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| 中国科学院国家授时中心关于“低频时码信号”的研究成果 | MDPI Sensors |
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论文标题：Variation of Low-Frequency Time-Code Signal Field Strength during the Annular Solar Eclipse on 21 June 2020: Observation and Analysis（2020年6月21日环形日食期间低频时码信号场强变化：观测与分析）
期刊：Senors
作者：Xin Wang, Bo Li, Fan Zhao, Xinyu Luo, Luxi Huang, Ping Feng and Xiaohui Li
发表时间：9 February 2021
DOI：10.3390/s21041216
微信链接：
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI1MzEzNjgxMQ==&mid=2650045701&idx=4&sn=
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期刊链接：
https://www.mdpi.com/journal/sensors
文章导读
“低频时码授时技术”作为国际电信联盟 (ITU) 推荐的授时方式，因其终端设备能耗低、使用方便等特点，具有巨大的发展潜力。“低频时码信号”依靠天波和地波进行远距离传输，然而，当日环食发生时，引起环食带上空的电离层产生变化，导致传播路径上的低频时码信号特性改变，从而影响到该区域内用户终端的性能。
由于相关实验和测量数据的缺乏，日环食期间低频时码信号的传输机制和信号参数的变化仍未可知。来自中国科学院国家授时中心的王昕博士、冯平研究员、李孝辉研究员及其团队于2020年6月21日日环食发生当天，在海南省三亚市对低频时码信号进行了测试，探索低频时码信号的变化特性，并将其成果发表在Sensors上。
实验方案
低频时码信号依靠电离层的反射进行远距离传播，当日环食爆发时，环食带垂直上方的电离层变化会影响低频时码信号的天波。探究日食对低频时码信号的影响，信号反射点需要设置在环食带内，测试地点应设置在信号反射点的镜像点。在反复搜索和验证的基础上，本次实验以海南省三亚市作为试验地点，天波反射点设置于湖南省衡阳市。考虑到信号的场强可以直接、真实地反映其空间强度，其有效测量值可作为评价低频时码信号覆盖范围和通信效率的最重要参数，课题组研制了专用的信号场强测量设备 (见图1、图2)。
图1. 日环食观测实验方案设计。
图2. 信号场强测量设备原理。
数据分析
实验结果表明，相比于参考日 (6月20日、6月22日) 日均2-4dBμV/m的变化范围，在日环食发生过程中，低频时码信号场强短期内变化剧烈，共发生“三次突变”，增长值最高达到17dBμV/m (见图3)。
图3. 日环食当天与前后日低频时码信号场强对比。
随后，课题组对测试数据进行了分析，排除了太阳活动和地磁场变化对低频时码信号的影响，确认信号场强变化是由日环食对电离层影响所导致。当日环食发生时，太阳被遮挡，从而导致电离层的离子和电子浓度降低，愈合逐渐加速。这一变化使低频时码信号在传播过程中的衰减减弱，却在到达地面时增强。复圆后，随着太阳射向地球的带电粒子密度恢复，低电离层反射高度逐渐降低，低频时码信号场强也缓慢恢复到参考日值 (见图4)。
图4. 2020年6月21日低频时码信号场强变化的趋势 (E1、E2和E3分别对应初亏、食甚和复圆阶段)。
研究总结
课题组对日环食爆发时低频时码信号的变化进行了研究，发现信号场强在日环食爆发时呈现出“三升三降”的规律。由于初亏时月球逐渐遮挡太阳，导致电离层的电离度降低，电子浓度降低，电离层反射高度增加，信号因此随之变化；复圆后，信号变化呈现缓慢振荡趋势，最终达到稳定状态。此外，结合对太阳活动、电离层、地磁等数据分析，课题组还发现日环食爆发当天太阳活动趋于平静，且未发生磁暴现象。因此可以推断出，场强的剧烈变化是由日环食的不同阶段内电离层变化而引起的。该研究结果为在电离层剧烈变化时如何保证低频时码信号的正常接收提供了参考思路。
Sensors期刊介绍
期刊主要刊载传感器科学和技术研究领域的学术文章。在JCR Instruments & Instrumentation学科分类中排名居Q1 (14/64)，在Scopus Physics and Astronomy: Instrumentation学科分类中排名居Q1 (13/128)。
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