Typical event observation of the tri-band beacon onboard the CSES (ZH-1) satellite
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摘要: “张衡一号（简称ZH-1）”卫星搭载的三频信标机（tri-band beacon，TBB）载荷，能够对站链上空的电离层进行高精度测量. 为检验TBB载荷在电离层监测中的应用效果，本文利用2018—2019我国中低纬地区TBB观测数据，采用求均值及多项式拟合的方法对各月份F2层峰值电子密度(NmF2)数据进行处理，分析NmF2的半年变化特征；将2018-08-26磁暴当天与宁静日的电子密度作差值，分析电子密度对磁暴事件的响应特征. 结果表明：TBB观测数据能够有效监测电离层变化，正确反映站链上空电离层变化规律；在磁暴事件中，观测到了电子密度的变化过程，其准确地反映了正暴相的特征，证明在重要天气事件中，这一手段能够获得较为准确的观测数据.Abstract: Tri-band beacon (TBB) transmitter has been carried on the China Seismo-Electromagnetic Satellite (CSES), based on the ground-based receiving system, it can be used to provide a quick ionospheric tomography. The main purpose of this work is to check the application effect of the TBB payloads. The study shows that during 2018−2019, the semiannual variations of ionospheric F2-layer can be observed clearly in NmF2 data, and we also detected the ionosphere perturbations induced by the geomagnetic storm occurred on August 26, 2018, which has been proved to be a positive storm event using electron density data. All these results indicate that TBB observation can provide accurate observation data of the ionosphere and be used effectively to monitor the ionospheric changes during the space weather events.
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Keywords:
- CSES /
- tri-band beacon (TBB) /
- electron density /
- ionospheric observations /
- geomagnetic storm
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引 言
电离层是地球大气层的一个重要组成部分[1]，同时也是地球近地空间环境的一部分，与人类生产、生活密切相关. 电离层除了能够抵挡来自太阳的辐射和宇宙高能粒子的直接作用，保护地球上的生物外，还对穿越其中的无线电波有着折射、散射和吸收的效应，影响着人类的通信、导航. 电离层总电子含量（total electron content, TEC）是电离层理论研究和电波传播研究中的一个重要参量[2]，太阳活动、磁暴以及地震活动等事件都会对其产生不同程度的扰动. 这些扰动能够通过三频信标（tri-band beacon，TBB）接收机、GNSS掩星接收机以及GPS双频接收机等多种手段进行探测.
已有研究结果表明电离层TEC具有非常明显的周年和半年变化特征，如余涛等[2]利用国际GNSS服务（International GNSS Service，IGS)提供的全球TEC数据，对白天电离层TEC的周年和半年变化特征进行了研究，认为电离层TEC周年变化幅度在南北半球中高纬度地区较大、赤道和低纬地区很小，且全球大部分地区的TEC在春秋月份出现最大值. 此外，在磁暴等空间天气事件中，TEC通常也有着较为明显的响应. 张东和等[3]利用GPS观测数据分析了2000-04磁暴期间的电离层状态，给出了磁暴在观测区域内的时空演化趋势；在2018-08-25的磁暴事件中，一些研究者[4-6]也发现电离层电子密度等参量具有同步的变化，TEC和NmF2都有着明显的升高现象.
电子密度的空间分布也是开展电离层理论研究和电波传播研究中的一个重要参量. 为了获得电子密度的空间分布，自1986年开始，就不断有学者探索利用电离层层析成像(computerized ionospheric tomography, CIT）技术反演电离层电子密度分布[7-9]. 传统双频信标的探测技术，存在TEC测量不够精确、视角有限等问题，不足以观测电离层的小尺度扰动[10]. TBB技术的出现，一定程度上弥补了这一缺憾. 搭载于卫星上的发射机向地面发射三组相干载波信号，地面接收机接收到信号后，对任意两个频率进行差分多普勒计算就能够得到观测链路的相对TEC，对多个接收站的数据进行集合，利用多站法可以得到更为精确的绝对TEC数据[11-12]. 1997年，中国台湾地区和美国联合制定了COSMIC(Constellation Observation System for Meteorology, Ionosphere and Climate)卫星计划，该计划旨在通过搭载于卫星上的TBB发射机，以及布设于地面的接收机，将获得的TEC作为输入，利用CIT技术反演电离层电子密度. 2006年COSMIC卫星发射成功后，研究者在TBB探测原理和CIT算法上进行了深入的研究，取得了一定的科研成果，为我国TBB技术的发展奠定了基础[9, 11, 13-14].
2018-02-02T15:51，我国地震立体观测体系天基平台的首发星——“张衡一号（简称ZH-1）”，在酒泉卫星发射中心成功发射[15]，星上搭载的TBB机载荷能够持续向地面发射150，400，1 066 MHz（VHF/UHF/L）三个频段的信号，配合我国南北地震带上已建立起的一套地基TBB电离层监测系统，能够对站链上空的电离层进行高精度的TEC测量，以及高分辨率的CIT. 陈亮等[16]利用电离层垂测数据及模型结果对TBB观测的质量进行了评估，认为TBB观测结果与垂测数据具有较好的一致性.
自ZH-1卫星发射后，TBB观测系统已经积累了大量的观测数据，本文中，我们将利用ZH-1 TBB（本工作仅使用VHF和L频段的观测结果）的观测数据，对我国中、低纬地区电离层半年变化特征进行分析，并利用TBB观测结果对2018-08发生的磁暴进行跟踪分析.
1 ZH-1卫星TBB观测系统简介
TBB电离层探测系统利用ZH-1卫星上搭载的TBB机发射三个频率稳定相位相参的无线电信号，利用不同频率的电磁信号在电离层中的相速度不同来反演电离层的物理参数，在地面接收机与卫星的连线扫过的区域连续监测电离层状态[14]（图1）. 这一观测系统能够提供站链上空的绝对TEC、闪烁指数（S4）及电子密度等产品.
星载TBB机主要包括TBB发射机与TBB发射天线. TBB发射机产生相干的无线电VHF(150 MHz)/UHF(400 MHz)/LF(1 066 MHz)信号，通过TBB发射天线向地面辐射. 发射天线采用正交偶极子天线，在空间合成圆极化波[16-17].
TBB接收系统主要包括TBB接收机站网和TBB数据处理中心两部分. 各接收站根据卫星星历在卫星过境前提前开机，完成信标信号的捕获和跟踪，接收星上发射的TBB信号，接收机配套有GPS卫星授时系统，用于标记信号接收时间，确保不同接收站的数据在时间上的一致性. 接收到的数据通过地震信息网，实时传送到卫星地震应用中心，应用中心对原始数据进行处理，并反演得到相关电离层状态信息.
2016年开始，卫星地震应用中心陆续在我国甘肃、宁夏、云南等地区布设TBB接收站，旨在对我国南北地震带上空的电离层进行监测. 目前已建成了14个接收站（图2），这14个接收站组成了2条降轨链路和3条升轨链路（表1）.
表 1 TBB接收站链组成Tab. 1 TBB receiving station chain编号 接收站名称 轨道类型 链路a 中卫、合作、玛曲、大理 降轨 链路b 盐池、固原、天水、昭通、
玉溪、红河、普洱、绵阳、乐山降轨 链路A 大理、昭通、玉溪、红河、普洱、炉霍 升轨 链路B 合作、玛曲、天水、绵阳、乐山 升轨 链路C 中卫、盐池、固原 升轨 2 ZH-1卫星TBB数据格式及数据处理流程介绍
依据《电磁监测试验卫星数据产品分级标准》，TBB数据分为4级，其中0级观测为数据，1~3级为标准数据产品. 1级数据产品包括三频段信号的差分相位、信号强度和观测仰角；2级数据产品包括单站的相对TEC、电离层闪烁指数S4和观测仰角；3级数据产品是在2级数据的基础上，进行反演处理生成一条观测链路的绝对TEC、电子密度二维剖面和NmF2数据（表2）.
表 2 TBB数据分级Tab. 2 Data classification of TBB分级 定义 描述 输出产品 输入参数 0级数据产品 对接收机采集的原始数据进行时间匹配后得到的数据 结合接收机时间对采集的数据进行时间标定，生成带有时间信息的三通道I/Q数据 1）VHF，UHF，LF三通道的I/Q数据
2）0级数据处理报告1）接收机采集的原始数据
2）接收机时间1级数据产品 对0级数据进行正交解算后得到的数据 1）根据三个频点的正交分量，计算相对相位及幅度
2）提取信号质量数据，生成带时间信息的信号质量信息1）三频段信号相位/幅度数据
2）信号质量数据（可选）
3）数据产品图
4）1级数据处理报告0级数据 2级数据产品 对1级数据进行计算和空间位置匹配得到的数据 1）对三频段的信号相位数据进行相位连接等数学处理生成差分多普勒相位，计算相对TEC值
2）利用三频段的信号幅度数据计算幅度闪烁指数
3）利用星历文件中两行轨道参数解算卫星位置为数据匹配空间坐标信息1）单站相对TEC
2）电离层闪烁指数
3）数据产品图
4）2级数据处理报告1）1级数据
2）接收机经纬度坐标
3）卫星轨道信息3级数据产品 在2级数据的基础上，进行反演处理生成一条观测链路的绝对TEC、二维剖面产品和NmF2 1）基于一条站链上各个观测站的相对TEC，采用多站法估算沿该条链路的绝对TEC
2）利用CIT由绝对TEC反演得到该站链的电离层电子密度的二维分布
3）针对一条站链上的NmF2数据，按1°（纬度）进行重采样，与其前若干个重访周期该站链上的NmF2数据（中值）进行时序分析，并标注地震及空间天气指数1）所有台站绝对TEC
2）电子密度二维分布
3）当前及前若干个重访周期单站链NmF2时序数据及图像
4）3级数据处理报告1）2级数据
2）接收机经纬度坐标
3）卫星轨道信息
4）国际电离层参考模型(计算平均电离层高度或默认400 km)
5）地震速报目录、Kp、Dst指数等TBB系统各级数据处理流程如下：地面TBB接收机锁定TBB信号后，输出三个频段信号的正交分量Q和同向分量I的观测数据以及信噪比数据（0级数据）. 对TBB接收机的I/Q观测数据分别进行差分相位计算和信号强度计算，可得到UHF&VHF、LF&VHF的差分相位值和三个频段各自的信号强度值（1级数据）. 对计算得到的差分相位值进行相位连接处理，每秒计算出一组相对电离层TEC值；对计算得到的信号强度值进行幅度闪烁指数计算，每1 s计算出一组闪烁指数进行时空匹配，计算得到各组数据在观测时间所对应的空间位置（2级数据）. 通过对多个台站的观测数据进行集中处理，利用多站法每秒计算一个电离层绝对TEC数据，再利用CIT对单个链路进行反演得到二维电子密度剖面数据，并提取NmF2异常（3级数据）.
3 数据筛选及观测结果
3.1 数据的选择
本工作主要利用2018—2019 TBB观测系统产出的电子密度、NmF2等数据，分析NmF2的半年变化特征；通过对2018-08数据的处理，分析观测数据对发生于2018-08-25—26磁暴事件的响应，以期探讨TBB载荷的观测质量.
数据选择的原则如下：
1）首先需要剃除最大观测仰角小于30°的数据，此部分数据因观测仰角过低，通常会受到观测路径上遮蔽物的影响，造成观测数据的错误.
2）观测数据中还存在信号功率跳变、相位失去锁定，导致接收机重新进行相位计数的情况，这种现象通常是由于电磁干扰导致的相位失锁，相位图中主要表现为信号功率的剧烈抖动，如图3所示. 这部分数据会直接导致观测数据的错误，同样需要剔除.
3.2 NmF2半年变化特征
为了反映电离层电子密度的季节性变化规律，利用TBB观测数据（降轨，14:00UT）计算了2018-10—2019-09每一轨的二维电子密度分布. 从每一轨的电子密度结果中，分别提取了23°N，30°N，40°N 三个纬度的NmF2. 为了便于分析电离层变化趋势，把每月的NmF2进行平均，作为当月的NmF2平均值，分析月变化趋势.
图4分别描述了2018-10—2019-09期间，不同纬度（23°N，30°N，40°N）NmF2月均值的变化情况. 可以看出，NmF2随着纬度的升高而减小，23°N峰值电子密度较大，接近10 TECU，40°N地区峰值电子密度则小于6 TECU.
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图 4 2018-08—2019-09不同纬度NmF2月均值变化Fig. 4 Mean NmF2 change in different latitudes from 2018-08—2019-09将3，4月作为春季，5—8月作为夏季，9，10月作为秋季，1，2，11，12作为冬季，对NmF2月均值变化做6阶多项式拟合（图4红线）后可以看出，NmF2 均值随季节变化的趋势比较明显，而这一现象在中低纬度表现更为显著. 图4还反映出冬季的NmF2均值高于夏季的，具有明显的“冬季异常”现象.
半年度异常是指TEC在两分点特别高，这一异常与太阳活动周期无关，即使在太阳黑子低年也很明显. 从图4可以明显看出：在低纬度地区，3，10月两个月份的NmF2均值均高于其他月份，最大值达到8 TECU；而在高纬度地区这一现象则并不显著，可以认为是半年度异常的体现.
3.3 磁暴响应
选择2018-08-26发生的磁暴事件，分析电子密度的响应，SYM-H指数如图5（a）所示，可以看出：SYM-H值本次磁暴急始开始于08-25T8:29UT，在达到27 nT后开始下降，并在17:47UT进入主相；SYM-H值在08-26T7:11UT左右降至最低，约为−206 nT，随后开始回升进入恢复相. 本次磁暴主相持续时间超过11 h，恢复相持续至08-27[4]. 8-26主相期间共有两轨观测数据，轨道号031170和031180（图5(b)），观测时段分别为6:44—6:58UT和8:18—8:30UT（图5(a)），为了便于分析电离层对磁暴的响应，本文选择两个地磁宁静日2018-08-21（参考日）和8-31（恢复日）相同时刻的电子密度结果与磁暴当天电子密度结果进行对比.
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图 5 2018-08-26磁情指数与暴时轨道分布Fig. 5 SYM-H index and distribution of CSES orbit during storm time on 2018-08-26我们将031170和031180轨与它们的参考日、恢复日的观测结果绘制在一起，如图6所示. 图6(a)、(b)为选定的参考日电子密度剖面；图6(c)、(e)和图6(d)、(f)分别为磁暴当日及恢复日的电子密度剖面；图6(g)、(i)和图6(h)、(j)分别为磁暴当日和恢复日相对各自参考日的差值，代表电子密度的绝对变化；图6(k)、(l)、(m)、(n)为电子密度的相对变化，由磁暴当天与参考日电子密度的差值除以参考日电子密度得到.
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图 6 磁暴当天电子密度观测结果与宁静日对比Fig. 6 Electron density comparison of storm time and normal time031170轨和031180轨间隔时间90 min，轨道间隔11°. SYM-H最低时刻是7:11UT，与031170轨在时间上更为接近. 031170轨（图6(c)）观测时间为磁暴主相阶段，与参考日（图6(a)）相比，在北纬20°至30°之间，F2层电子密度增大(图6(g))，表现为正暴相. 电子密度相对变化结果显示F2层电子密度最大有约50% 的增幅（031170轨，图6(k)）. 031180轨（图6(e)）的观测时间接近本次磁暴的恢复相阶段，从观测结果来看，在中纬度地区，电子密度显著降低，表现出明显的负扰动，低纬度地区则表现为正暴相特征(图6(i))，其可能的原因是热大气层的中性风、E×B对流等因素促使TEC异常从高纬度向中低纬度扩散[18-19]. 低纬地区电子密度相对变化增幅不大，最大增幅约15%（图6(m)）. 磁暴结束后（08-31），观测到低纬度地区电子密度变化趋于平静（图6(h)，(l)，(j)，(n)）.
4 讨 论
利用2018—2019 TBB的观测数据，对接收站上空的电离层NmF2半年变化幅度进行了分析和研究. 初步结果表明，利用TBB观测数据能够有效监测到中国区域电离层的NmF2变化，也能观测到冬季异常、半年度异常现象的变化活动规律. 引起NmF2异常的因素有很多，其中被广泛接受的是Rishbeth and Setty[20]提出的电离层高度上[O/N2]变化是导致白天NmF2变化的主要原因. [O/N2]的比值变化被证明会受到夏季半球向冬季半球大气环流运输过程的影响，从而使中高纬度表现出NmF2周年变化和冬季异常现象[21-22]，这一理论也能对NmF2的季节异常作出解释[23].
根据TBB的观测结果，2018-08-26的磁暴为正暴相. 这与文献[5-6, 24]的分析结果一致，他们认为在磁暴主相阶段，NmF2和TEC都具有较大的增强，并且在亚洲区增幅最大. 通常情况下，热层正常存在潮汐风，白天产生向极风，夜间产生向赤道风. 磁暴期间，白天的向极风反向变为向赤道风抬高电离层，在等离子体垂直向上的漂移以及中性风的共同作用下，[O/N2]比增加，复合率降低，最终导致了NmF2和TEC的增大. Li等人[5]利用GUVI卫星的数据分析了磁暴期间[O/N2]的变化，发现在磁暴主相和恢复相期间[O/N2]都有明显的增强；在磁暴恢复相阶段，NmF2和TEC还表现出了持续的正暴相特征，推测主要是由于在磁暴的恢复阶段从赤道向中纬度输送的原子氧密度增加导致的.
5 结 论
本文利用ZH-1 TBB观测数据，分析了站链上空电离层半年变化特征，并对发生于2018-08-26的磁暴进行了跟踪分析，结论如下：
1）利用ZH-1 TBB数据，能够对站链上空电离层半年的变化规律进行观测，能够有效监测电离层的变化；
2）在重要的空间天气事件中，ZH-1 TBB的观测手段能够获得较为准确的观测数据，且成像速度快，能够更准确地获得电离层短时间的变化特征；
3）受限于接收站的分布，这一观测手段仅能对有限区域进行观测，合理的接收站布设能够让我们得到更多、更优质的观测数据.
致 谢 感谢中国国家航天局和应急管理部国家自然灾害防治研究院支持的张衡一号卫星观测数据（https://www.leos.ac.cn）. 感谢三频信标载荷研制方中国电波传播研究所在数据处理方面给予的帮助.
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图 4 2018-08—2019-09不同纬度NmF2月均值变化
Fig. 4 Mean NmF2 change in different latitudes from 2018-08—2019-09
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图 5 2018-08-26磁情指数与暴时轨道分布
Fig. 5 SYM-H index and distribution of CSES orbit during storm time on 2018-08-26
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图 6 磁暴当天电子密度观测结果与宁静日对比
Fig. 6 Electron density comparison of storm time and normal time
表 1 TBB接收站链组成
Tab. 1 TBB receiving station chain
编号 接收站名称 轨道类型 链路a 中卫、合作、玛曲、大理 降轨 链路b 盐池、固原、天水、昭通、
玉溪、红河、普洱、绵阳、乐山降轨 链路A 大理、昭通、玉溪、红河、普洱、炉霍 升轨 链路B 合作、玛曲、天水、绵阳、乐山 升轨 链路C 中卫、盐池、固原 升轨 
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表 2 TBB数据分级
Tab. 2 Data classification of TBB
分级 定义 描述 输出产品 输入参数 0级数据产品 对接收机采集的原始数据进行时间匹配后得到的数据 结合接收机时间对采集的数据进行时间标定，生成带有时间信息的三通道I/Q数据 1）VHF，UHF，LF三通道的I/Q数据
2）0级数据处理报告1）接收机采集的原始数据
2）接收机时间1级数据产品 对0级数据进行正交解算后得到的数据 1）根据三个频点的正交分量，计算相对相位及幅度
2）提取信号质量数据，生成带时间信息的信号质量信息1）三频段信号相位/幅度数据
2）信号质量数据（可选）
3）数据产品图
4）1级数据处理报告0级数据 2级数据产品 对1级数据进行计算和空间位置匹配得到的数据 1）对三频段的信号相位数据进行相位连接等数学处理生成差分多普勒相位，计算相对TEC值
2）利用三频段的信号幅度数据计算幅度闪烁指数
3）利用星历文件中两行轨道参数解算卫星位置为数据匹配空间坐标信息1）单站相对TEC
2）电离层闪烁指数
3）数据产品图
4）2级数据处理报告1）1级数据
2）接收机经纬度坐标
3）卫星轨道信息3级数据产品 在2级数据的基础上，进行反演处理生成一条观测链路的绝对TEC、二维剖面产品和NmF2 1）基于一条站链上各个观测站的相对TEC，采用多站法估算沿该条链路的绝对TEC
2）利用CIT由绝对TEC反演得到该站链的电离层电子密度的二维分布
3）针对一条站链上的NmF2数据，按1°（纬度）进行重采样，与其前若干个重访周期该站链上的NmF2数据（中值）进行时序分析，并标注地震及空间天气指数1）所有台站绝对TEC
2）电子密度二维分布
3）当前及前若干个重访周期单站链NmF2时序数据及图像
4）3级数据处理报告1）2级数据
2）接收机经纬度坐标
3）卫星轨道信息
4）国际电离层参考模型(计算平均电离层高度或默认400 km)
5）地震速报目录、Kp、Dst指数等
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