站,構成短基線測量.目前,我國已經建立了電離層閃爍監測與預報網,能對外提供電離層閃爍及其影響程度的分布地圖,為各部門提供了必要的電離層天氣保障.

圖2 (a)MOSC-2試驗期間夜晚電離層電子密度分布圖；(b)試驗后第二天夜晚電子密度分布圖Fig.2.(a)Electron density distribution at night during the experiment；(b)electron density distribution at next night of the experiment.

在電離層化學物質釋放研究方面,中國科學院空間科學與應用技術研究中心黃文耿等[18]研究了電離層水(H2O)和SF6釋放條件下,釋放物在電離層中的擴散過程和化學反應過程；數值模擬了不同種類中性氣體釋放,產生的人工氣輝輻射增強的幅度和持續時間[19].武漢大學胡耀垓等研究了不同高度、不同釋放質量條件下,H2O和SF6產生的電離層擾動效應[20],進而用射線追蹤方法研究了化學物質釋放產生的電離層擾動區對不同頻率的短波信號傳播過程的影響[21,22]；研究了電子密度增強類釋放物鋇(Ba)在電離層中的動力學過程,分析了Ba原子的氧化和電離損耗機制,探討了Ba云釋放早期的演化基本特征、Ba云形態、亮度以及電子密度分布等問題[23].解放軍理工大學汪四成等研究了SF6和H2O兩種釋放物的物理化學性質,建立了化學物質釋放二維動力學模型,模擬了兩種釋放物的電離層擾動特性[24]；開展了化學物質釋放激發中低緯電離層擴展F的數值模擬研究,建立了人工激發中低緯擴展F的物理模型,討論了H2O釋放條件下,激發電離層瑞利-泰勒不穩定性的可能性[25]；開展了電離層H2釋放的數值模擬研究,分析了不同釋放條件下的電離層擾動特性[26].中國電子科技集團公司第二十二研究所開展了電離層中性氣體釋放、電子密度增強類物質Sm釋放的機理和效應仿真研究[27-30].中國科學技術大學劉宇等[31,32]利用地面等離子體模擬裝置,在裝置中釋放SF6氣體,探測到了電子密度渦狀相干結構,首次在地面模擬實驗中觀測到了化學物質釋放產生的等離子體不穩定結構.

自從1946年觀測到天鵝座64 MHz射電信號時發現其輻射強度的電離層閃爍以來,人們利用衛星信標對電離層閃爍開展了大量的觀測研究,并基于電離層物理及傳播機制和大量事件數據,建立了預報模型.但是,模型只能提供系統規劃設計參考,預警和規避,屬于電離層閃爍的消極、被動應對策略.面對嚴重空間天氣事件期間缺乏電離層閃爍的積極、主動應對手段,本文開展了通過在電離層中釋放化學物質的人為干預方式,短暫地影響電離層等離子體的組分、結構和物理過程,從而影響電離層閃爍的研究.

2 電離層化學物質釋放理論

2.1 釋放物擴散

化學物質釋放的初始階段,在壓力作用下,釋放物像鏟雪機一樣將周圍的等離子體推開,這一過程以超聲速進行,經歷的時間很短,一般只有幾秒.然后壓力差驟減,當其與背景壓力可以相比擬時,釋放物和周圍等離子體充分混合,從而向空間擴散,這一過程歷經時間較長,離子化學反應也主要發生在這一階段.

擴散方程表達式為

其中,ni(x,y,z,t)為釋放物數密度,且滿足ni(x,y,z,0)=N0δ(x,y,z),N0為釋放分子總量.

將開始釋放時的釋放物看作一個點源,在背景電離層和熱層平面分層的假設下,釋放物的擴散過程可以用下式近似[27]：

其中,ni(r,z,t)為釋放物質密度,它是時間t和空間的函數(r和z分別為離點源徑向距離和電離層高度)；z0為釋放點的高度；N0為釋放的總分子數；D0為擴散系數；Hα=kT/mag為大氣標高；Hi=kT/mig為釋放氣體標高,其中,k為波爾茲曼常數,T為中性氣體溫度,ma,mi分別為大氣平均分子量和釋放氣體的分子量,g為重力加速度；αt為化學反應引起的損失項.

2.2 釋放物與電離層的化學反應

釋放物包括電子密度耗空類釋放物和電子密度增強類釋放物,釋放物與電離層的化學反應過程極為復雜,在此不做詳細解釋和說明,僅給出本文采用的電子密度增強類釋放物釤(Sm)與電離層的化學反應方程式[27]：

其中,ΔE是 SmO 的離解反應能量減去電離能量,k1化學反應系數.這一化學反應過程為夜間在電離層高度通過化學物質釋放產生等離子體云提供了可能,打破了對電子密度增強類化學物質釋放試驗的光照條件限制.

如果Sm蒸氣在陽光中釋放,除了與O的化學反應之外,還將發生光致電離過程.光致電離方程如下：

2.3 等離子體擴散

電離層化學物質釋放區域電子密度的改變,破壞了原有的帶電粒子的密度分布結構和動態平衡.根據等離子體擴散理論,假設等離子體只能沿磁力線運動,可得到等離子體的輸運方程如下[27]：

其中,np是離子或電子密度；P和L分別代表帶電粒子的產生率和復合率,是 O+與其他粒子反應和光解反應的損失率,釋放中性氣體由M種中性分子組成,ni為第i種中性氣體與 O+的化學反應速率；Tp=(Te+Ti)/2 是等離子體溫度；Hp是等離子體標高,Hp=2Tpk/(mpg)；I是磁傾角；D是有效雙極擴散系數,D=(1+Te/Ti)Di,Di是離子擴散系數；vD為外加漂移速度(風速).

等離子體在電離層中的運動,除受到地磁場洛倫茲力的影響外,還受電場力、等離子體密度梯度力和碰撞等影響,因此假設等離子體只能沿磁力線運動,給計算結果帶來了誤差.在碰撞和電場力作用下,等離子體可能出現跨越磁力線的運動,致使等離子體云密度分布的仿真結果產生一定的失真.由于在電離層F層高度,磁場力遠大于碰撞力和電場力,因此誤差在可接受范圍內.

3 電離層閃爍抑制仿真

電離層閃爍的理論研究結果表明,位于電離層F層底部附近的等離子體泡,在瑞利-泰勒不穩定性作用下上升破碎,形成大量多尺度電子密度不規則體,電波信號穿越電子密度不規則體時,波前發生了不同的相位改變,最終在接收端產生了信號衰落,發生了閃爍現象.在電離層閃爍發生前的醞釀生成期,通過向電離層閃爍“種子因素”的等離子體泡內釋放電子密度增強類化學物質,填充等離子體泡,改變等離子體環境特性,調控電離層動力學過程,能夠降低電離層等離子體不穩定性增長率,進而抑制閃爍的發生.本節模擬了在等離子體泡中釋放電子密度增強類化學物質Sm對等離子體泡填充過程,并研究了電離層不穩定性增長率隨時間的演化過程.

3.1 仿真模型建立

在電離層F層底部增加電子密度耗空類擾動結構,模擬生成了電離層等離子體泡,采用的擾動函數下：

其中,np是離子或電子密度,(x0,y0,z0)為擾動點位置,a為擾動形狀調節因子,b為擾動范圍調節因子.

根據釋放物在電離層等離子體泡中的物理化學過程,建立了電離層閃爍抑制物理模型,模型算法設計流程如圖3所示.

仿真模型設計流程按照以下5個步驟進行.

步驟1 電離層等離子體泡生成.采用國際參考電離層模型IRI2012生成背景電離層,采用擾動函數在背景電離層上生成橢球狀電子密度空洞,模擬電離層等離子體泡.

步驟2 根據電離層等離子體泡的尺度、高度和耗空深度等擾動參數,設置試驗參數,包括試驗參數包括釋放物種類、釋放量、釋放高度等.

圖3 電離層閃爍抑制仿真模型設計流程圖Fig.3.The design flow chart of ionospheric scintillation suppression simulation model.

步驟3 采用微元疊加法,求解釋放物流場分布及時空演化過程,獲得釋放物密度分布.

步驟4 依據釋放物與電離層等離子的化學反應和等離子體擴散過程,計算獲得電子密度分布,并計算等離子體不穩定性增長率,評估抑制效果.

步驟5 化學反應剩余釋放物繼續擴散,重復執行步驟3—4,計算下一時刻的等離子體密度分布,達到設定計算時長后結束計算,得到等離子體泡填充演化過程.

3.2 數值模擬

根據建立的電離層閃爍抑制物理模型,模擬了在位于250 km高度的等離子體泡中釋放5.6 kg Sm蒸氣,釋放后0 s,10 s,50 s,100 s,200 s,400 s,600 s,900 s,1200 s電離層等離子體泡的填充過程,以及電離層等離子體不穩定性增長率的演化過程,仿真參數如表1所列.

圖4描述了在電離層250 km高度,釋放5.6 kgSm蒸氣后,釋放點電子密度剖面隨高度的演化過程.

表1 仿真參數Table 1.Parameters for the simulation.

從圖4可以看出,釋放之前,在250 km高度存在一個尺度約20 km的電離層耗空區,最大耗空深度為100%,Sm蒸氣釋放之后快速形成了等離子體云,釋放后10 s等離子體云最大電子密度達2.7×106/cm—3,釋放后100 s等離子體云的密度約1.7×106/cm—3,釋放后1200 s等離子體云密度與背景電子密度相當,電離層耗空區在垂直方向上基本填充完全.

圖4 在250 km高度釋放5.6 kg Sm蒸氣,電子密度隨時間的演化Fig.4.Electron density evolution after releasing 5.6 kg Sm at 250 km altitude.

圖5模擬了在位于250 km高度的等離子體泡中釋放5.6 kg Sm蒸氣,產生的等離子體云對等離子體泡的二維填充過程.

圖5 在250 km高度釋放5.6 kg Sm蒸氣的電離層閃爍抑制效果Fig.5.The scintillation suppression effect of releasing 5.6 kg Sm at 250 km altitude.

從圖5可以看出,釋放前250 km高度存在一垂向尺度約20 km,水平尺度約50 km的電離層耗空區,Sm蒸氣釋放后形成的等離子體云,快速填充耗空區,釋放后10 s等離子體云尺度約10 km,電子密度遠高于背景等離子體；釋放后50 s等離子體云尺度快速擴大至30 km,同時等離子體密度逐漸降低；釋放后100 s等離子基本上完成對耗空區的填充,等離子體云密度高于背景等離子體；釋放后1200 s等離子云完全填充耗空區,等離子體云密度與背景等離子體密度相當,等離子體泡消失.閃爍抑制效果的持續時間在1200 s以上,閃爍抑制效果的空間尺度與等離子體泡的尺度、密度梯度以及釋放量等參數有關,等離子體泡尺度越大、耗空越深,需要的釋放量越大,閃爍抑制效果范圍越大,同時閃爍抑制的代價越高.

圖6模擬了在位于250 km高度的等離子體泡中釋放5.6 kg Sm蒸氣后,電離層不穩定性增長率隨時間的演化過程.電離層等離子體不穩定性理論以及不穩定性增長率的計算方法如下：

其中,g為重力加速度,νin為碰撞頻率,np為中性大氣密度,q為垂直于磁場向上的方向函數.關于等離子不穩定的詳細理論和方法請參考相關文獻[33,34].

從圖6可以看出,電離層不穩定性增長率最大值從釋放前的0.2下降到釋放后1200 s的約0.0004,不穩定性增長率下降98%,閃爍抑制效應明顯,并且在填充后的20 min內沒有再次激發明顯的不穩定現象.對不穩定性增長率的模擬結果表明：在等離子體泡中釋放電子密度增強類化學物質,能夠對電離層閃爍觸發的“種子”因素等離子體泡進行有效填充,同時也降低了背景電離層不穩定性增長率,并在短時間內沒有觸發新的不穩定性現象.

4 結 論

本文開展了基于化學物質釋放的電離層閃爍抑制理論及方法研究,建立了基于電子密度增強類化學物質釋放的電離層閃爍抑制物理模型,仿真了等離子體泡的填充過程及電離層等離子體不穩定性增長率的演化過程.仿真結果表明,在電離層閃爍觸發的“種子”因素等離子體泡內釋放電子密度增強類化學物質,能夠有效填充電子密度空洞,從而有效降低電離層等離子體不穩定性增長率,達到抑制電離層閃爍發生的目的.

圖6 在250 km高度釋放5.6 kg Sm蒸氣,不穩定性增長率隨時間的變化Fig.6.The evolution of instability growth rate after releasing 5.6 kg Sm at 250 km altitude.

但是需要指出的是,本文僅考慮了電子密度梯度對等離子體不穩定性增長率的影響,其他控制因素如電場、等離子體溫度、風場等閃爍控制因素尚未考慮,需要進一步考慮等離子體泡填充前后其他閃爍控制因素的改變對不穩定性增長率的影響.另外,與當地不穩定性增長率相比較,通量積分不穩定性增長率在閃爍抑制效果評估上更具有代表性,需要進一步考慮等離子體泡填充前后通量積分不穩定性增長率的變化.

我國廣東、海南及南海地區,均處在磁赤道異常區的峰值區域,其閃爍出現率和嚴重程度較磁赤道和極區更為顯著,是全球范圍內電離層閃爍出現最頻繁、影響最嚴重的地區之一.低緯南海地區的電離層強閃爍,嚴重影響衛星鏈路的傳播過程,導致衛星通信質量下降甚至中斷,導致北斗、GPS等導航衛星接收機失鎖,導航定位誤差增大,甚至失效,需要針對電離層強閃爍效應,研究支撐發展具有特色的電波環境保障技術.

通過開展電離層閃爍抑制、減緩研究,對于解決我國南海地區由于電離層閃爍引起的各類電子信息系統的工作性能故障,具有至關重要的經濟效益.如在救援等特殊情況下,可通過人工影響電離層閃爍系統有效解決南海地區衛星導航失鎖和衛星通信中斷問題,具有很重要的應用價值.電離層閃爍能夠對多種航天系統的性能產生影響,研究電離層等離子體中涉及的物理和化學過程,為電離層閃爍模型的研究和電離層閃爍預報研究提供一定的數據支撐,從而為天基/地基電子信息系統運行和應用提供服務保障.