春秋季广州站测距异常探因
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【摘 要】2011年的春、秋两季夜，广州站静止气象卫星FY-2C（123.5°E）、FY-2D星（86.5 °E）测距跟踪系统多次发生异常，在排除了星―地链路之外的所有因素外，通过综合分析及与我站GPS电离层闪烁监测资料、FY-2D电离层闪烁监测资料结合比对，发现异常由电离层闪烁引起。
0 引言
微波具有直线传播及穿越电离层而不被反射的能力，因此被广泛用于卫星通信、卫星测距等领域。
FY-2系列静止气象卫星三点测距就是通过测量微波信号在地面-卫星-地面之间的传播时间来计算出卫星到三个地面站的距离，从而实现对空中卫星进行准确定位的。
微波信号在星-地之间传输时要穿越电离层，而电离层闪烁会引起信号畸变甚至中断，对测距而言会导致测距失败。
1 FY-2系列静止气象卫星测距系统
1.1 FY-2系列静止气象卫星
FY-2系列气象卫星是我国自主研制的静止气象卫星，定点于离地面高度35786km的赤道某一经度的上空，可连续、重复不断地对其覆盖的1/3地球表面进行实时观测，每隔1h或0.5h获得一幅各个通道的地球全景圆盘图。
目前我国已成功发射了A、B、C、D、E、F共6颗FY-2系列静止气象卫星，现在轨运行的有四颗，它们分别是位于赤道上空定点于东经123.5°的FY-2C星、定点于东经86.5°的FY-2D星、定点于东经105°的FY-2E星和定点于东经112°的FY-2F星[1-3]。
静止气象卫星相对地球而言，虽然相对静止、同步，但由于受太阳、地球、月球摄动力的共同影响，会产生东西及南北方向的来回漂移，其漂移的合成结果，使得卫星星下点轨迹呈∞字形。
为了使FY-2系列卫星星载扫描辐射计获取的地球表面云图具有准确的区域性，需要在云图上嵌入准确的经纬线，要获得正确的经纬数据，地面控制系统必须对卫星的轨道位置进行测距从而精确定位。
1.2 测距原理及测距系统
FY-2系列静止气象卫星三点测距通过测量微波信号在主站-卫星-副站-卫星-主站之间的传播时间来计算出卫星到三个地面站的距离，从而实现对空中卫星进行准确定位的。
三点测距系统由一个主站和两个副站组成，测距主站位于北京，测距副站分别位于乌鲁木齐和广州。
2 广州站测距的卫星及测距异常时的规律
广州站是三点测距副站之一，有两套测距设备，分别为01套和02套。2011年，01套负责FY-2C（123.5°E）的测距，02套负责FY-2D（86.5°E）的测距。
2011年春、秋分前后的晚上北京时21：00左右，广州站测距设备常发生不明原因异常现象：就是测距设备接收到的L波段遥测信号幅度起伏变化大，根本无法测距，这是由于接收机失锁导致的。
出现测距异常时有伴随着一些规律，就是：1）多发生在春、秋季，有明显的季节依赖性；2）基本都出现在日落后的晚上北京时的20：00―24：00的某个时段内，与地方时密切相关；3）有一定的方向，即先发生在西边的FY-2D星，约半小时后转移到东边的FY-2C星。异常现象较剧烈，持续时间从20多分钟到1小时不等，随后自行消失。
3 测距异常排查
在测距异常时，我们做了各项排查工作，排除了以下有可能引起测距异常的因素：
（1）认真检查了设备及设备各部分之间的接线，排除设备因素及设备间接线接触不良原因引起；
（2）测量干扰，没有测到强干扰，偶尔测到一些较弱的干扰，排除干扰原因引起；
（3）在傍晚时分测设备的电源纹波，测得纹波在正常范围，排除晚上用电高峰电源纹波大原因引起；
（4）测距异常时，马上电话询问北京测距副站及乌鲁木齐副站，他们反映遥测信号一直很稳定，排除卫星信号不稳定原因引起；
（5）通过查询国家卫星气象中心网站的公告，知道基地对卫星实行轨控和姿控都是安排在白天，排除在对卫星实行轨控和姿控时段引起；
（6）查阅往年的测距值班记录，发现2005、2006、2007年没有出现异常，2008年出现4次异常，都出现在春季，2009年没有出现异常，2010年出现9次异常，其中春季7次，秋季2次。
2011年全年出现28次，其中春季10次，夏季2次，秋季16次，频繁且强度增强，很显然，随着太阳活动的增强，出现异常的现象逐年在递增。
4 电离层闪烁及其特征
电离层为大气层的一部分，其涵盖范围大约是距地球表面80～640km的高度。在此高度范围内，部分气体由于受到太阳辐射的影响而产生游离化现象，形成带电荷的离子以及带负电荷的电子。
电离层存在的不规则体结构会引起穿越电离层的信号的强度和相位快速随机起伏，造成信号畸变，导致地面接收到的卫星信号信噪比降低，信号捕捉跟踪困难，[4]这种现象称为电离层闪烁。
电离层闪烁与太阳活动有明显的相关性，闪烁多发生在太阳活动高年的春秋季节。
我国境内电离层闪烁高发区大致位于东经100°-130°，北纬10°-26°[1-5]。
5 广州站春、秋季测距异常分析
广州站测距异常时，用频谱仪可测量得：接收到的卫星下发的L波段遥测信号跳变剧烈，幅度衰减瞬间达20dbm。是什么因素使得卫星传输到广州站的遥测信号衰减如此之大，变化如此之剧烈，而北京，乌鲁木齐站却不受影响？排除了以上种种原因后，就只剩下星-地链路了。
在星-地链路中，能影响电波传输的就是电离层，我站地理位置为东经113°北纬23°，正好处于磁赤道异常区北驼峰附近，是电离层闪烁事件的频发区域，也是对穿越其上空的电波影响最严重的区域之一，因此遥测信号在穿越电离层时遇电离层闪烁，信号必然受影响。而北京、乌鲁木齐站属中纬度区域，影响不大。
广州站在2008年安装了GPS电离层闪烁监测仪，10年安装了FY-2D电离层闪烁监测仪，这为我们分析测距异常与电离层闪烁的关系提供了直接、准确的数据和科学的依据。
通过调用我站电离层闪烁监测资料及比对，我们发现每次FY-2系列卫星测距异常时，GPS都能监测到电离层闪烁事件的发生，而且异常发生的先后顺序（先D星后C星），时间都与电离层闪烁的特征（太阳下山后、由西往东漂移）吻合。
FY-2D星穿刺点为（110.92°E，21.41°N）与FY-2C星穿刺点为（112.65°E，21.45°N）两颗卫星在电离层穿刺点之间的距离约223KM，，广州地区不规则体的漂移速度按130m/s来计算，从D星漂移到C星需27分钟，这与我们观察到的先是D星跟踪异常，约半小时后C星异常较吻合，进一步说明了测距遥测信号异常与电离层闪烁高度相关。
6 2011测距异常与GPS电离层闪烁监测比对
图1为广州站2011年3月电离层S4闪烁百分比分布图。从图1可看出，广州上空在3月1日、8日、25日、26日、27日、28日北京时晚上20：00后有强闪烁事件发生，同时这几天晚上广州站测距出现明显的异常，异常时间与闪烁时间吻合。
图1 广州站2011年3月电离层S4闪烁百分比分布图
图2为2011年10月17日GPS和FY-2D星监测到的闪烁指数S4随时间变化，从图中可以看出北京时20：00-24：00发生了一次强闪烁（用两条实线相间隔），广州站同时出现测距异常，该时段接收到的FY-2E圆盘图丢线严重。
图2 GPS与FY-2D星S4闪烁指数S4随时间变化图
7 结语
太阳活动高年的2011年春、秋季期间广州站FY-2系列静止气象卫星测距异常由电离层闪烁引起。从FY-3A的实时接收过程发现，电离层闪烁影响的频率波段从L波段到X波段都有。比如2011年10月24日北京时21：45，FY-2C测距异常，在实时接收FY-3A极轨卫星云图时，L波段的HRPT信号幅度衰落达16dbM，X波段的MPT、DPT信号幅度衰落达9dbM就是很好的证明。
【参考文献】
[1]单海滨.利用风云二号卫星信号进行电离层闪烁监测的方法[J].气象，2010，06.
[2]涂师聪.电离层闪烁对卫星通信的影响[J].无线电通信技术，1990（2）.
[3]傅俊璐.电离层闪烁对海事卫通HSD传输性能的影响[J].无线电工程，2008，38（7）：43-46.
[4]尚社平，史建魁.赤道地区L-波段电离层闪烁的形态特性[J].电波科学学报，2006，21（3）：410-415.