2015, Vol. 30
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 地球与行星物理重点实验室, 北京 100029;
3. 武汉船舶通信研究所, 武汉 430200;
4. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
5. 厦门气象局, 厦门 361000;
6. 西安气象局, 西安 710021
, YU Tao1, ZENG Zhong-chao1
, WANG Jin-song1, YANG Ping3, MAO Tian1, ZHAO Bi-qiang4, SU Wei-dong5, JIA Yi-ping6
2. Key Laboratory of Earth and Planetary Physics, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. Wuhan Ship Communication Research Institute, Wuhan 430200, China;
4. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
5. Xiamen Meteorological Bureau, Xiamen 361000, China;
6. Xi'an Meteorological Bureau, Xi'an 710021, China
电离层是高层大气的电离部分，存在着大量的自由电子，足以影响无线电波的传播.短波通信、天波超视距雷达和短波广播等技术系统就是利用电离层对高频无线电波的反射特性进行工作的.短波通信是远程通信的主要手段之一，在当今新型的通信系统不断涌现的情况下，仍然受到全世界普遍重视，世界上主要发达国家的 C4I系统中都部署了短波通信系统，而且越来越发挥着重要的作用(杨世泰和梁延，1998; 李晓陆，2005).天波超视距雷达以其大范围的监视能力、早期预警、低防空突袭、抗隐身性以及海态遥感等突出优点在军事和民用中具有重要意义(郭欣等，2002；周万幸，2011).国际短波广播在全球信息化的今天也依然得到各国的重视和发展(曲慧斌，2007；赵明，2008).
电离层的状态及其变化在短波通信、天波超视距雷达和短波广播等依赖天波技术的系统应用中有重要意义.国际上，Watterson等人(1970)利用1967年LongBranch和Boulder之间的短波信道观测数据验证了短波电离层信道模型，该模型后来被国际电信联盟(CCIR)推荐使用，成为窄带短波信道的经典模型.美国海军实验室的Wagner等人(1988，1989)在20世纪80年代开展了包括了短路径中纬信道、短路径极区信道、长路径中纬信道和长路径高纬信道等大量的不通类型的短波信道观测，分析比较了不同区域不同条件下短波信道的变化规律.20世纪90年代，英国国防研究机构开发DAMSON(Doppler And Multipath Sounding Network)短波信道观测系统，该系统包括了位于加拿大、挪威、瑞典等国的高纬网络和位于泰国的赤道短波链路(Davies and Cannon， 1994；Cannon et al., 2000).利用DAMSON的短波信道观测，发展了自动短波控制系统(ARCS)和用于驱动电离层信道模型的SUEDE(Simulator Using Extended Dispersion Envelope)模拟器.Pietrella等人(2008)利用2003-2004年Inskip(UK)-Rome(Italy)、Inskip(UK)-Chania(Greece)之间斜向电离层探测数据验证了长期预报模型ICEPAC、ASAPS、SIRM&LKW和临近预报方法SIRMUP&LKW和ISWIRM，确定其预报准确程度.
在国内，龙咸灵等于1963-1965年期间建立了黄陂——长春返回斜向探测试验链路，论证了利用返回斜向探测技术确定短波通信最高可用频率(MUF)的可行性、可靠性和预报精度，得出了短波频率预报的规律及方法(管荣生等，1999).焦培南和张秀菊(1985)在1967年进行了新乡向南返回散射探测试验，获得了电离层高频闪射回波的时延-功率-多普勒频率的三维图谱.焦培南和朱其光(1985)利用新乡和广东间的脉冲返回散射探测结果验证了高频返回散射传播最小时延的地面距离计算新方法.侯昌杰等(管荣生等，1999)利用1980年龙关——武汉返回斜向探测和斜向探测试验，验证了FXZ实时选频自适应短波通信系统，表明了该选频系统能够提供短波通信的频率范围和最佳工作频率，提高了短波通信的可靠性和通报效率.曾文等(1999)为了解决我国南海地区短波无线电通信信道的选择问题，利用人工神经网络建立我国南海地区电离层模式.王健等(2013)提出了一种适用于中国及邻近区域高频天波传播的精细化频率预报方法，其预报精度比ITU-R建议方法有明显改善.
一般认为，短波信道的变化与其链路穿过的电离层状态密切相关，并且更依赖于其链路中点区域的电离层.但是，这种依赖程度到具体多大？短波信道变化与其链路端点区域电离层的关系具体又如何？对于这些问题，几乎没有看到同步试验观测和定量的描述.为了深入理解短波信道变化与与其链路穿过的电离层状态之间的关系，更好地提高短波信道预测能力和短波信道信息在依赖天波的技术系统中应用水平，本文利用中国气象局国家空间天气监测预警中心2011年7月21-27日厦门—武汉链路短波信道观测数据和2011年12月10-16日西安—武汉—莆田链路短波信道观测数据，以及厦门、武汉、西安电离层垂直观测数据，对西安—武汉—莆田链路短波信道、厦门—武汉链路短波信道及其链路穿过的电离层相关性进行了分析. 1 实验观测1．1 实验基本情况
本文涉及的短波信道观测包括了厦门—武汉和西安—武汉—莆田两条链路.厦门—武汉链路长度约为770 km(见图 1)，在2011年7月21-27日进行短波信道观测.其中，2011年7月21日13点至7月22日13点，武汉的自适应短波通信系统发射短波信号，厦门的设备同步接收短波信号； 2011年7月22日13点至7月27日，厦门的自适应短波通信系统发射短波信号，武汉的设备同步接收短波信号.自适应短波通信系统通过GPS信号实现系统时间同步.莆田—西安链路全长约为1370 km(见图 1)，其中武汉—西安链路长度约为680 km(见图 1)，武汉靠近西安—莆田链路的大圆路径中点(距离约为55 km).这条链路在2011年12月10-16日进行短波信道观测，西安的自适应短波通信设备发射短波信号，莆田、武汉的设备分别同步接收该短波信号.
 | 图 1 实验观测站点分布Fig. 1 Observation stations of the experiment |
电离层垂直观测数据来自中国气象局国家卫星气象中心和中科院地质与地球物理所的观测台站.其中，2011年7月21-27日的厦门电离层垂直观测数据可以获得，2011年12月10-16日的厦门、武汉和西安电离层垂直观测数据也是可以获得的.短波信道观测和电离层垂直观测站点的详细信息见表 1.
 | 表 1 实验观测站点信息 Table 1 Information about observation stations |
短波信道观测使用了同步自适应短波通信系统(NCHF-722).该系统由控制系统、电台、天调、鞭天线、GPS天线等部分构成(其主要性能参数见表 2)，可以把自动建链和通信融为一体，是新一代的短波通信设备.同步自适应短波通信系统的收发终端设置了相同的扫描频率表，并且通过GPS授时保证收发两端时间同步.该系统工作时，先进行自动建链，然后进行通信.自动建链时，系统首先按照扫描频率表的顺序对信道进行扫描：(1)发射端先发射某一频率建链信号，接收端在相同频率接收.(2)接收端收到建链信号后，再发射相同频率的建链信号给发射端，发射段记录这一信号的信噪比.(3)发射端根据信号的信噪比确定该频率是否满足通信要求，如果满足，结束建链过程；否则，扫描下一个频率.最后，系统在筛选出的信道上进行通信.
| | 表 2 同步自适应短波通信系统主要性能参数 Table 2 Main performance parameters of Synchronous adaptive HF communication system |
在这次实验中，为了实现短波信道观测，同步自适应短波通信系统系统按照扫描频率表的顺序对信道进行扫描，发射端先发射某一频率建链信号，接收端在相同频率接收该信号，记录信号的信噪比，不再进行通信.系统所设置的扫描频率表为2.1 MHz到29.7 MHz之间以0.3 MHz频率间隔的93个频率点.系统在每个频点上的驻留时间约为9 s，每一轮探测耗时大约为15 min，每天完成96轮观测. 1．3 电离层垂测仪及工作方式
厦门、西安的电离层垂直观测设备为CADI电离层数字测高仪，武汉的电离层垂直观测设备为DPS-4D电离层数字测高仪.DPS-4D、CADI数字电离层垂测仪都是常见的数字电离层垂测仪.其中，DPS-4D数字电离层垂测仪由美国的LOWELL大学生产，是目前世界上最先进的数字垂测仪(Reinisch et al., 2009)；CADI数字电离层垂测仪由加拿大的Scientific Instrumentation Ltd生产，在全球也有较广泛应用(Gao and MacDougall， 1991; 余涛等，2010).武汉的DPS-4D电离层垂测仪、厦门和西安的CADI电离层垂测仪都每15 min观测一次，每天完成96次观测.
在这次实验中，电离层垂测仪和同步自适应短波通信系统同步独立进行观测. 2 短波信道观测结果
在这实验中，2011年7月21-27日期间厦门—武汉链路共完成了591轮短波信道观测，2011年12月10-16日期间西安—莆田链路共完成了626轮观测，2011年12月12-16日期间西安—武汉链路共完成了332轮观测.其中，由于设备检修，西安—莆田链路在12月16日、西安—武汉链路在12月11-13日和12月16日的部分观测数据缺失.厦门—武汉、西安—莆田和西安—武汉链路的短波信道观测结果分别见图 2、图 3和图 4.在图 2、图 3和图 4中，横坐标表示时间(UT)，纵坐标表示频率(MHz)，数据点的色标表示接收到的接收到的短波信号增益大小(dB).在每一轮(15 min)短波信道观测中，接收端都可以记录到93个短波频率点的信号增益大小，图中没有显示了信号增益小于接收设备观测阈值的数据点.
 | 图 2 2011年7月21-27日厦门—武汉链路短波信道观测结果Fig. 2 HF channel observation of Xiamen—Wuhan in July 2011 from 21 to 27 |
 | 图 3 2011年12月10-16日西安—莆田链路短波信道观测结果Fig. 3 HF channel observation of Xii'an—Putian in December 2011 from 10 to 16 |
 | 图 4 2011年12月12-16日西安—武汉短波信道观测结果Fig. 4 HF channel observation of Xii'an—Wuhan in December 2011 from 10 to 16 |
比较图 2、图 3和图 4，西安—莆田和西安—武汉链路短波信道分布规律比较相似，而厦门—武汉链路短波信道分布规律与前两者存在明显的差异.西安—莆田和西安—武汉链路短波信道分布具有以下的特征：(1)信号增益分布具有明显的天变化；(2)高于设备观测阈值的信号频率分布范围，白天大于晚上；(3)总体来说，白天的信号增益大于晚上的信号增益.
而厦门—武汉链路短波信道分布规律则不同，具有以下特征：(1)信号增益分布比较凌乱，天变化趋势不明显；(2)21日上午和夜间、22日上午、23日夜间、24日上午、25夜间和27日白天厦门—武汉链路增益分布存在明显的突起，其观测到的最大频率值达到29.7 MHz(观测受到设备性能限制，真实的最大频率值有可能超过29.7 MHz).
另外，除了大趋势的一致外，西安—莆田和西安—武汉链路短波信道分布也存在一些差异：(1)前者信号增益分布的天变化非常规则，后者在12月10日11:30-12:00、14日8:15-8:30和14:45-15:15出现了3个不规则的突起；(2)前者高于设备观测阈值的信号频率分布在3～27 MHz之间，后则高于设备观测阈值的信号频率分布在2～15 MHz之间(不包括不规则的突起)；(3)前者高于设备观测阈值的信号频率分布在4～6 MHz间存在一个较为明显的间断.
3 电离层垂直观测结果
利用UMLCAR开发的SAO ExploreV3.5软件对2011年7月21-27日厦门和2011年12月10-16日西安、厦门和武汉的电离层垂测仪数据进行了度量.该软件内置了电离图度量和反演工具ARTIST5.0(Galkin et al., 2008)，其中所用的反演算法为NHPC(Huang and Reinisch， 1996). 2011年7月21-27日厦门电离层F2和foEs分布见图 5.在图 5中，(a)为F10.7，其值分布在86～99之间；(b)为Dst的小时值，分布在-21~7 nT间；(c)为厦门电离层foF2分布；(d)为厦门电离层foEs分布. 2011年7月21-27日期间厦门电离层垂测仪共观测到了272次Es，Es主要出现在21日上午和夜间、22日上午、23日夜间、24日上午、25和27日白天等时间段内，foEs的中位值为5.3 MHz.
 | 图 5 2011年7月21-27日厦门电离层foF2和foEs分布Fig. 5 The foF2 and foEs of Xiamen in July 2011 from 21 to 27 |
2011年12月10-16日西安、厦门和武汉电离层foF2和foEs分布见图 6.在图 6中，(a)为F10.7，其值分布在120～140之间；(b)为Dst的小时值，分布在-34~2 nT间；(c)图中红色、蓝色和黑色曲线分别表示西安、厦门和武汉电离层F2层临界频率；(d)图中红色、 蓝色和黑色曲线分别表示西安、厦门和武汉电离层Es层临界频率.2011年12月10-16日期间西安、厦门和武汉电离层分别观测到了71、90和96次Es，Es主要出现在白天，foEs中位值分别为3.6 MHz、 5.2 MHz和3.58 MHz.
 | 图 6 2011年12月10-16日西安、武汉和厦门电离层foF2和foEs分布Fig. 6 The foF2 and foEs of Xii'an，Wuhan and Xiamen in December 2011 from 10 to 16 |
在这次实验中，短波信道观测和电离层垂测同时独立进行.比较图 3、图 4和图 6c，可以看得出西安—武汉和西安—莆田链路短波信道数据分布趋势与武汉、西安、厦门电离层F2层临界频率分布趋势非常相似，都有较为明显的天变化.为了便于比较，将同步自适应短波通信系统每一轮(15 min)探测中信号增益大于该系统的探测阈值且最大的频率定义为该链路短波信道的最大可用频率(MUF).利用公式(1)，对西安—莆田和西安—武汉短波信道MUF与武汉、西安、厦门电离层F2层临界频率相关系数r进行了计算，具体结果见图 7.
 | 图 7 西安—莆田、西安—武汉的MUF与西安、武汉和厦门电离层foF2相关系数 Fig. 7 Correlation coefficients of MUF(Xii'an—Putian and Xii'an—Wuhan) and foF2(Xii'an，Wuhan and Xiamen) |
西安—莆田链路短波信道的MUF与厦门、武汉和西安的电离层foF2的相关系数分别为0.912、0.974和0.940，而西安—武汉链路短波信道的MUF与厦门、武汉和西安的电离层foF2的相关系数分别为0.877、0.937和0.926，具有以下特征：
(1)西安—莆田链路短波信道的最大可用频率(MUF)与该链路的中点(武汉)电离层F层临界频率(foF2)的相关系数最大，为0.974.
(2)西安—莆田链路MUF与链路端点(西安)电离层foF2的相关系数稍小些，西安—武汉链路MUF与链路两端(武汉、西安)电离层foF2的相关系数也稍小些，但都接近于0.930.
(3)西安—莆田链路MUF与厦门(距离莆田约为140 km)电离层foF2也比较小，为0.912.
(4)西安—武汉链路MUF与厦门(距离武汉约770 km)电离层foF2的相关系数更小一些，为0.877.
这结果与短波信道变化更依赖于其链路中点区域电离层的观点是一致的.Chen等(2012)比较了2010年武汉—深圳间电离层斜向探测和武汉—深圳中点的电离层垂直探测的试验结果，发现由电离层斜向探测图转换为电离层垂直探测图所获得的电离层F层临频、虚高和电离层电子浓度廓线与中点真实的电离层垂直探测结果差别非常小，这也从另外一个方面说明了斜向短波链路信道信息与链路中点区域的电离层状态有最为密切的关联.
利用公式(1)，对厦门—武汉短波信道MUF与厦门电离层foF2的相关系数进行计算，其值几乎为零，两者几乎不相关，这与前面的结论并不一致.2011年7月21-27日期间厦门电离层共观测到了272次Es，foEs中位值为5.3 MHz，而2011年12月10-16日期间西安、厦门和武汉电离层分别 观测到了71、90和96次Es，其foEs中位值分别为3.6 MHz、 5.2 MHz和3.58 MHz.显然，2011年7月21-27日期间厦门Es层出现更频繁、强度较大.厦门—武汉链路信号增益分布存在明显的突起出现在21日上午和夜间、22日上午、23日夜间、24日上午、25夜间和27日白天等时间段内，而厦门电离层Es也出现在21日上午和夜间、22日上午、23日夜间、24日上午、25日和27日白天等时间段内，两者在时间上吻合得很好.这些情况表明2011年7月21-27日厦门—武汉链路短波信道MUF与电离层Es层活动有密切的关系.当电离层的Es层电子密度足够大时，会出现斜入射的电波被Es层遮蔽而直接反射到地面或者经过Es层反射电波的最大频率高于经过F2层反射电波的最大频率的现象.而Es层出现的时间、区域和强度都具有一定的随意行，当斜入射的电波被Es层遮蔽而直接反射到地面或者经过Es层反射电波的最大频率高于经过F2层反射电波的最大频率时，短波信道的MUF分布规律也就变得不明显了.根据厦门电离层垂测仪的观测，去除掉与电离层Es相关的数据后，厦门—武汉短波信道MUF与厦门电离层foF2的相关系数0.557(图 8).这个结果和不去除的结果比较，相关系数明显增大，说明了厦门—武汉短波信道的变化的确受到了电离层Es活动的影响.但同时，这个结果和西安—莆田链路的相应结果比较，相关系数还偏小.这是因为在分析中去除掉与电离层Es相关的数据时，我们利用的是厦门电离层垂直观测，而厦门电离层Es活动情况与厦门—武汉中点电离层Es活动情况可能还是会存在一些差异.对于厦门—武汉链路短波信道与其链路穿过电离层的状态及其变化的相关性分析，还需要设计有厦门—武汉链路中点电离层垂直观测的试验进一步分析研究.
 | 图 8 厦门—武汉MUF与厦门电离层foF2相关系数 Fig. 8 The correlation coefficient of MUF of Xiamen—Wuhan and foF2 of Xiamen |
另外，在西安—武汉链路短波信号分布12月10日11:30-12:00、14日8:15-8:30和14:45-15:15出现不规则的突起中，12月10日11:30-12:00和14日14:45-15:15的不规则的突起都可以与武汉电离层Es的出现对应，而14日8:15-8:30出现不规则的突起则没有和武汉电离层Es活动对应上.与前面的分析类似，由于武汉仅为西安—武汉链路的端点，武汉电离层Es活动情况与西安—武汉链路中点电离层Es活动情况可能也是存在一些差异.
5 小 结
本文利用2011年7月21-27日厦门—武汉链路短波信道观测数据和2011年12月10-16日西安—武汉—莆田链路短波信道观测数据，以及厦门、武汉、西安电离层垂直观测数据，对西安—武汉—莆田链路短波信道、厦门—武汉链路短波信道及其链路穿过的电离层相关性进行了分析，结果如下：
(1)西安—莆田链路短波信道的最大可用频率(MUF)与该链路的中点(武汉)电离层F层临界频率(foF2)的相关系数最大，为0.974.
(2)西安—莆田链路MUF与链路端点(西安)电离层foF2的相关系数稍小些，西安—武汉链路MUF与链路两端(武汉、西安)电离层foF2的相关系数也稍小些，但都接近于0.930.
(3)西安—莆田链路MUF与厦门(距离莆田约为140 km)电离层foF2也比较小，为0.912.
(4)西安—武汉链路MUF与厦门(距离武汉约770 km)电离层foF2的相关系数更小一些，为0.877.
(5)根据厦门电离层垂测仪的观测，去除掉与电离层Es相关的数据后，厦门—武汉短波信道MUF与厦门电离层foF2的相关系数为0.557；不去除时，其相关系数几乎为零.
本文中所获得的短波信道与其链路穿过电离层相关性的分析结果，对于提高短波信道预测能力和短波信道信息在依赖天波的技术系统中应用水平有重要帮助.
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