徐　波,馮　健

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

基于北斗衛(wèi)星信號的電離層環(huán)境測量

徐波,馮健

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

摘要：當(dāng)衛(wèi)星信號穿越電離層傳播時,電離層會帶來時延、閃爍等效應(yīng)。基于衛(wèi)星信號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)展為在中國區(qū)域的電離層環(huán)境測量提供了更為豐富的信號源。文章介紹了基于北斗衛(wèi)星信號的電離層測量設(shè)備的組成,電離層參數(shù)的計算方法,并給出了初步的觀測結(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：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：： 1008-9268(2015)02-0040-03

收稿日期：2015-02-11

作者簡介

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空間。星地?zé)o線電系統(tǒng)工作時將不可避免地受到電離層的影響,這些影響主要包括時延、相移、色散、極化旋轉(zhuǎn)和閃爍等[1]。因此,電離層環(huán)境的測量和研究不但具有很強的應(yīng)用價值,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)境測量帶來了革命性的變化[2-4]。2012 年12 月27 日,北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)宣布投入正式運行[5]。北斗系統(tǒng)的運行在中國區(qū)域可以提供更多的導(dǎo)航衛(wèi)星信號源,為中國區(qū)域電離層環(huán)境監(jiān)測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)用于電離層觀測時,使得觀測鏈路增加,增大了觀測范圍,提升了觀測精度[8]。

本文介紹了一種利用我國北斗衛(wèi)星信號進行電離層測量的設(shè)備,利用該設(shè)備可實時監(jiān)測所在區(qū)域上空電離層總電子含量和閃爍指數(shù)。

1電離層測量設(shè)備組成

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

圖1　電離層測量設(shè)備實現(xiàn)原理框圖

北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)播三個導(dǎo)航信號,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,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。

天線接收來自衛(wèi)星的雙頻導(dǎo)航信號,并通過饋纜傳給北斗衛(wèi)星信號接收處理模塊;接收處理模塊對信號進行處理后提取信號信息并送入電離層數(shù)據(jù)處理模塊進行數(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)星信號接收處理模塊選擇高精度、高采樣率的測量型模塊。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、存儲容量大、接口豐富、可運行Windows操作系統(tǒng)等特點。

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

2電離層參數(shù)計算方法

2.1　電離層TEC計算原理

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

TEC=∫sNe(s)ds,

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

利用北斗的雙頻測量可以提取地面測站至衛(wèi)星路徑上的傾斜TEC,進而可以獲得的測站上空垂直TEC;利用區(qū)域的測站網(wǎng)絡(luò),可以進一步獲取區(qū)域的TEC分布。

北斗接收機對第j號衛(wèi)星兩個頻率的偽距和載波相位觀測方程為

(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,分別通過計算衛(wèi)星信號的幅度及相位的變化情況來實現(xiàn)。

在計算電離層閃爍指數(shù)前,須對由衛(wèi)星信號接收處理模塊送來的信號幅度和信號相位進行去趨勢計算。

幅度去趨勢計算公式為

(3)

式中: xdet為去趨勢后的信號幅度; xp為信號幅度; xtre為趨勢數(shù)據(jù)。其中,趨勢數(shù)據(jù)為對信號幅度進行低通濾波得出,低通濾波器為6階Butterworth濾波器,采用3個2階濾波器串聯(lián)實現(xiàn)。濾波器計算公式為

(4)

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

第一級濾波器的輸入即為原始信號幅度xp;Xi,1為每級濾波器的輸出,最后一個濾波器的輸出即為趨勢數(shù)據(jù)xtre;中間每一級的輸出即為下一級的輸入。Φ與Γ為濾波器參數(shù),每級濾波器參數(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)通過對1min的數(shù)據(jù)計算得出,計算公式為

(5)

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

計算相位閃爍指數(shù)σΦ時,對相位數(shù)據(jù)進行去趨勢計算的方法與幅度去趨勢相似,使用同樣的去趨勢計算公式(3)和濾波器計算公式(4)。與幅度去趨勢不同的是此次濾波器為高通濾波器,第一級濾波器的輸入即是原始信號相位Adr;每級濾波器的輸出為ui,k+1-Xi,1,k+1,最后一個濾波器的輸出即為去趨勢相位數(shù)據(jù)Adrtre;中間每一級的輸出即為下一級的輸入。Φ與Γ為濾波器參數(shù),每級濾波器參數(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)通過對1min內(nèi)的原始信號相位數(shù)據(jù)計算得出,計算公式為

(6)

(7)

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

3初步的觀測結(jié)果

圖2示出了利用開發(fā)的電離層觀測設(shè)備于2014年2月28日18點至24點在?？诘貐^(qū)的電離層閃爍觀測結(jié)果,橫坐標為北京時間,縱坐標表示閃爍指數(shù)(S4/σΦ).

圖2　電離層觀測設(shè)備實驗結(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這兩段時間內(nèi)均發(fā)生了幅度閃爍事件,閃爍指數(shù)最大可達0.3以上。經(jīng)與布設(shè)在該站點的GPS接收機測量結(jié)果比較可知,基于兩種不同信號的觀測設(shè)備觀測到的閃爍事件無論是在時間段上還是在閃爍指數(shù)大小上都比較相近。

4結(jié)束語

本文介紹了基于北斗衛(wèi)星信號的電離層觀測設(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結(jié)果。經(jīng)與原有的GPS接收機觀測結(jié)果對比可知,基于北斗衛(wèi)星信號的電離層觀測設(shè)備能夠滿足電離層觀測的要求,進而為電離層觀測研究提供了更為豐富和可靠的數(shù)據(jù)。

參考文獻

[1]許正文. 電離層對衛(wèi)星信號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計算TEC的方法及其對電離層擾動的觀測[J]. 地球物理學(xué)報, 2000, 43(4):451-457.

[4]陳麗, 馮健, 甄衛(wèi)民. 利用GPS 進行電離層閃爍研究[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)航定位性能初步評估[J].中國科學(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].遙測遙控,2013,34(3):1-8.

[7]楊元喜. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進展、貢獻與挑戰(zhàn)[J].測繪學(xué)報,2010,39(1):1-6.

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

徐波(1982-), 男, 工程師, 主要研究方向為工程裝備研制與生產(chǎn)。

馮健(1981-), 男, 高級工程師, 主要研究方向為電波傳播技術(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