畢會(huì)春

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

三頻信標(biāo)接收機(jī)處理軟件研制及應(yīng)用

畢會(huì)春

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

三頻信標(biāo)接收機(jī)是研究電離層的重要設(shè)備，數(shù)據(jù)處理軟件單元是三頻信標(biāo)接收機(jī)必不可少的部分。文章根據(jù)三頻信標(biāo)接收機(jī)處理軟件單元的需求進(jìn)行分析，給出理論依據(jù)，列出處理軟件計(jì)算TEC的流程設(shè)計(jì)和軟件模塊；再對(duì)編制的軟件進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試，給出測(cè)試結(jié)果，對(duì)比指標(biāo)要求說明軟件功能實(shí)現(xiàn)的正確性。最后指出三頻信標(biāo)接收機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)和更多應(yīng)用。

電離層；三頻信標(biāo)；軟件；TEC

在無線電通訊日益發(fā)展的今天，電離層是影響通訊傳輸和效率的關(guān)鍵問題之一。了解電離層的結(jié)構(gòu)變化和物理機(jī)制是無線通信和大氣科學(xué)中不可忽視的一個(gè)重要課題[1-2]。建立電離層信息系統(tǒng)是當(dāng)前電離層研究的一個(gè)方向。無論是在GPS應(yīng)用的Klobuchar改進(jìn)型，還是歐洲Gatileo定位應(yīng)用的NeQuick模型，雖然都是全球模型，但卻缺少中國(guó)的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此在中國(guó)建立電離層觀測(cè)站顯得尤為重要[3-5]。經(jīng)歷史記錄觀測(cè)表明，地震的發(fā)生與電離層的擾動(dòng)存在關(guān)聯(lián)[6-9]。三頻信標(biāo)接收機(jī)是研究電離層擾動(dòng)的重要設(shè)備。為對(duì)中國(guó)部分的電離層有更好的研究了解，地震局在溫州大學(xué)成立了三頻信標(biāo)觀測(cè)站，并立項(xiàng)進(jìn)行三頻信標(biāo)的研制[10-11]。

三頻信標(biāo)接收機(jī)由硬件部分和軟件部分組成，軟件部分運(yùn)行在系統(tǒng)計(jì)算機(jī)上，負(fù)責(zé)下載衛(wèi)星軌道根數(shù)和編制計(jì)算觀測(cè)計(jì)劃、控制數(shù)字采集接收衛(wèi)星信號(hào)并進(jìn)行存儲(chǔ)，對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行多普勒信號(hào)提取和重建電離層TEC等參數(shù)。因此，軟件部分是三頻信標(biāo)接收機(jī)正常工作必不可少的部分。

1 核心算法：差分多普勒測(cè)TEC

差分多普勒(Doppler)技術(shù)是一種測(cè)量電離層總電子含量的方法，它由測(cè)量電離層電波射線的線積分計(jì)算。差分多普勒微分技術(shù)是基于衛(wèi)星與地面臺(tái)站之間的電波相位路徑的改變，或是由于電離層的影響，地面臺(tái)站接收到的衛(wèi)星信號(hào)頻率發(fā)生偏移。

由衛(wèi)星接收機(jī)接收的信號(hào)，在大尺度電離層結(jié)構(gòu)下，其仰角大于 5度是，傳播路徑可視為直線。電離層的等離子體頻率可表示為：

其中eN為電子密度，e為電荷，m為電子質(zhì)量（Kg），0ε為介電系數(shù)（F/m），將e=-1.602×10-19庫侖，m=9.109×10-31Kg，0ε=8.854×10-12代入可得

當(dāng)電磁波在電離層中傳播是，其折射系數(shù)n可表示成

當(dāng)電磁波頻率f>>等離子體頻率fp時(shí)，可將折射系數(shù)n以二項(xiàng)式展開趨近如下式：

電磁波接收站接收的電磁波相位（rφ）和電磁波發(fā)射站發(fā)射的電磁波相位（sφ）之間的的關(guān)系式為

其中ω為角頻率，L為接收站至發(fā)射站的光學(xué)距離。電磁波相位對(duì)時(shí)間的變化為

所以多普勒頻移Δf為：

前一項(xiàng)為衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)所引起的頻移，后一項(xiàng)為電離層所引起的頻移。為得到電離層對(duì)電磁波傳播所引起的影響項(xiàng)，衛(wèi)星發(fā)射兩個(gè)同相不同頻的電磁波，，為參考頻率，這樣可以消去第一項(xiàng)所引起的頻移。則在時(shí)間t的差分多普勒頻移可表示為：

兩邊積分得

其中)(tΦ為可測(cè)量的差分多普勒頻移相對(duì)量，0Φ為未知的相位積分常數(shù)或初始相位值。電離層的全電子含量TEC定義為電子密度沿傳播路徑的積分，所以全電子含量TEC可表示為

2 需求分析和軟件設(shè)計(jì)

軟件需求分析：

（1）實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軌道自動(dòng)預(yù)報(bào)。能夠自動(dòng)下載衛(wèi)星軌道根數(shù)，自動(dòng)計(jì)算預(yù)報(bào)衛(wèi)星軌道，實(shí)現(xiàn)能24小時(shí)無人值守系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（2）差分多普勒提取，電離層電子密度自動(dòng)解算，重建電離層TEC參數(shù)。

（3）衛(wèi)星三頻通道頻譜顯示，數(shù)據(jù)處理結(jié)果成圖顯示。

（4）處理結(jié)果自動(dòng)發(fā)送到指定ftp服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)備份保存。

（5）相對(duì)TEC分辨能力0.1TEC。

根據(jù)需求分析，三頻信標(biāo)接收機(jī)軟件單元部分可分為五部分：①運(yùn)行控制程序（mdbrManage）；②軌道預(yù)報(bào)程序（mdbrPassPlan）；③數(shù)據(jù)采集程序（mdbrUhdObs）；④數(shù)據(jù)分析軟件（mdbrTecAnalysis）；⑤以及軌道根數(shù)自動(dòng)下載程序（mdbrGetNorad）。軟件各單元程序模塊框圖關(guān)系如圖1。

運(yùn)行控制程序（mdbrManage）為三頻接收系統(tǒng)的數(shù)字控制程序，開機(jī)后會(huì)自動(dòng)啟動(dòng),然后調(diào)用其他程序來完成衛(wèi)星信號(hào)的接收和后續(xù)的資料收集和處理過程。系統(tǒng)計(jì)算機(jī)開機(jī)后，運(yùn)行運(yùn)行控制軟件（mdbrManage），該軟件會(huì)調(diào)用軌道預(yù)報(bào)程序（mdbrPassPlan）以及數(shù)據(jù)采集程序（mdbrUhdObs），自動(dòng)編制觀測(cè)計(jì)劃并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。運(yùn)行控制程序使用Python語言編寫，運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)下，其程序調(diào)用流程如圖2。

軌道根數(shù)自動(dòng)下載程序（mdbrGetNorad）用于從網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)下載衛(wèi)星軌道根數(shù)。

衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)程序（mdbrPassPlan）是根據(jù)地面接收站信息（地理經(jīng)度、緯度、高度）、衛(wèi)星軌道根數(shù)和時(shí)間，計(jì)算觀測(cè)周期期間途經(jīng)接收站的衛(wèi)星數(shù)量、名稱、時(shí)間、方位和頻率等信息，供運(yùn)行控制軟件使用。衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)使用python語言編寫，運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)下。

數(shù)據(jù)分析軟件（mdbrTecAnalysis）軟件則進(jìn)行資料處理與分析, 并保存所得結(jié)果。數(shù)據(jù)分析軟件將讀取接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，使用差分多普勒技術(shù)，提取多普勒頻移信息，同時(shí)給出頻點(diǎn)強(qiáng)度。同時(shí)使用地面接收站和衛(wèi)星軌道信息，重建電離層總電子數(shù)量和S4參數(shù)。電離層信息重建軟件使用python語言編寫，運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)下。

數(shù)據(jù)采集程序讀取把數(shù)字采集單元采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份存儲(chǔ)和管理；同時(shí)把數(shù)據(jù)分析軟件給出的處理結(jié)果進(jìn)行備份存儲(chǔ)和管理。最后根據(jù)要求，把電離層層析結(jié)果上傳到規(guī)定存儲(chǔ)地方。數(shù)據(jù)采集程序使用python語言編寫，運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)下。

軟件單元程序模塊框圖如圖1所示：

圖1　軟件各單元程序模塊框圖關(guān)系

圖2　運(yùn)行控制程序調(diào)用流程圖

圖3　程序執(zhí)行過程中文檔調(diào)用關(guān)系圖

軌道預(yù)報(bào)程序由python語言編寫，它接收接收機(jī)所處位置的經(jīng)度、緯度、時(shí)間、高度和衛(wèi)星頻率偏置情況（在satellite_param.dat中），計(jì)算預(yù)報(bào)接下來的衛(wèi)星數(shù)量、名稱、日期、衛(wèi)星俯仰角以及出現(xiàn)的時(shí)間等信息，生成軌道根數(shù)和飛行預(yù)報(bào)文件，若接收機(jī)鎖定衛(wèi)星，則運(yùn)行下面數(shù)據(jù)采集程序，直到衛(wèi)星飛離接收機(jī)接收信號(hào)范圍，數(shù)據(jù)進(jìn)入存儲(chǔ)硬件中，若運(yùn)行數(shù)據(jù)分析文件，則可生成直觀的運(yùn)行結(jié)果圖。

程序執(zhí)行過程中文檔調(diào)用關(guān)系如圖3，其中Norad.dat為軌道根數(shù)文件，由軌道根數(shù)文件自動(dòng)下載程序生成，包含測(cè)站需要觀測(cè)衛(wèi)星的二行根數(shù)參數(shù)。

Pass.pln為觀測(cè)計(jì)劃文件，由軌道預(yù)報(bào)程序（mdbrPassPlan）生成，包含衛(wèi)星升起落下時(shí)間。

YYYY-MM-DDHHMM-flight.dat為衛(wèi)星飛行預(yù)報(bào)文件，由軌道預(yù)報(bào)程序（mdbrPassPlan）生成，包含衛(wèi)星飛行時(shí)刻、方位、俯仰、距離、速度以及星下點(diǎn)位置等信息。每個(gè)衛(wèi)星的跟蹤弧段都會(huì)有一個(gè)文件，如2014-11-24T20h04m_ COSMOS2407_flight.dat，表示COSMOS 2407在2014年11月24日20時(shí)04分開始的一個(gè)跟蹤弧段

YYYY-MM-DDHHMM-flight-vhf.dat和 YYYY-MMDDHHMM-flight-uhf.dat為信號(hào)記錄文件由數(shù)據(jù)采集程序生成，包含衛(wèi)星信號(hào)記錄數(shù)據(jù)，為二進(jìn)制格式。每個(gè)衛(wèi)星的每一跟蹤弧段，都會(huì)記錄有數(shù)據(jù)文件。如2014-11-24T20h04m_ COSMOS2407_vhf.dat，表示COSMOS 2407在2014年11月24日20時(shí)04分跟蹤弧段，記錄的150MHz信號(hào)。

Scan-oooo.tec為相對(duì)電離層文件由數(shù)據(jù)分析軟件生成，包含觀測(cè)衛(wèi)星跟蹤弧段的觀測(cè)結(jié)果。文件格式為：

time(s) 400MHz(pow freq) 150MHz(pow freq) TEC(TECu) STD_TEC (Total 7967 lines

0,1.30481,10091.2,60.9789,3784.13,0.0186212, 0.00876039

3 測(cè)試結(jié)果與分析

下面分別給出衛(wèi)星COSMOS 2407，COSMOS 2414在佘山站的觀測(cè)數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)處理軟件單元運(yùn)行得出的結(jié)果（圖4和圖5）。每個(gè)圖中有6個(gè)圖，分別是衛(wèi)星的飛行距離，方位/俯仰軌跡，信號(hào)頻譜圖，相對(duì)電離層圖，以及相對(duì)電離層殘差圖。

圖4　軟件處理COSMOS 2407數(shù)據(jù)結(jié)果圖

圖5　軟件處理COSMOS 2414數(shù)據(jù)結(jié)果圖

從圖中可以清楚的看到衛(wèi)星經(jīng)過時(shí)，收到衛(wèi)星各種參數(shù)的變化和，第一個(gè)圖可看出衛(wèi)星經(jīng)過接收機(jī)時(shí)，衛(wèi)星距離結(jié)收機(jī)的距離為從大到小變化，在衛(wèi)星講過接收機(jī)正上方時(shí)，距離最小。第二個(gè)圖顯示衛(wèi)星在天上運(yùn)動(dòng)時(shí)，衛(wèi)星相對(duì)于接收機(jī)的方位/俯仰軌跡，因衛(wèi)星是周期性飛行，所以顯示其方位/俯仰軌跡為類橢圓形。第三個(gè)圖顯示接收到的 150M信號(hào)頻率變化，因信號(hào)經(jīng)傳播出現(xiàn)耗損，天空中也存在許多干擾信號(hào)，所以150MHz衛(wèi)星信號(hào)顯示不明顯，幾乎被干擾信號(hào)所淹沒，圖四則能清晰顯示出400MHz的頻率變化，從主可以看出由衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)所引起的多普勒頻移現(xiàn)象，圖五為由衛(wèi)星信號(hào)反演得到的電離層電子含量（TEC），圖六為解算出的相對(duì)電離層殘差，總體上小于0.01TEC，滿足相對(duì)TEC的分辨能力為0，1TEC的要求。

4 結(jié)束語

三頻信標(biāo)軟件處理單元是三頻信標(biāo)接收機(jī)必不可少的部分，能直觀的顯示出三維電離層圖像，經(jīng)處理得出的數(shù)據(jù)文件還可以進(jìn)一步處理，得出實(shí)時(shí)的電離層含量濃度的動(dòng)態(tài)分布圖，在通信和地震預(yù)測(cè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。但由于其本身的技術(shù)特點(diǎn)，無法得到全球的電子密度分布情況。

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The development and application on tri-band beacon receiver data processing software

Tri-bang beacon receiver is the import equipment to study ionosphere,and the data processing software unit is a crucial part of the tri-band beacon receiver.This article first to analyze the requirements of tri-band beacon receiver software unit, giving the theoretical basis,providing the data processing software process design and software modules for calculating TEC.Then testing the software in detail and giving the test results,illustrate the correctness of software by contrast index requirements.Finally,it points out the advantages and disadvantages of tri-band beacon receiver and more applications.

Ionosphere;tri-band beacon;software;TEC

TN92

A

1008-1151(2015)07-0013-04

2015-06-13

畢會(huì)春（1987－），男，河北石家莊人，桂林電子科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殡婋x層擾動(dòng)研究。