利用COSMIC星载信标机的大气层与电离层探测

利用ＣＯＳＭＩＣ星载信标机的大气层与电离层探测陶鹏、孙越强、朱光武、王世金、粱金宝、王晶（中国科学院空间技术与应用研究中心空间环境探测研究室）

摘要：本文首先对利用ＣＯＳＭＩＣ的星载信标机进行大气层及电离层探测的科学目标进行了简单介绍，在此基础上介绍了ＣＯＳＭＩＣ（ＣｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎＯｂｓｅｒｖｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ，Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ，

ａｎｄＣ１ｉｍａｔｅ）卫星上所用的三频信标机（ＴＢＢ，Ｔｒｉ－ＢａｎｄＢｅａｃｏｎ），并对ＣＯＳＭＩＣ的三频信标机

试验的原理进行了介绍。

关键词：信标机、大气层、电离层、探测仪逝

ｉ、概述ＣＯＳＭＩＣ卫星上载有三种科学探测仪器。这三种探测仪器分别为：１）三频信标机（ＴＢＢ）：２）电离层光度计；３）ＧＰＳ掩星接收机。这三种探测仪利用无线电及光学测量以达到互为补充。其中三频信标机是通过向位于地面的接收机发射相位相关的无线电信号来对电离层及太气层进行探测研究的。通过测量穿过电离层的ＴＢＢ发射的无线电波可以获得电离层中的总电子量（ＴＥｃ），再利用计算机化电离层层面ｘ射线摄影法（ＣＩＴ）对ＴＥＣ进行分析则可以得到电离层中等离子体的二维图像：通过分析卫星位置数据则可得到阻力加速度，并对中性大气密度进行估计：通过使用ｘ射线摄影法对ＣＯＳＭＩＣ卫星轨道与地面线性阵列接收机间水汽密度的分析，可以得到可析出水汽的二维图像，这些图像可用于改善天气预报。

２、科学目标ＣＯＳＭＩＣ的三频信标机是用来对于电离层、大气层进行探测的，其主要有以下四个科学探测目标。

２．１电离层电子密度的探测研究电离层的等离子体在太阳极紫外辐射、复合化学反应、太阳风及电场的影响下处于经常的变化中。电离层由距地面５０公里延伸至１０００公里的高空，在电离层中随着高度的变化离子群也在变化。在高度低于１５０公里时，离子群主要以分子形式存在。电子密度的峰值出现在３００公里至４００公里的Ｆ层，在那里氧原子是主要的离子群。在高度大于１５００公里处等离子体层由氢原子和氦离子及等量的电子组成，从而保持为电中性。ＣＯＳＭＩＣ上的ＴＢＢ试验的主要目的是对电离层的电子浓度进行探测研究。也就是通过对ＴＥＣ进行分析从而得到二维的电子密度图或一维的电子密度数据。ＴＢＢ主要用于测量垂直或倾斜传播路径上的ＴＥＣ，而同时ＣＯＳＭＩＣ卫星上的ＧＰＳ接收机通过掩星法则可获得水平方向的ＴＥＣ。将这二者的数据结合起来可以得到比单一仪器精度要高得多的电离层图像。将这两种数据结合起来的一种技术是将ＧＰＳ掩星法所得的电子密度数据用作ＴＢＢ计算机化层面Ｘ射线摄影法的初始条件。另一种方法是将两种测量所得的ＴＥＣ数据同时用于层析成象的重建。

２．２电离层扰动对无线电波传播的影响ＴＢＢ的第二个科学目标是测量电离层扰动对由太空至地面的ＶＨＦ（１５０ＭＨｚ）。ＵＨＦ（４００ＭＨｚ）及Ｌ波段（１０６７Ｅｑｚ）的无线电波传播的影响。电离层通常由于受到电场、中性风及引力的影响而扰动。这些因素打乱等离子体的结构，从而在沿着地球磁力线方向形成不规则。当不规则区域

２５ｌ的尺寸达到菲涅尔区的尺寸时，即对于来自卫星的ｕ｝ＩＦ信号为大约１公里时，在地面所接收到的电波开始出现失真，并同时在幅度和相位上出现大的波动或闪烁。通过对由ＣＯＳＭＩＣ卫星传播至地面接收机的无线电信号的幅度及相位闪烁进行记录则可监测电离层扰动对无线电波传传播的影响。同时。ＣＯＳＭＩＣ上的ＴＢＢ还可以为理解电离层的不稳定的过程提供相关的数据。

２．３对流层的水汽监测地面上的接收机接收的来自一个或几个ＣＯＳＭＩＣ卫星上的信标机发射的无线电波的载波相位观测量中包含有由水汽造成的延迟。如果电离层延迟、卫星轨道位置、干燥空气的延迟及晶振漂移这些影响可以足够准确的从相位延迟中去除．则由水汽造成的“湿的”相位延迟是可以测量的。ＣＯＳＭＩＣ卫星的轨道布局使得利用ＴＢＢ进行测量时可以很好的利用层面ｘ射线摄影技术。ＣＯＳＭＩＣ的ＴＢＢ试验将提供水汽的分布图像，这些图像可用于大气层的研究及改善天气预报。

２．４通过测量Ｄｏｐｐｌｅｒ频移提供ＣＯＳＭＩＣ卫星的位置。通过测量ＶＨＦ、ＵＨＦ和Ｌ波段信号相对于地面接收机参考频率的多普勒频移，可以得到卫星与接收机间的距离和相对速度。两个不同频率的信号可用于修正信号传播途径中电离层折射的影响。为了计算卫星轨道参量，需要地面上三台准确定位的接收机同时对ＴＢＢ的传播信号的多普勒频率进行带精确时间标签的测量。多普勒技术从１９７５年开始在卫星上使用，可提供３至５米的位置精确。大气阻力是扰动ＣＯＳＭＩＣ卫星轨道最难确定的因素。通过利用由ＣＯＳＭＩＣ的ＴＢＢ获得的多普勒测距数据则可得到卫星阻力模型的时变的全球改正。

３、仪器简介三频信标机试验要求信标机发射的三个频率的信号高度稳定并具有相位相关性。ＴＢＢ的三个载波频率（１５０．０１２删ｚ，４００．０３２ＭＨｚ和１０６６．７５２ｍＩｚ）是通过对工作于１６．６６８Ｍｌｔｚ的稳定温补

晶振产生的频率倍频后得到的，这里使用的晶振的稳定度为１０”秒／１５分钟。通过将晶振的频率转换至１６．６６５３３３ＭＨｚ可以得到另一组频率（１４９．９８８）肛Ｉｚ，３９９．９６８删ｚ和１０６６．５８１３３删ｚ），从而可适合于现有的用于ＴＲＡＮＳＩＴ卫星频率的地面接收机。目前ＴＢＢ所选择的三个信号频率可以提供最佳的ＴＥＣ灵敏度，以及抗电离层闪烁的能力。ＴＢＢ的载波生成示意图如图１所示。同时Ｌ波段的载波经过相位调制可以用来传送卫星数据至地面。当Ｌ波段的载波用于相位差分测量时，可不对Ｌ波段载波进行调制。

至１０６７ＭＨｚ天线

至４００ＭＨｚ天线

至１５０ＭＨｚ天线

图ｌ载波生成示意图ＶＨＦ和ＵＭＦ信号通过交叉偶极天线发射，并通过积分产生圆形极性。每一个偶极子具有一个４００ＭＨｚ的陷波电路以使其为双频的。Ｌ波段的信号通过由四个螺旋阵列组成的天线进行发射。三个天线在卫星下方保持圆形极性，而在卫星侧面则为水平极性。ＴＢＢ的发射机的功率及天线的增益必须保证在地面接收机前端能提供至少一１４０ｄＢ（１０。１７瓦）并具有相同相位的信号。

２５２４、探测原理ＣＯＳＭＩＣ的ＴＢＢ对大气层及电离层所进行的探测都依赖于测量从信标机传播至地面接收机的无线电波的相位变化的。这些相位变化是由于大气层折射率的波动、电离层的影响及卫星运动引起的。大气层折射率的变化主要与大气温度、密度及水汽压力有关。而电离层的影响主要与电离层

电子密度及磁场有关。ＴＢＢ的观测示意图如图２所示。图２ＴＢＢ观测示意图ＣＯＳＭＩＣ试验通过对由ＴＢＢ传播至地球的相位相关的两个频率（ｆ．和ｆ２）的连续无线电波信号进行差分可以确定电子密度。当用于观测的信号频率远高于等离子体频率ｆＰ时，可忽略信号抟播路径上的折射与磁场的影响，此时接收机所接收的距离为Ｄ的卫星信号的相位为：

邺＝了２ｒｄＤ＋孚』（‰＋ｋｆ）ｄｓ一爿ｎ。ｄＳ㈩

厂ｐ、２１

这里盯＝Ｉ÷Ｉ—二一，Ｎ为折射率。由于在发射机与接收机上都使用了高稳定度的参考晶

＼ｚ丌／ｍ。ｇｏ

振，因此相位的变化可以直接观钡４得到。通过对两个信号的相位观测量进行差分则可确定电离层的影响。根据公式（２）对两个相位分别除以两个信号频率的比，则可以得到传播路径上的积分电子密度。；ｃＩｎ。ｄｓ＝由ｌ揶２／Ｎ＋甲（２）

Ｒ这里Ｎ＝ｆｚ／ｆ・。当ｆ，＝１５０ＭＨｚ，ｆ２＝４００｝ＩＨｚ时，如果差分相位测量精度为０．１度，则ＴＥＣ测量精度可达Ｉ．９×１０”／ｍ一。对于另外一组频率，ｆ２＝４００ＭＨｚ，ｆ。＝１０６６ＭＨｚ时，相同的差分相位测量精度所得到的ＴＥＣ的精度为５．１ｘ１０”／ｍ～。ＴＥＣ的测量精度由每组信号中较低频率的信号决定，因

此１５０／４００ＭＨｚ这组信号可以提供最佳的解析度。由于相位测量中２ｎ的多重性，通过相位差分技术通常是无法获得绝对电子密度的。使用多个频率的信号进行差分可以解决２ｎ的模糊性。一旦确定了电离层对相位的影响，则可从公式（Ｉ）中将其消去。而通过精确测量干空气的压力并建立相应的模型，千空气的折射率也可以从公式（１）中消去。此时，公式（ｉ）中将只剩下湿空气影响所造成的相位延迟分量。而湿空气所造成的延迟本质上是信号传播途径上总水汽含量的测量值。嘣ｆ）＝等Ｋｄｓ（３）

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