徐　波,馮　健

(中國(guó)電波傳播研究所,山東 青島 266107)

基于北斗衛(wèi)星信號(hào)的電離層環(huán)境測(cè)量

徐波,馮健

(中國(guó)電波傳播研究所,山東 青島 266107)

摘要：當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)穿越電離層傳播時(shí),電離層會(huì)帶來(lái)時(shí)延、閃爍等效應(yīng)?；谛l(wèi)星信號(hào)的變化可以提取電離層電子總含量、閃爍指數(shù)等參數(shù)信息。北斗系統(tǒng)的發(fā)展為在中國(guó)區(qū)域的電離層環(huán)境測(cè)量提供了更為豐富的信號(hào)源。文章介紹了基于北斗衛(wèi)星信號(hào)的電離層測(cè)量設(shè)備的組成,電離層參數(shù)的計(jì)算方法,并給出了初步的觀測(cè)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：北斗;電離層;總電子含量;閃爍

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.009

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：： 1008-9268(2015)02-0040-03

收稿日期：2015-02-11

作者簡(jiǎn)介

Abstract:The satellite signal is prone to the delay and scintillation effects when transmitting through the ionosphere. On the other hand, the TEC and scintillation index could be obtained from the changes of signals imposed by these effects. The Beidou system affords more signals for measuring the ionospheric environment especially for Chinese region. An ionospheric monitor with Beidou signals is introduced in the paper. The methods of deriving ionospheric parameters are presented, and the primary results are also given.

0引言

地球電離層是近地空間環(huán)境的重要組成部分,是地面約60 km 以上到磁層頂之間的整個(gè)空間。星地?zé)o線電系統(tǒng)工作時(shí)將不可避免地受到電離層的影響,這些影響主要包括時(shí)延、相移、色散、極化旋轉(zhuǎn)和閃爍等[1]。因此,電離層環(huán)境的測(cè)量和研究不但具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值,也具有很好的科學(xué)意義。

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,給電離層環(huán)境測(cè)量帶來(lái)了革命性的變化[2-4]。2012 年12 月27 日,北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)宣布投入正式運(yùn)行[5]。北斗系統(tǒng)的運(yùn)行在中國(guó)區(qū)域可以提供更多的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)源,為中國(guó)區(qū)域電離層環(huán)境監(jiān)測(cè)能力的提升提供了可能[5-6]。由于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容[7],當(dāng)用于電離層觀測(cè)時(shí),使得觀測(cè)鏈路增加,增大了觀測(cè)范圍,提升了觀測(cè)精度[8]。

本文介紹了一種利用我國(guó)北斗衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行電離層測(cè)量的設(shè)備,利用該設(shè)備可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所在區(qū)域上空電離層總電子含量和閃爍指數(shù)。

1電離層測(cè)量設(shè)備組成

基于北斗衛(wèi)星信號(hào)的電離層測(cè)量設(shè)備主要由主機(jī)和天線組成,主機(jī)由北斗衛(wèi)星信號(hào)接收處理模塊、電離層數(shù)據(jù)處理模塊和電源模塊三個(gè)模塊組成,設(shè)備組成原理框圖如圖1所示。

圖1　電離層測(cè)量設(shè)備實(shí)現(xiàn)原理框圖

北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)播三個(gè)導(dǎo)航信號(hào),頻率分別為1 561.098 MHz(B1)、1 207.14 MHz(B2)和1 268.52 MHz(B3), 其中B1I 和B2I 為民用信號(hào),碼速率均為2.046 cps[5].為了提取電離層TEC信息,設(shè)備中天線和接收處理模塊均為雙頻體制。

天線接收來(lái)自衛(wèi)星的雙頻導(dǎo)航信號(hào),并通過(guò)饋纜傳給北斗衛(wèi)星信號(hào)接收處理模塊;接收處理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后提取信號(hào)信息并送入電離層數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;經(jīng)處理得到的電離層數(shù)據(jù)由基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信接口送出。北斗接收天線選擇高增益、低噪聲、極化方式為接近于半球增益覆蓋的右旋圓極化天線。北斗衛(wèi)星信號(hào)接收處理模塊選擇高精度、高采樣率的測(cè)量型模塊。電離層數(shù)據(jù)處理模塊采用現(xiàn)成的PC模塊,具有處理能力強(qiáng)、存儲(chǔ)容量大、接口豐富、可運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)等特點(diǎn)。

聯(lián)系人： 徐 波 E-mail: crirp_xu@126.com

2電離層參數(shù)計(jì)算方法

2.1　電離層TEC計(jì)算原理

為了描述電離層對(duì)電磁波傳播的影響,人們引入電離層總電子含量(TEC),它是一個(gè)非常重要的電離層特征，其為信號(hào)傳播路徑上電離層電子密度的總積分，其表達(dá)式為

TEC=∫sNe(s)ds,

式中,s為傳播路徑。TEC單位為TECU,(1TECU=1×1016el/m2).

利用北斗的雙頻測(cè)量可以提取地面測(cè)站至衛(wèi)星路徑上的傾斜TEC,進(jìn)而可以獲得的測(cè)站上空垂直TEC;利用區(qū)域的測(cè)站網(wǎng)絡(luò),可以進(jìn)一步獲取區(qū)域的TEC分布。

北斗接收機(jī)對(duì)第j號(hào)衛(wèi)星兩個(gè)頻率的偽距和載波相位觀測(cè)方程為

(1)

由上述公式可以獲得電離層TEC的公式為

(2)

2.2　電離層閃爍指數(shù)計(jì)算原理

電離層閃爍指數(shù)包括幅度閃爍指數(shù)S4和相位閃爍指數(shù)σΦ,分別通過(guò)計(jì)算衛(wèi)星信號(hào)的幅度及相位的變化情況來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在計(jì)算電離層閃爍指數(shù)前,須對(duì)由衛(wèi)星信號(hào)接收處理模塊送來(lái)的信號(hào)幅度和信號(hào)相位進(jìn)行去趨勢(shì)計(jì)算。

幅度去趨勢(shì)計(jì)算公式為

(3)

式中: xdet為去趨勢(shì)后的信號(hào)幅度; xp為信號(hào)幅度; xtre為趨勢(shì)數(shù)據(jù)。其中,趨勢(shì)數(shù)據(jù)為對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行低通濾波得出,低通濾波器為6階Butterworth濾波器,采用3個(gè)2階濾波器串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。濾波器計(jì)算公式為

(4)

式中: i為串聯(lián)的濾波器編號(hào); k與 k+1為數(shù)據(jù)的時(shí)間標(biāo)記; u為濾波器的輸入。

第一級(jí)濾波器的輸入即為原始信號(hào)幅度xp;Xi,1為每級(jí)濾波器的輸出,最后一個(gè)濾波器的輸出即為趨勢(shì)數(shù)據(jù)xtre;中間每一級(jí)的輸出即為下一級(jí)的輸入。Φ與Γ為濾波器參數(shù),每級(jí)濾波器參數(shù)不同,其值與濾波器的截止頻率及數(shù)據(jù)采樣率有關(guān)。

S4指數(shù)通過(guò)對(duì)1min的數(shù)據(jù)計(jì)算得出,計(jì)算公式為

(5)

式中: I即為前面計(jì)算所得到的xdet; N為1分鐘內(nèi)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

計(jì)算相位閃爍指數(shù)σΦ時(shí),對(duì)相位數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢(shì)計(jì)算的方法與幅度去趨勢(shì)相似,使用同樣的去趨勢(shì)計(jì)算公式(3)和濾波器計(jì)算公式(4)。與幅度去趨勢(shì)不同的是此次濾波器為高通濾波器,第一級(jí)濾波器的輸入即是原始信號(hào)相位Adr;每級(jí)濾波器的輸出為ui,k+1-Xi,1,k+1,最后一個(gè)濾波器的輸出即為去趨勢(shì)相位數(shù)據(jù)Adrtre;中間每一級(jí)的輸出即為下一級(jí)的輸入。Φ與Γ為濾波器參數(shù),每級(jí)濾波器參數(shù)不同,其值與濾波器的截止頻率及數(shù)據(jù)采樣率有關(guān)。

σΦ指數(shù)通過(guò)對(duì)1min內(nèi)的原始信號(hào)相位數(shù)據(jù)計(jì)算得出,計(jì)算公式為

(6)

(7)

式中: Φ即為前面計(jì)算所得到的去趨勢(shì)后的相位數(shù)據(jù); N為一分鐘內(nèi)相位數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù); M為一分鐘內(nèi)計(jì)算出的σΦ數(shù)目,此處M取1.

3初步的觀測(cè)結(jié)果

圖2示出了利用開發(fā)的電離層觀測(cè)設(shè)備于2014年2月28日18點(diǎn)至24點(diǎn)在?？诘貐^(qū)的電離層閃爍觀測(cè)結(jié)果,橫坐標(biāo)為北京時(shí)間,縱坐標(biāo)表示閃爍指數(shù)(S4/σΦ).

圖2　電離層觀測(cè)設(shè)備實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖中,上方的曲線為幅度閃爍指數(shù),下方為相位閃爍指數(shù)?？梢源笾驴闯?18:30-19:10和20:20-22:40這兩段時(shí)間內(nèi)均發(fā)生了幅度閃爍事件,閃爍指數(shù)最大可達(dá)0.3以上。經(jīng)與布設(shè)在該站點(diǎn)的GPS接收機(jī)測(cè)量結(jié)果比較可知,基于兩種不同信號(hào)的觀測(cè)設(shè)備觀測(cè)到的閃爍事件無(wú)論是在時(shí)間段上還是在閃爍指數(shù)大小上都比較相近。

4結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于北斗衛(wèi)星信號(hào)的電離層觀測(cè)設(shè)備開發(fā)情況,包括設(shè)備的組成、主要的數(shù)據(jù)處理方法和初步的觀測(cè)結(jié)果。經(jīng)與原有的GPS接收機(jī)觀測(cè)結(jié)果對(duì)比可知,基于北斗衛(wèi)星信號(hào)的電離層觀測(cè)設(shè)備能夠滿足電離層觀測(cè)的要求,進(jìn)而為電離層觀測(cè)研究提供了更為豐富和可靠的數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]許正文. 電離層對(duì)衛(wèi)星信號(hào)傳播極其性能影響的研究[D]. 陜西: 西安電子科技大學(xué), 2005.

[2]COSTER A, KOMJATHY A. Space weather and the global positioning system[J]. Space Weather, 2008,6(2):15-19.

[3]張東和, 蕭佐.利用GPS計(jì)算TEC的方法及其對(duì)電離層擾動(dòng)的觀測(cè)[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2000, 43(4):451-457.

[4]陳麗, 馮健, 甄衛(wèi)民. 利用GPS 進(jìn)行電離層閃爍研究[J].全球定位系統(tǒng),2006,31(5):9-12.

[5]楊元喜, 李金龍, 王愛兵, 等. 北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本導(dǎo)航定位性能初步評(píng)估[J].中國(guó)科學(xué):地球科學(xué), 2014, 44:72-81.

[6]劉基余. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)況與發(fā)展[J].遙測(cè)遙控,2013,34(3):1-8.

[7]楊元喜. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2010,39(1):1-6.

[8]甄衛(wèi)民, 馮健, 陳麗, 等. 多站多路徑GPS信號(hào)研究低緯電離層不均勻體[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 22(1):138-142.

徐波(1982-), 男, 工程師, 主要研究方向?yàn)楣こ萄b備研制與生產(chǎn)。

馮健(1981-), 男, 高級(jí)工程師, 主要研究方向?yàn)殡姴▊鞑ゼ夹g(shù)應(yīng)用。

Ionospheric Environment Monitoring with Beidou Signals

XU Bo,FENG Jian

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Key words: Beidou; ionosphere; total electron content(TEC); scintillation