什么是数字电离层(一)     DATE: 2020-01-03 17:06

导论
实际应用中,针对不同的电离层电波传播效应,对不同的电离层参量特性,需采用不同手段的观测或不同参量模式的预测预报,解决不同的应用需求。这种“各自为政”的方式不仅浪费资源,应用效果也较差。为此,本文提出了数字电离层概念,即综合利用中国已有及已经立项的空地多源立体探测体系,在电离层模式化研究的基础上,通过数据融合和数据同化,用数字化方式描述电离层状态参量过去、现在和未来的状况,高效统筹解决各类工程应用中对不同电离层参量的需求。介绍了数字电离层建设的必要性和国内外现状,重点说明了其主要内容和面临的技术瓶颈。

需求分析
地球高层大气中存在的中性原子和分子在吸收太阳紫外和极紫外辐射后,离化形成电离层,电离层白天的峰值电子数密度达1012/m3,足以影响无线电波的传播。电离层电子密度除了受光离化作用影响外,还会通过动力学和电动力过程与背景中性大气紧密耦合,同时受到高能沉降和焦耳加热等来自磁层的能量注入影响,以及潮汐等来自低层大气的波动作用,呈现出时空尺度复杂多变的特点。图1给出了多源数据同化后得到的一个固定时刻全球电离层电子密度的空间分布特点,图1(b)、(d)是对应的峰值电子密度和高度积分电子总含量地图,这2个参量在实际应用中需求最频繁。可见,全球电子密度呈现出显著的空间变化特征,包括经纬度变化、高度变化等。电离层同时还有此图没有呈现出来的时间变化特征如周日变化、季节变化、太阳活动周变化甚至更长尺度的长期趋势等。在地磁扰动期间,由于高纬能量注入的显著增加,全球电离层会呈现剧烈的扰动。同时,在高/低纬地区,尤其在夜间,会出现小尺度不均匀体,造成穿越其间电波信号的闪烁。
数字电离层
图1 同化得到的三维电子密度示例(a)(c)及对应的峰值电子密度地图(b)和电子密度总含量地图(d)

电离层中的大量自由电子会造成穿越其间的无线电波发生附加时间和相位延迟,同时也提供了通过电离层反射实现远距离通信的可能性,并对若干主要临近空间通信系统产生影响。

实际应用中,需要知道电子密度分布的某些信息才能消除这些影响,主要包括:
1)北斗等导航定位系统。当卫星导航信号穿过电离层时,其间存在的大量电子通过折射的方式直接造成测量信号高达百米的延迟,对单频用户而言,需要知道电波射线路径上电子密度总含量进行电离层延迟校正是提高定位精度的关键因素;同时电离层里存在的小尺度不均匀体通过散射的方式造成信号闪烁甚至失锁,影响了观测的精度和完好性。因此电离层是卫星导航定位系统不容忽视的重要误差源,并且其改正效果也直接影响着系统服务的可用性、精度及可靠性等核心性能指标。
2)短波通信。短波通信由于具有无中继、抗打击、远距离等特点,一直在缺乏有线网络设施的海洋地区、边疆地区具有极其重要的意义。并且,在重大灾害期间由于传统的基础设施可能受到破坏,短波通信通常是应急、救灾等重要的支撑手段。电离层环境及其变化,是制约短波通信效率和可靠性的重要瓶颈,实际应用中,需要知道通信区域峰高以下电子密度的分布,才能选择合适的通信频率、寻找最优的通信信道,进而提升短波通信效率、增加通信的可靠性。
3)天波超远程雷达。天波超远程雷达是基于电离层返回散射传播机理实现地平线下超远程目标监测的现代体制雷达,能够实现视线距离之外高达800~3500 km距离内、数百万km2范围低、中、高空目标的探测。天波返回散射传播方式严重依赖电离层电子密度的分布特性,首先,根据返回散射测量的回波特性进而确定目标的位置和运动速度,需要知道电波路径上精确的电子密度分布特性;其次,电子密度的不均匀性可以引起电波的折射效应、法拉第效应和衰减效应,从而影响了回波的质量,造成目标检测的精度降低。
4)SAR雷达成像观测。对于处于L波段或者更低频率的SAR雷达,电波传播路径上的电子密度会造成附加时间延迟,而成像区域电子密度时空梯度的存在则会造成成像的畸变,不均匀体则会造成信噪比下降进而影响成像精度。实际应用中,需要知道成像区域电子密度及其梯度的分布进行相应的效应补偿等。图2展示了电离层与这些通信系统的关系。表1则对这些具体应用中对电离层的需求及目前常用的方法进行了总结。
电离层模型
图2 电离层与各通信系统

表1 电离层在通信上常见应用的具体需求及目前常见解决方法
数字电离层模型
目前,以上的应用主要基于对应的电离层效应,对不同参量采用不同的观测手段、简化假设或经验模式的预测预报,解决实际应用需求,这种“各自为阵”的方式不仅浪费资源,应用效果也较差。

一般来说,直接观测的精度很高,但是时空覆盖不全,不能给出任何需求时刻和地点的电子密度分布,且观测本身不具备预报能力。

基于基本物理原理的理论模型可以给出全球尺度电离层的时空特征,也具备预报能力,但由于模式的不完备,模拟结果有时有相当大的偏差。数据同化系统则可以充分结合数据和理论模式各自的优势,生成既满足物理原理,又与观测接近的全球尺度电离层状态的现报和预报,即数字电离层。

除了以上实际应用需求驱动外,还有以下一些条件也促进了数字电离层建设。
1)观测的增多。经过几十年的发展,全球已经形成了比较完善的地基电离层探测网络,如测高仪台网、GNSS网络、气辉网络等,各个国家或地区出于科学或应用目的也建立了区域的密集观测网络等。另外,卫星探测也越来越多,包括无线电掩星、在轨密度/速度/温度/电磁场测量、遥感等手段,且呈现出星座化、微小型化等趋势。
2)模式的完善。经过近半世纪的发展,许多研究组或科研人员已经建立了多样化的电离层经验模式、理论模式等,且部分模式已经开源可以公开使用,如国际参考电离层(IRI)、美国大气研究中心的电离层热层电动力学耦合模式(TIEGCM)等。
3)数据同化方法的成熟。在大气和海洋领域,由于数值天气预报的应用需求,科学家们在数据同化方法上开展了广泛的研究,目前很多常用方法如变分法、(集合)Kalman滤波法、混合同化法等都比较成熟,可以直接借鉴。
4)计算机及网络技术的发展。计算能力的快速发展使得可以完成电离层模拟和数据同化时面临的大规模计算和存储问题,同时网络的快速发展使得数据获取和传输变得快捷。