張榮楷,單海濱,曹 靜,楊伍琳

(廣州氣象衛(wèi)星地面站,廣東廣州510640)

0 引言

電離層是地球大氣的一個電離區(qū)域,距地表60 km以上的整個地球大氣層都處于部分電離或完全電離的狀態(tài)。電離層的主要特性由電子密度、電子溫度、碰撞頻率、離子密度、離子溫度和離子成分等空間分布的基本參數(shù)來表示。實際上的電離層由塊狀的、云一般的、不規(guī)則的電離的團(tuán)或者層組成。太陽耀斑和地磁磁暴的爆發(fā)對電離層具有極大的影響。

我國泛珠三角地區(qū)處于磁赤道異常區(qū)的峰值區(qū)域,是全球范圍內(nèi)電離層閃爍衰落出現(xiàn)最頻繁、影響最嚴(yán)重的區(qū)域之一。近50年來,人們逐漸認(rèn)識到地球的陸地、大氣和海洋環(huán)境外,還存在與人類的生存發(fā)展息息相關(guān)的由太陽、行星際、地球磁層、電離層和中高層大氣所組成的日地空間環(huán)境[1]。惡劣的空間天氣也會造成衛(wèi)星失效乃至隕落、通信中斷、導(dǎo)航跟蹤失誤和電力系統(tǒng)損壞等,甚至危及人類的健康與生命[2-4]。隨著大氣探測和衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展,從風(fēng)云衛(wèi)星在軌運行的實踐中,人們越來越意識到深入探測高層大氣和地球空間的重要性。

幾年來對電離層研究有較大的發(fā)展,主要是通過GPS信號進(jìn)行電離層的閃爍研究[5]。文中監(jiān)測儀是利用FY-2衛(wèi)星信號進(jìn)行這方面的探索,為更好地在氣象和衛(wèi)星等領(lǐng)域應(yīng)用推廣,該設(shè)計是在接收FY-2展寬云圖的基礎(chǔ)上增加了閃爍監(jiān)測和星上多個輻射計的遙測信號的接收功能,目前,靜止氣象衛(wèi)星實現(xiàn)了雙星在軌的運行方式,這些對實現(xiàn)電離層的監(jiān)測研究提供了很好的前提條件。

1 FY-2衛(wèi)星信號電離層閃爍監(jiān)測儀構(gòu)建

目前FY-2靜止氣象衛(wèi)星展寬云圖廣泛使用直徑2.3 m的拋物面天線進(jìn)行接收,該儀器集合了FY-2云圖接收、星上遙測數(shù)據(jù)接收和衛(wèi)星信號電離層閃爍檢測 3部分。其中云圖接收處理的是1.6 GHz的數(shù)字調(diào)制信號,遙測數(shù)據(jù)接收和電離層閃爍信息都是通過處理1.7 GHz的衛(wèi)星信號獲得。

星上遙測信息是2kHz的比特流,以相移鍵控的方式調(diào)制在32kHz的副載波上,再把調(diào)制后的32 kHz信號和75 kHz、160kHz的模擬調(diào)制信號混合,一起調(diào)制在1.7 GHz的載波上。設(shè)備框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備框圖

衛(wèi)星信號通過拋物面發(fā)射聚焦,焦點上的饋源接收到信號,經(jīng)過高頻放大,進(jìn)行第一次變頻。變頻后,1.7 GHz的遙測信號變?yōu)榈皖l信號,一中放把變頻后的云圖和遙測信號再進(jìn)行放大。其中饋源、低噪聲放大、變頻、一中放都安裝在天線上。中放后的信號頻率較低,遠(yuǎn)距離傳輸衰減小,也便于后端處理,其他設(shè)備安裝在機(jī)房里。經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸后的一中信號被3功分器一分為三,分別進(jìn)入云圖接收處理、電離層閃爍處理和遙測解調(diào)數(shù)據(jù)處理電路進(jìn)行處理。

2 云圖接收部分

首先經(jīng)過帶通濾波器,再進(jìn)行放大和變頻,變頻后,再經(jīng)過鎖相環(huán)解調(diào)、整形電路和時鐘提取等電路處理,輸出數(shù)據(jù)信號和時鐘信號。再經(jīng)過USB數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入微機(jī),進(jìn)行接收和顯示處理。云圖接收框圖如圖2所示。

圖2 云圖接收框圖

3 遙測數(shù)據(jù)信號處理

星上的遙測數(shù)據(jù)信號經(jīng)過調(diào)制、混合、再調(diào)制的信號,成分比較復(fù)雜。要經(jīng)過二次調(diào)制才能解調(diào)出數(shù)據(jù)來。且為了保證云圖信號的質(zhì)量,云圖信號強度遙測信號比大很多。為減少云圖信號對遙測信號的干擾,本電路在二次變頻前進(jìn)行帶通濾波、放大、濾波的兩次濾波放大處理。

通過中頻帶通濾波,中頻放大后輸入到鎖相解調(diào)電路。由于衛(wèi)星信號從L波段經(jīng)傳輸、變頻處理到10.7 MHz時有一定范圍頻率漂移,鎖相環(huán)需要一定的捕捉范圍。鎖相解調(diào)的難點在于要兼顧解調(diào)出來的調(diào)相信號強度和捕捉范圍兩方面的要求。要想解調(diào)出來的信號強,捕捉范圍就窄,這就不容易捕捉到信號;要想捕捉范圍大,解調(diào)出來的信號就弱,又不利于下一步對解調(diào)后的信號處理。為了解決這個問題,在鎖相環(huán)中增加了掃描電路。在鎖相環(huán)失鎖期間用單片機(jī)輸出輸出鋸齒波掃描電壓,一旦鎖定則停止掃描,即時保持該電壓。由鎖相環(huán)跟蹤中頻變化,解調(diào)出調(diào)相信號。這樣鎖相環(huán)本身的捕捉范圍可以適當(dāng)小一點,解調(diào)出來的調(diào)相信號比較強。

解調(diào)電路解調(diào)出來的 32 kHz、75 kHz、160 kHz合成信號,由于調(diào)制后的32 kHz信號也并非單一信號,需要比較寬的帶通濾波進(jìn)行提取,而75 kHz、160 kHz的模擬調(diào)制信號很強。為了減少75 kHz、160 kHz信號的影響,首先對 75 kHz、160 kHz信號進(jìn)行陷波,再進(jìn)行32 kHz的帶通濾波,選出比較接近理想的32 kHz遙測信號。經(jīng)過鎖相環(huán)解調(diào)后得出2 kHz比特流信號,再經(jīng)過鎖相電路、時鐘提取電路得到數(shù)據(jù)時鐘信號。經(jīng)過單片機(jī)的接收、幀同步提取處理后用4 800 bits/s的速率傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。遙測解調(diào)的框圖如圖3所示。

圖3 遙測解調(diào)框圖

4 電離層閃爍檢監(jiān)測的硬件的實現(xiàn)

電離層閃爍檢測部分將遙測信號變頻后的中頻信號進(jìn)行濾波、放大、再濾波后,進(jìn)行變頻,以獲得2.5 MHz的信號,將其放大到0.5 V左右的幅度,直接進(jìn)入高速A/D采集電路,采集電路的精度為14位,以6 MHz的采樣速率進(jìn)行采集,采樣后的數(shù)據(jù)速率為96Mbits/s,經(jīng)過USB接口送到計算機(jī)。由于計算機(jī)的Windows操作系統(tǒng)是多用戶的分時操作系統(tǒng),為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)完整,采集電路增加了大容量的高速緩存芯片,以防止因計算機(jī)的分時操作使數(shù)據(jù)堵塞。

由于同步衛(wèi)星不是在地球赤道上發(fā)射,衛(wèi)星在入軌時,相對衛(wèi)星軌道平面并非零度,軌道平面和赤道平面不完全重合,衛(wèi)星相對地面就會出現(xiàn)8字情況,即衛(wèi)星相對天線的角度并非固定,一天之內(nèi)有一個周期的變化,有時偏離天線所指方向大,有時小,有時為零。使信號場強變化較大,到達(dá)A/D采集的電平只有0.1 V,太小了,影響A/D采樣精度。為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度,計算機(jī)發(fā)現(xiàn)幅度太小時可通過串口往單片機(jī)MGC控制電路適當(dāng)改變中頻放大的增益,使電平幅度往0.5 V靠。

計算機(jī)通過對信號數(shù)據(jù)快速傅氏變換等模式計算,實現(xiàn)對頻譜、相位和幅度閃爍分析。閃爍檢測框圖如圖4所示。

圖4 閃爍檢測框圖

5 結(jié)束語

基于目前遍布全國的靜止氣象衛(wèi)星展寬云圖接收設(shè)備,利用其接收機(jī)天線、高頻及第一中頻通道的情況下進(jìn)行設(shè)計,因此有利于未來在全國范圍內(nèi)進(jìn)行推廣和組網(wǎng)監(jiān)測[6],為電離層閃爍監(jiān)測研究打好基礎(chǔ)。

[1]黃 江,趙文化,唐云秋,等.空間天氣對廣東電網(wǎng)的影響[J].廣東氣象,2007,29(1):11-12.

[2]曹 靜,單海濱,黃 江,等.發(fā)展廣東省空間天氣軌道的思考[J].廣東氣象,2006(3):6-9.

[3]郭延波,焦培南,凡俊梅,等.電離層多普勒頻移的預(yù)測[J].現(xiàn)代雷達(dá),2008,30(11):32-35.

[4]劉 鈍,馮 健,鄧忠新,等.電離層閃爍對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的定位影響分析[J].全球定位系統(tǒng),2009(6):1-8.

[5]李國主,寧百齊,袁 洪.GPS電離層閃爍實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電波科學(xué)學(xué)報,2005,20(6):758-763.

[6]單海濱,王勁松,張效信,等.基于風(fēng)云二號衛(wèi)星信號的電離層閃爍監(jiān)測[D].廣東:中國氣象學(xué)會,2007:480-481.