2010, Vol. 53
低纬地区是全球电离层闪烁频繁发生的区域，自从第一颗人造卫星于1957年发射之后，利用卫星发射的无线电波来观测电离层闪烁成为可能，从此人们研究闪烁现象的兴趣一直持续未减[1].研究电离层电子密度不均匀结构的漂移特征及其变化规律，对于理解赤道F层电动力学过程以及发生在赤道低纬电离层中的各种空间天气现象，特别是电离层闪烁现象都极为重要[2, 3].
作为对雷达和卫星测量电离层的一种重要补充，地基卫星信标接收机台阵测量是获得电离层不均匀结构漂移信息的一种有效且十分方便的技术手段[4].近年来，国内外的很多学者和研究机构相继开展了很多相关的实验研究工作，结果表明，利用空间间隔的多台接收机接收到的卫星闪烁数据，可以较精确地估计不均匀结构的漂移速度[4~10].
本文介绍在我国海口地区开展的一次实验研究，利用多站卫星闪烁数据测量电离层不均匀结构的漂移速度.共观测到四次持续时间为80、35、25、60min的强闪烁事件，用相关性分析法得到分辨率为1min、2min、5min的漂移速度变化情况.初步获得了秋分前后我国海口地区电离层不均匀结构的漂移速度变化特点，其结论与已有的结论一致.数据分析和计算结果表明，利用三站卫星闪烁信号测量电离层不均匀结构漂移速度是一种有效可行的方法.
2 实验原理与方法电离层闪烁研究中，通常在“冻结场”的假设条件下分析电离层不均匀结构，即假设电离层不均匀结构在一段时间内的漂移速度是恒定的，且内部形态没有发生变化.同时把不均匀结构从三维的空间状态“压缩”到一个二维平面上，不考虑其在高度上的运动，只分析其在水平方向上的漂移.
在“冻结场”的假设条件下，取电离层不均匀结构的高度为350km，位于电离层电子密度值最大的F2层.对于频率为350MHz的卫星信号，对应的菲涅尔尺度为
统计数据表明，低纬地区电离层闪烁多发生在春分和秋分前后，因此本文的实验选择在2005年9月到10月在海口进行.实验使用三台电离层闪烁监测仪（Ionosphere Scintillation Monitor，ISM）接收UHF频段的卫星信号，采样频率为20Hz，作为分析电离层闪烁的数据，本文中的电离层闪烁信号均为UHF频段，时间均采用地方时.同时接收GPS卫星信号获得三个观测站的经纬度，并保证三站接收闪烁信号的时间同步性. 表 1给出了三个观测站点的地理经纬度，三站的位置关系如图 4所示，它们之间的距离分别是116.1m（AB），166.8m（BC），68.5m（AC）.
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表 1 三个观测站的经纬度 Table 1 Geographic coordinates of the three observation stations |
本次实验共观测到4次电离层闪烁事件，发生的时间分别是2005年10月19日21:20~22:40，22:58~23:33，10月29日20:07~20:32，21:47~22:47，这4次电离层闪烁事件的幅度闪烁指数S4最高都达到了0.9以上，属于较强的电离层闪烁.
图 1给出了10月19日21:20~22:40闪烁事件的三站信号幅度变化曲线，横坐标是地方时LT，纵坐标是信号幅度SI.为便于比较，作图时把B点和C点的信号分别上移和下移了若干单位，A点的信号保持原值不变.由图可见三站信号的幅度变化具有明显的相关性.为进一步分析，图 2给出了该闪烁事件期间的1min幅度曲线，可以更明显地看出三站信号具有相关性，且存在时间延迟，信号首先到达B点，然后经过A点，最后到达C点.
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图 1 10月19日21:20〜22:40闪烁事件的三站信号幅度图 Fig. 1 Signal amplituds of ionosphere scintillation from three stations during 21:20〜22:40 October 19th |
以图 1中的闪烁事件为例说明数据处理方法.首先对三站的数据两两做相关性分析，求信号间的互相关系数ρ[11~13].式（1）中ρx，y（τ）是两站信号间的互相关系数，τ是两站信号间的延迟时间，x（t）是t时刻A点接收到的信号，y（t+τ）是t+τ时刻B点接收到的信号.
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(1) |
图 3给出了处理结果，横坐标是时间延迟（time delay），纵坐标是互相关系数（correlation coefficient），图中曲线分别是A-B、A-C、B-C之间的相关系数曲线.最大相关系数对应的时间延迟分别为负值、正值、正值，说明漂移速度分别为由B点到A点，由A点到C点，由B点到C点，即闪烁信号先后到达B点、A点和C点.这一点和图 2中观察得到的结果一致.
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图 2 10月19日21:28观测到的三站信号幅度图 Fig. 2 Signal amplituds of ionosphere scintillation from three stations in 21:28 October 19th |
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图 3 互相关系数随时间延迟的变化 Fig. 3 Cross correlation coefficient versus time delay |
由两站间信号的时间延迟T和两站间的距离S，根据V=S/T，可以得到电离层不均匀结构的漂移速度在两站连线方向上的“投影速度”.然后由三个方向上的“投影速度”求得不均匀结构的漂移速度，合成方法如图 4所示，图中三条虚线分别表示三个方向上的速度矢量，黑色的射线表示合成速度V的大小和方向.
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图 4 电离层不均匀结构漂移速度的合成示意图 Fig. 4 Calculation method of ionosphere irregularity's drift velocity |
采用上面介绍的方法分析这次实验观测到的4次电离层闪烁事件，图 5给出不均匀结构漂移速度随时间的变化结果.由于观测站记录的幅度值存在数据缺失的情况，以及作图时需要舍去取值不合理的点，所以得到的漂移速度值是不连续的.圆圈代表 5min的平均速度，三角形代表 2min的平均速度，点划线是1min的平均速度.
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图 5 2005年海口观测到的4次电离层闪烁事件中不均勻结构漂移速度变化图，向东漂移为正 (a)10月19日21:20〜22:40;(b)10月19日22:58〜23:33;(c)10月29日20:07〜20:32;(d)10月29日21:47〜22:47. Fig. 5 Ionospheri irregularities' drift velocity of four ionosphere scintillation in Haikou 2005.positive value denotes the eastward drift (a) 21:20〜22:40 October 19th; (b) 22:58〜23:33 October 19th; (c) 20:07〜20:32 October 29th; (d) 21:47〜22:47 October 29th. |
图 5a给出了10月19日21:20~22:40发生的闪烁事件结果. 5 min的平均速度范围在55~70m/s，大部分值在55~60m/s.2min的平均速度范围在55~80m/s，21:45之后大部分值在55~60 m/s. 1 min的平均速度范围在50~85 m/s，21:45之后大部分值也在55~60m/s.从整体上来看，漂移速度从开始的70~80 m/s下降到55~60m/s，在21:45之后比较稳定地在55~60m/s之间变化.这次闪烁持续80 min，平均漂移速度为60m/s，因此可以估计该电离层不均匀结构东西向的几何尺度为300km左右.
图 5b给出了10月19日22:58~23:33发生的闪烁事件结果.5min的平均速度值比较稳定，大部分值都为55.6m/s，2min的平均速度值大部分在54.7~55.9m/s之间，1min的平均速度值大部分在50~56m/s之间.从整体趋势上来看，该闪烁事件的漂移速度比较稳定，大部分时刻的值在50~56m/s之间变化.这次闪烁持续35min，平均漂移速度为55m/s，因此可以估计该电离层不均匀结构东西向的几何尺度为120km左右.
图 5c给出了10月29日20:07~20:32发生的闪烁事件结果.5 min的平均速度从100 m/s下降到70m/s，又下降到60m/s左右.2min的平均速度从83~92m/s下降到55~70m/s.1min的平均速度从107 m/s下降到55~70 m/s.整体上来看，该电离层不均匀结构的漂移速度变化范围较大，从开始的107m/s下降到后来的55~70m/s之间.这次闪烁持续25min，平均漂移速度为70m/s，所以可以估计该电离层不均匀结构东西向的几何尺度为90km左右.
图 5d给出了10月29日21:47~22:47发生的闪烁事件结果.5min的平均速度从68~78m/s达到最大值85m/s后，然后又下降到75~80m/s，在22:20之后处于比较稳定的变化状态.2min的平均速度从68~81m/s达到最大值103m/s后，下降到68~97m/s，22:10之后大部分值在75~85m/s之间变化.1min的平均速度开始在65~85m/s之间变化，在22:06时达到最大值111 m/s，然后下降至68~98m/s之间.整体上来看，这次闪烁事件的漂移速度5min和2min的平均值在22:20之前，大部分值在68~85m/s之间变化，之后稳定在75~85m/s之间.1min的平均速度变化范围较大，大部分值集中在68~98 m/s之间.这次闪烁持续60min，平均漂移速度为80 m/s，可以估计该电离层不均匀结构东西向的几何尺度为290 km左右.
本次实验观测到的4次电离层闪烁事件发生在20:00~23:30之间，漂移速度的值在50~110m/s之间，方向为东向，符合海南地区夜间子夜前的电离层不均匀结构沿纬圈向东漂移这一结论[10].不均匀结构东西向的空间尺度分别是300，120，90，290km左右.整体上来看，22:00之前漂移速度的值变化较大，之后相对比较稳定，尤其在10月19日的两次闪烁事件中非常明显，这一结果和其他学者的结论一致[9].
通过本次实验可知，对同一次电离层闪烁事件，电离层不均匀结构平均漂移速度的变化范围随数据采样长度而变化，数据采样时间间隔越长，速度的变化范围越小，即5 min的平均速度变化范围最小，2min的结果次之，1 min的平均速度变化范围最大.但是，不同采样长度数据处理得到的平均速度的整体变化趋势基本一致，该方法的时间分辨率可以达到1min.
一些学者的研究结果表明，有多种因素可能引起电离层不均匀结构漂移速度的估计误差，仅特征随机速度（characteristic random velocity）一种因素，就可能产生1~10m/s的估计误差[12, 14].另外，由于接收机是在地面上接收闪烁信号，所以该结果是电离层不均匀结构的漂移速度在接收机平面上的“投影”[5, 6]，因此需要利用卫星和信号在电离层上的穿透点以及接收机之间的位置关系对结果进行修正.由于卫星和电离层之间的距离远大于电离层和地面之间的距离，因此误差可以忽略.此外还有垂直漂移的影响[4, 5]、实验中接收机的硬件误差、三站之间距离的估计误差、速度合成时的算法误差等，如何消除这些因素的影响，是提高算法精度必须解决的问题.
5 结语本次实验利用三站卫星信号闪烁测量，在我国低纬地区实现了电离层不均匀结构的漂移速度测量，获得了初步的结果.通过本次实验，初步获得了2005年秋分前后我国海口地区电离层不均匀结构的漂移速度变化特点，其结论与已有的结论一致.本次实验验证了利用三站卫星闪烁数据测量电离层不均匀结构漂移速度的可行性和有效性，建议在其他区域，尤其是在电离层闪烁出现频率较高的低纬地区，如南沙群岛、三亚、广州、厦门等地开展类似实验，积累更多的实验数据，进行统计分析.
致谢本文的实验得到了22所海南观测站全体职工的大力支持和帮助，在此表示感谢!
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