地面甚低频(Very Low frequency, VLF)电磁辐射源(如VLF人工源、闪电等)产生的VLF电磁波可以被地面和电离层底边界来回反射，沿着地球-电离层波导传播到距离辐射源很远的地方，其中部分能量在传播过程中会不断向电离层渗透.尽管电磁波在穿越电离层D/E区时，由于电子和中性成分的强烈碰撞，VLF电波的大部分能量被吸收，但仍有能量可以穿透进入电离层乃至磁层，与辐射带高能粒子发生共振相互作用导致粒子沉降(Abel 1998a，b; Bortnik et al., 2006a, b; Inan et al., 1984).近期研究表明，引起外辐射带能量损失的主要原因包括合声波、嘶声、闪电激发的哨声以及电子扩散等(Thorne, 2010)，地面VLF人工源的电磁辐射会影响更为稳定的内辐射带中的能量粒子(Cohen and Inan, 2012).

为定量地研究VLF电磁波对内外辐射带高能粒子的影响，Inan等(Inan et al., 1984)将地球-电离层波导中场分布计算公式(Crary, 1961)与电离层Helliwell吸收曲线(Helliwell, 1965)结合，估算地面人工源信号传播到电离层深部的能量.Abel和Thorne(Abel and Thorne, 1998a)通过‘Starfish’实验发现地面VLF人工源信号对于决定辐射带的生命周期起着重要的作用，并利用电离层Helliwell吸收曲线计算了地面辐射源渗透到磁层的损耗.但通过卫星记录与Helliwell吸收曲线计算结果的对比，Starks等(Starks et al., 2008)发现Helliwell吸收曲线计算结果在日侧高于观测值约10 dB，在夜侧高于观测值约20 dB，并且Tao等(Tao et al., 2010)注意到Helliwell吸收曲线在计算电离层吸收时采用的电子密度剖面既不同于国际电离层参考模型(International Reference Ionosphere Model, IRI)，也不同于火箭实验的结果，如采用IRI模型的电子密度值，Helliwell吸收曲线计算的误差可能达到100 dB.地面VLF人工源信号因其发射功率和频率固定，在电离层中激发较为稳定的电磁辐射，适合用于卫星观测和模型计算的对比验证，因此Cohen和Inan(Cohen and Inan, 2012)采用全波法(Lehtinen et al., 2008, 2009)对全球12个地面VLF人工源信号到达DEMETER卫星高度的电场进行了模拟，并与卫星记录的观测结果进行了对比.结果显示，全波法模型与卫星观测结果的误差小于6 dB.认为这种误差来源于VLF电磁波在以哨声模传播时向准静电模转化导致，不同于Shao(2012)的观点，这种损耗跟频率是线性相关的.Clilverd等(Clilverd et al., 2008)分析了地面VLF人工源信号是以导管还是非导管的方式向磁层传播，发现共轭区的非导管传播在L < 1.5时非常显著.上述研究对地面VLF人工源信号在电离层中的传播规律及卫星观测到VLF人工源信号特征进行了分析，利用VLF电磁波传播的全波计算结果与卫星观测结果进行了对比验证(廖力等, 2017).本文作者采用全波解方法建立了地面VLF人工源信号的传播模型，并在卫星观测与模型计算的对比验证(赵庶凡等, 2015)、VLF电磁波空间传播特征分析(赵庶凡等, 2017; Zhang et al., 2017)等方面进行了应用.

自2018年2月2日ZH-1卫星成功发射以来，已积累近1年的卫星数据.本文借助地面VLF人工源在电离层中激发较为稳定的电磁辐射，对ZH-1卫星搭载的电场探测仪记录的夜侧VLF频段功率谱数据进行数据质量分析.选取位于不同L值，具有不同发射频率的多个VLF人工源，通过分析其上空的卫星重访轨道观测数据，结合全波计算模型进行仿真计算，与DEMETER卫星记录的电场变化标准差和模型计算结果进行对比，对ZH-1卫星VLF频段的功率谱数据稳定性和数据质量进行初步评价.

全球的VLF人工源遍布不同L壳层，具有不同的辐射频率，有连续发射源和脉冲式发射源.脉冲式发射源主要是俄罗斯的阿尔法导航系统，该系统类似于现已退役的欧米茄系统(Swanson and Kugel, 1972).另外一种发射源的工作模式是MSK，带宽覆盖约±200 Hz的范围.图 1为全球分布的数个VLF人工源，红色标注的是本文研究使用的VLF人工源，黑线表示磁赤道，在众多人工源中，NWC是唯一的南半球还在运行的人工源，发生功率达到1 MW，信噪比很大，并且它所在纬度会对辐射带产生强烈影响(Kulkarni et al., 2008; Li et al., 2014)，表 1为各VLF人工源的位置及相关参数.

图 1

Figure 1

图 1 全球分布的VLF人工源 Figure 1 VLF transmitters around the world

表 1 Table 1

表 1 VLF人工源分布及参数 Table 1 The parameters of VLF transmitters 名称 纬度(°N) 经度(°E) L值 地磁倾角(°) 地磁偏角(°) 频率(kHz) 工作模式 NWC -21.82 114.17 1.32 -55.3 0.5 19.80 MSK GBZ 54.91 -3.28 2.48 67.4 -3.8 19.80 MSK NAA 44.65 -67.28 2.46 71 -12.2 24.00 MSK NPM 21.42 -158.15 1.14 38.0 9.9 21.40 MSK

表 1 VLF人工源分布及参数 Table 1 The parameters of VLF transmitters

ZH-1采用准太阳同步圆形轨道，轨道倾角97.4°，高度约500 km，过顶地方时为02 : 00和14 : 00.ZH-1卫星电场探测仪(Electric Field Detector, EFD)采用主动式双探针式电场测量方法，通过测量位于空间等离子体环境中不同位置的两传感器(探针)表面的电势差再除以两传感器之间距离，获得沿传感器连线方向的空间电场三分量信号，探测频段范围从0~3.5 MHz.ZH-1卫星VLF频段采用巡查和详查两种模式.详查模式具有更高的数据时间和频率分辨率，主要是在中国过境以及地震多发区域记录VLF波形数据，采样率50 kHz；巡查模式只保存地理纬度低于±65°区域的全球VLF谱数据，谱分辨率为24.4 Hz，时间分辨率为2 s.DEMETER卫星电场探测仪只探测电场的一个方向分量，采样率40 kHz，巡查模式下VLF谱数据的频率分辨率为19.53 Hz，时间分辨率为2 s (Shen et al., 2018a, b).本文主要分析ZH-1卫星和DEMETER卫星夜侧VLF频段电场功率谱数据.

本文选取2018年5月6日到2018年6月6日的ZH-1卫星三分量VLF谱数据，提取以发射源频率为中心±200 Hz的频谱计算总电场强度的均方根(RMS).选取DEMETER卫星同时段不同年份即2009年5月6日至6月6日的单分量VLF电场谱数据，计算其单分量电场强度.分别研究以VLF发射源中心、东西30°经度范围、纬度从-65°至65°范围内VLF人工源激发的电场能量分布.为排除地磁活动对卫星观测数据的影响，我们剔除了地磁活动强烈Kp>2时间段(图 2)的数据.

图 2

Figure 2

图 2 研究时段的地磁活动指数 Figure 2 Geomagnetic activity index during the research period

为获得ZH-1与DEMETER卫星电场观测数据的全球二维分布，我们将研究区域划分为1°×1°的网格进行网格平均并进行插值，如图 3所示，其中白色十字表示VLF发射源的位置，白色圆点表示人工源上空80 km高度处的磁力线在卫星高度的穿刺点，图中的白色等值线表示卫星高度的L值.从图中可以比较清晰地看出ZH-1卫星与DEMETER卫星记录的VLF人工源在其顶空区域激发的电场分布形态较为一致，在电离层卫星高度的电场分布形态是一组同心圆，同心圆具有南北不对称性，后文我们将通过比较人工源在其上空激发的电场强度分析观测数据的稳定性.

图 3

Figure 3

图 3 ZH-1(第一行)与DEMETER(第二行)卫星记录的VLF人工源(NWC, GBZ, NAA, NPM)激发的电场 Figure 3 The electric field excited by VLF transmitters (NWC, GBZ, NAA, NPM) record by ZH-1 (first panel) and DEMETER (second panel)

地面VLF人工源除可以在其顶空激发强烈的电磁响应以外，在磁共轭区也可以产生强烈的共轭效应.从图中可以看出ZH-1卫星和DEMETER卫星观测的北半球GBZ、NAA人工源的共轭区的电场响应以穿刺点为东西向中心，沿着共轭穿刺点所在L值以北呈条带式分布，GBZ共轭响应位于L=1.7~2.5(VLF人工源辐射电磁波沿导管传播时会被限制在电子回旋截止频率一半的磁壳内，19.6 kHz电磁波对应的磁壳值约为2.8)，NAA共轭响应位于L=1.5~2.63之间(24 kHz电磁波对应的磁壳值约为2.63).这种共轭区响应特征说明这2个北半球VLF人工源的VLF电磁波的传播模式是导管传播(Clilverd et al., 2008).ZH-1卫星和DEMETER卫星观测到NPM人工源的共轭区电场响应在L＜1.5的范围，说明NPM辐射的VLF电磁波的传播模式是非导管传播，且峰值区不是以穿刺点为东西向分布的中心，发生了一定程度的西向漂移，偏移的原因可能是受电离层中水平电子密度梯度的影响(Clilverd et al., 1992a, b).从表 1分析各个VLF发射源位置，可以发现发射源位置位于L < 1.5时共轭区的非导管传播可能更容易发生.

ZH-1卫星观测到南半球发射源NWC的共轭区电场响应除了在共轭穿刺点上空有能量分布集中区以外，在共轭穿刺点以北向极区方向在L=1.3~2.5(19.8 kHz电磁波对应的磁壳值约为2.8)之间存在另外一个条带状能量分布集中区.DEMETER卫星观测同样观测到分布特征相同的两个能量集中区，其中条带状能量集中区位于L=1.5~2.8之间，因此NWC可能同时存在导管和非导管传播.VLF电磁波向共轭区的传播会在较高的波法向角时衰减产生朗道阻尼，因此共轭区的能量较发射源上空要低.此外，向共轭区传播过程中另外一个需要考虑的因素是磁层反射，但本文研究的VLF电磁波都高于电离层低混杂波频率(5~9 kHz)，可以不考虑磁层反射的影响.

从表 1可知，NWC、NAA和NPM的发射功率通过文献可以确定，因此本文只对它们在ZH-1卫星高度激发的电场进行重访轨道分析，并利用全波法计算仿真模拟.考虑到本文使用的二维传播模型是沿经线方向的，为进行更精确的对比，本文选取过发射源上空的单条轨道及其重访轨道的观测结果与模拟结果进行对比.ZH-1卫星重访周期为5天，在5月6日到6月6日的观测期内，每个发射源上空共有6条轨道数据.我们利用IRI模型(Bilitza and Reinisch, 2008)计算ZH-1卫星轨道通过NWC、NAA和NPM发射源上空时的电子密度，电子碰撞频率采用指数碰撞模型如图 4所示.利用IGRF模型(Barton, 1997)计算NWC、NAA、NPM发射源位置的地磁场强度及地磁场倾角等相关地磁场参数.

图 4

Figure 4

图 4 电子密度和碰撞频率剖面 Figure 4 The electron density and collision frequency profile

图 5第一行是ZH-1卫星记录到过NWC、NAA和NPM三个VLF发射站正上空6条重访轨道记录的距离发射源±1000 km范围的电场值，黑色圆圈表示6条轨道的均值，黑色误差棒表示6组轨道数据的标准差，黑线纵线表示发射源所在纬度，红色纵线是发射源正上空80 km处的磁力线出发到ZH-1卫星高度的穿刺点的纬度.可以看出NWC和NAA辐射源的电场最大值与磁力线穿刺点基本重合，这说明电磁波在穿透低电离层之后沿磁力线传播，属于导管传播，而NPM辐射源的最大值与磁力线穿刺点相距较远，说明电磁波在穿透低电离层之后未沿磁力线传播，属于非导管传播，这与前一节电场空间分布特征的分析结果一致.

图 5

Figure 5

图 5 ZH-1卫星(第一行)和DEMETER卫星(第二行)记录的VLF人工源(NWC, NAA, NPM)激发的电场对比 Figure 5 The electric field excited by VLF transmitters (NWC, NAA, NPM) record by ZH-1(first panel) and DEMETER (second panel) satellite

图 5第二行显示的是2009年5月6日至2009年6月6日期间NWC、NAA、NPM三个VLF人工源上空DEMETER卫星观测的电场数据及其标准差，其中NWC发射源上空卫星电场数据标准差范围为3.6~10.4，NPM发射源上空卫星电场数据标准差范围为3.5~7.4，NAA发射源上空卫星电场数据标准差范围为3.2~6.5.尽管两颗卫星同期观测数据间隔了9年，但都处于太阳活动低年的磁静日，从标准差的结果来看ZH-1卫星观测的电场数据的稳定性与DEMETER卫星较为接近.此外，DEMETER卫星电场值比ZH-1卫星电场值小约10 dB-μv/m，这可能是ZH-1卫星测量的是总电场，而DEMETER卫星只测量了垂直轨道面方向的一个电场分量，且两颗卫星记录的数据时间不同(太阳活动的年变化，以及地方时变化)共同作用导致的.

图 6是全波模型的电场模拟结果与ZH-1卫星电场观测数据的对比，红线是观测值，蓝线是模拟值，从图中可以看到模拟结果与观测结果在幅值上较为接近，形态上较为一致，观测结果和模拟结果都清晰地显示辐射源从中心向两侧逐渐衰减，也体现了明显的波模干涉特征.其中蓝色箭头显示了模拟结果的标准差最大及最小值，红色箭头显示了卫星观测结果的标注差最大及最小值，观测结果显示观测期内NWC发射源上空6条轨道过境时间的ZH-1卫星电场数据标准差范围为3.2~7.9，而相应的全波模拟结果的标准差范围为2.7~6.7，NAA发射源上空6条轨道过境时间的相应的标准差范围为3.3~6.6，全波模拟结果的标准差范围为1.2~7.4，NPM发射源上空6条轨道过境时间的相应标准差范围为3.0~7.0，全波模拟结果的标准差范围为1.7~6.8.

图 6

Figure 6

图 6 ZH-1卫星记录的VLF人工源(NWC, NAA, NPM)激发的电场与模拟结果对比 Figure 6 Comparison of electric field excited by VLF transmitter (NWC, NAA, NPM) between ZH-1 satellite observation and simulation results

本文借助地面VLF人工源在电离层中激发较为稳定的电磁辐射，对ZH-1卫星搭载的电场探测仪记录的夜侧VLF频段功率谱数据进行数据质量分析，分析比较了ZH-1卫星和DEMETER卫星记录的NWC、GBZ、NAA、NPM共4个VLF人工源在电离层中激发电场的空间分布特征.利用全波法仿真模拟了NWC、NAA、NPM 3个人工源在ZH-1卫星高度激发的电场并与卫星重访轨道的观测结果进行对比得出以下结论：

(1) ZH-1卫星清晰地记录了2018年5月6日至6月6日的VLF人工源在电离层卫星高度激发的电场.NWC、NAA、GBZ发射源激发的电磁波沿磁力线以导管的方式传播到发射源上空及共轭区.NPM发射源激发的电磁波以非导管的方式沿着群速度方向传播到发射源上空及共轭区，统计上述发射源位置发现发射源位于L < 1.5时共轭区的非导管传播可能更容易发生，这与Clilverd等(Clilverd et al., 2008)利用DEMETER和CRRES卫星数据的分析结果一致.

(2) VLF电磁波向共轭区的传播会在较高的波法向角时衰减产生朗道阻尼，因此共轭区的电场较发射源上空要小，因为本文研究的VLF电磁波频率都远高于电离层低混杂波频率(5~9kHz)，不需要考虑磁场反射产生的影响.VLF电磁波穿透电离层D/E区后应区分导管传播和非导管传播两种方式，不同传播方式在卫星高度电磁响应的位置会有较大差别.南半球VLF发射源引起的共轭区电场会向极区方向移动，而北半球VLF发射源引起的共轭区电场会向赤道方向移动，也就是说VLF发射源沿磁力线的导管传播模式在共轭区的电场响应均有一定的向北移动.

(3) ZH-1卫星的过NWC、NAA、NPM人工源上空的6条重访轨道在其顶空± 1000 km范围内激发的电场与全波模型的电场模拟结果在数值上较为接近，在形态上较为一致，观测结果和模拟结果都清晰地显示辐射源从中心向两侧逐渐衰减，也体现了比较明显的波模干涉特征.2018年05月06日至06月06日期间ZH-1卫星记录的NWC、NAA、NPM人工源激发的电场变化标准差范围为3.2~7.9，3.0~6.9，3.3~6.6，与2009年05月06至06月06日同期DEMETER卫星记录的电场变化标准差几乎一致.综上所述说明ZH-1卫星夜侧VLF频段电场功率谱观测结果是较为稳定可靠.