CN106134463B - 电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置。该装置包括：多频段卫星信号接收天线，用于接收穿过电离层到达地面的卫星信号；多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机，用于获取卫星信号，对卫星信号进行高速采样，分离并提取卫星信号在穿过电离层不均匀体时所受的影响信息，根据影响信息同时实时计算多个频段电离层闪烁指数和/或电离层电子总含量并输出。借助于本发明的技术方案，能够在同一设备上同时对多个频段电离层闪烁和TEC这两种重要参数进行实时监测，为我国各种空间信息系统(特别是军用系统)同时提供多个频段闪烁预报预警服务。

Description

电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置

技术领域

本发明涉及电离层物理研究领域，特别是涉及一种多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测装置。

背景技术

地球地面上空约60至1000公里为电离层，电离层中存在一种电离不均匀体，这种电离不均匀体对穿过其间的地空链路信号产生会重要的影响。当无线电信号穿越电离层时，信号载波的幅度和相位会产生短周期不规则变化，这种变化称为电离层闪烁现象；星地无线电信号穿越电离层还会产生延迟。电离层闪烁和延迟的影响效应会带来卫星通信、导航以及雷达监测等地空无线电系统的性能下降，严重时可能造成系统信号中断，无法继续工作。到日前为止人们对这种电离不均匀体的形成机理、发展与运行特征以及其对地空信息系统的影响特性等方面还不是了解得很清楚，其中一个重要的原因是缺少对电离不均匀体的监测手段以及这种电离层扰动影响效应的有效提取方法。

对电离层闪烁现象及电离层电子总量(Total Electron Content，简称为TEC)进行监测预警，研究其形成机理及其特性，可以有效地规避或减缓电离层闪烁等空间电磁环境对空间信息链路的影响，确保空间信息系统，特别是军用空间信息系统的安全。

电离层闪烁等环境异常现象的研究首先需要对这些异常现象进行监测和数据采集分析。欧美等发达国家对电离层环境研究非常重视，为此专门发射了电离层环境监测卫星系统，对电离层进行地基与天基联合监测，研究开发了多种观测设备和技术。

美国开发了一种以Novatel公司单频全球定位系统(Global PositioningSystem，简称为GPS)接收机为主板的L频段电离层闪烁地基监测设备，他们在民用测量型GPS接收机基础上对其射频接收端进行适当的技术改造，并开发了L频段闪烁接收软件，利用接收GPS卫星信号研制出了L频段单频段闪烁接收设备。

我国国防建设迫切需要对空间电波环境异常进行监测与预警。电离层是对空间信息链路构成重要影响的空间环境之一，由电离层不均匀体引起的电离层闪烁对穿过电离层的空间无线电信息产生重要的影响，并且，不同的频段产生影响效应不同。

电离不均匀体的出现有随机性，一旦形成，它的尺寸、漂移速度和方向都在变化，至于它的形成机理、变化发展规律以及扰动影响效应等还不是十分了解。要研究它首先必须要做的是对这种空间电离层扰动现象在空域、时域和频域进行连续不断地监测。比较好的手段是发射一套专用的卫星系统，在地基布设监测站接收穿过电离层的卫星信号。而目前在我国显然还存在很大的难度。同时，对于这种专门需求的闪烁型卫星信号接收设备它不同于一般的卫星信号接收机，它需要在复杂空间背景环境影响下有效地分离提取出只属于电离层不均匀体的影响。另外，地基电离层闪烁对低频段的空间信息链路影响较大，在地面要实现高灵敏度低频段的卫星信号接收，接收天线一般比较大，这对于地基固定站来说问题不大，而对于机动站来说，需要解决接收天线的机动性问题。

发明内容

本发明提供一种电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置，以解决现有技术无法同时实现对多个频段电离层闪烁和TEC参数进行实时一体化监测的问题。

本发明提供一种电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置，包括：

多频段卫星信号接收天线，用于接收穿过电离层到达地面的卫星信号；

多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机，用于获取卫星信号，对卫星信号进行高速采样，分离并提取卫星信号在穿过电离层不均匀体时所受的影响信息，根据影响信息同时实时计算多个频段电离层闪烁指数和/或电离层电子总含量并输出。

本发明有益效果如下：

通过设置多频段卫星信号接收天线接收多个频段的卫星信号，并传输给多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机计算电离层闪烁指数和/或电离层电子总含量，解决了现有技术中无法同时对多个频段电离层闪烁和TEC参数进行实时监测的问题，为电离层闪烁研究、预报及其影响效应预警发挥重要作用，能够在同一设备上对多频段电离层闪烁和TEC这两种重要参数进行实时监测，为我国各种空间信息系统(特别是军用系统)同时提供多个频段闪烁预报预警服务。通过对监测站上空多个频段电离层闪烁及TEC的实时监测，将使该地区的用户根据所关心的系统参数(频率等)和特定的使用环境实时或预先得知用户系统可能遭遇到的电离层闪烁造成的影响，以便选择适当的方法来避免或减小电离层闪烁干扰对我军各种卫星通信/导航/雷达监测系统的影响。本发明实施例的多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测装置(也可以称为：多频段电离层闪烁及TEC一体化监测仪或电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置)不仅适用于固定监测站也很适合于车载等机动监测站安装，特别适用于我国重大国防实验任务对空间电波环境异常监测预警保障的需求。

附图说明

图1是本发明实施例的发明过程的流程图；

图2是本发明实施例的电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置的结构示意图；

图3是本发明实施例的利用电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置进行多频段电离层闪烁及TEC监测的示意图；

图4是本发明实施例的电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置的优选结构示意图；

图5是本发明实施例的UHF频段电离层闪烁监测接收机的结构示意图；

图6是本发明实施例的L频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测接收机的结构示意图；

图7是本发明实施例的S频段电离层闪烁监测接收机的结构示意图；

图8是本发明实施例的C频段电离层闪烁监测接收机的结构示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术中无法同时对多个频段卫星信号进行电离层闪烁和TEC参数进行实时监测的问题，基于对电离层闪烁研究的需求和目前的现状，本发明实施例提供了一种多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测装置(也可以称为多频段电离层闪烁及TEC一体化监测仪)，电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置是一种地基电离层环境异常监测的基础设备，为电离层闪烁研究、预报及其影响效应预警发挥重要作用，可以为我国各种空间信息系统特别是军用系统同时提供多个频段闪烁预报预警服务。本发明实施例的多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测装置既适用于固定站也特别适用于车载式机动站使用。图1是本发明实施例的发明过程的流程图，如图1所示，发明人在实现本发明的过程中，需要进行如下的研究工作：

步骤A：从频域空域的角度出发，根据电离层闪烁及TEC监测的特点和理论研究成果，分析研究当前国内外成熟的卫星通信系统并加以利用，为电离层闪烁及TEC监测设备的研制确定方案。

步骤B：利用国内外军用或民用卫星信号研制UHF/L/S/C频段闪烁监测接收机，对穿过电离层的卫星载波信号的强度和相位信息进行高灵敏度、大动态范围的高速采样接收处理。

步骤C：研究多频段多星座卫星信号电离层闪烁监测数据处理方法。主要包括卫星信号穿过电离层受不均匀体扰动影响的分离方法、电离层闪烁指数算法及电离层TEC反演算法，并将这些方法嵌入到设备中。

步骤D：研制带有伺服机构可展开和收起的车载UHF/L/S/C多频段卫星信号接收天线，提高电离层闪烁及TEC监测设备的机动性。

以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

根据本发明的实施例，提供了一种多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测装置，图2是本发明实施例的多频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置的结构示意图，如图2所示，根据本发明实施例的多频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置包括：多频段卫星信号接收天线20，以及多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机22，以下对本发明实施例的各个模块进行详细的说明。

多频段卫星信号接收天线20，用于接收穿过电离层到达地面的多个频段卫星信号；优选地，多频段卫星信号接收天线20具体用于：接收穿过电离层到达地面的超高频UHF频段、L频段、S频段、和C频段的卫星信号。

具体地，在实际应用中，电离层不均匀体对穿过其不同频段的卫星信号的影响是不同的，根据电离层闪烁这种频域特性最终确定用来进行电离层闪烁及TEC监测的卫星信号频段为UHF/L/S/C四个频段，随后，需要确定使用哪些卫星系统的下行信号进行UHF/L/S/C四个频段的接收，具体地：

1、确定利用我国烽火卫星通信系统的下行广播信号实施UHF频段的电离层闪烁监测。电离层扰动对UHF频段卫星信号的影响相对较大，而烽火卫星通信系统是我国重要的军用卫星通信系统，利用烽火卫星通信系统的卫星信号进行UHF频段的电离层闪烁监测无论是从科学研究还是从国防应用都很有意义。

2、确定利用美国GPS导航卫星系统的下行信号实施L频段的电离层闪烁及TEC监测。美国GPS导航卫星系统在任何时间任何地点都能保证有4颗以上可视卫星，这种卫星信号的空域分布特点正好为研究电离层闪烁的空域特性提供了有利条件。而且，GPS卫星信号包含两个频点L1和L2，正好可以利用这种双频卫星信号的监测来反演一个重要的电离层特征参数TEC。

3、确定利用我国北斗一号导航卫星系统的下行信号实施S频段电离层闪烁监测。北斗一号是我国第一代军用导航卫星系统，其它军用星地测控或通信系统中也广泛应用S频段。

4、确定利用我国烽火卫星通信系统的下行C频段信标信号实施C频段电离层闪烁监测。

图3是本发明实施例的利用电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置进行多频段电离层闪烁及TEC监测的示意图，如图3所示，可以利用已有不同频段的卫星信号，在地基建立监测站同时接收穿过电离层的卫星信号，可以提取和反演出电离层闪烁指数和TEC。

多频段卫星信号接收天线20具体包括：

1、UHF频段车载微带天线，用于接收烽火卫星通信系统的下行广播信号的UHF频段卫星信号；

具体地，UHF频段烽火卫星信号载波频率为350MHz，如果采用振子天线，可以获得较高的天线增益，有利于闪烁监测，但随之带来的是天线的尺寸较大，尤其是还要加云台调节机构以便对星，这种天线对于要求机动性强的车载系统显然不合适。本发明实施例的UHF频段车载微带天线，相对于振子天线体积大为减小，增益满足要求。而且对星方便，伺服结构简单，只需要水平方向调节就可以对星。

根据本发明实施例的UHF频段车载微带天线主要技术参数如下：

工作频率：344MHz～351MHz；

驻波比：不大于1.5；

增益：不小于7dB；

极化方式：右旋圆极化；

对星调节方式：一维手动调节对星(水平360可调)；

天线面尺寸：420mmX420mmX200mm(长X宽X高)；

水平转台尺寸：300mmX300mmX500mm(长X宽X高)；

总重量：不大于25kg。

2、车载双频GPS天线，用于接收美国GPS导航卫星系统的下行信号的L频段GPS双频载波信号。

现在已有成熟的大地测量型GPS双频接收天线能够满足要求，所以本发明实施例中车载双频GPS天线将直接利用已有成果，采用加拿大NovaTel公司双频GPS天线。

根据本发明实施例的车载双频GPS天线主要技术参数如下：

工作频率：1565MHz～1585MHz和1217MHz～1237MHz；

驻波比：不大于2.0；

增益：不小于5.5dBi；

极化方式：右旋圆极化；

对星调节方式：全向无调节；

天线尺寸：185mmX69mm(直径X高)；

总重量：不大于2kg。

3、车载S频段电离层闪烁接收天线，用于接收北斗一号导航卫星系统的下行信号的S频段卫星信号；

具体地，本发明实施例的车载S频段电离层闪烁接收天线将直接利用现在已经成熟的我国北斗导航地面接收机的接收天线，其主要技术参数如下：

工作频率：2486MHz～2496MHz；

驻波比：不大于2.0；

增益：不小于3.5dBi；

极化方式：右旋圆极化；

对星调节方式：全向无调节；

天线尺寸：120mmX95mm(直径X高)；

总重量：不大于3kg。

4、车载C频段电离层闪烁接收天线，用于接收烽火卫星通信系统的下行信号的C频段卫星信号。

车载C频段电离层闪烁接收天线采用1.2米偏置反射面型卫星信号接收天线，重点是要解决天线的展开收起装置和二维对星(方位与俯仰)装置。在本发明实施例中，车载C频段电离层闪烁接收天线的馈源臂的展开收起主要采用销钉结构，反射面的展开收起与俯仰调节共用一套轴承，水平调节采用一套带刻度的转盘实现。另外，由于C频段天线主瓣很窄，为了实现快速对星，本发明在车载C频段电离层闪烁接收天线上设计了一套电子罗盘对星辅助装置。

根据本发明实施例的车载C频段电离层闪烁接收天线主要技术参数如下：

工作频率：3.4GHz～4.2GHz；

天线面口径：1.2米；

驻波比：不大于1.3；

增益：不小于32dBi；

第一旁瓣特性：不大于14dB；

极化方式：线极化；

对星调节方式：Az、El二轴手动调节，水平0～360°，俯仰0～180°；

总重量：不大于50kg。

通过对多频段卫星信号接收天线20的设计，本发明实施例的多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测装置不仅适用于固定监测站也很适合于车载等机动监测站安装。

多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机22，用于获取所述卫星信号，对所述卫星信号进行高速采样，分离并提取所述卫星信号在穿过电离层不均匀体时所受的影响信息，根据所述影响信息计算电离层闪烁指数和/或电离层电子总含量并输出。

具体地，所述多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机22具体包括：UHF频段电离层闪烁监测接收机、L频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测接收机、S频段电离层闪烁监测接收机、以及C频段电离层闪烁监测接收机。图4是本发明实施例的多频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置的优选结构示意图，如图4所示，根据本发明实施例的多频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置包括UHF频段电离层闪烁监测接收机、L频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测接收机、S频段电离层闪烁监测接收机、以及C频段电离层闪烁监测接收机，接收天线包括：UHF频段车载微带天线、车载双频GPS天线、车载S频段电离层闪烁接收天线、以及车载C频段电离层闪烁接收天线，其中，UHF频段电离层闪烁监测接收机包括：UHF频段卫星信号接收模块、UHF频段数字信号处理模块、以及UHF频段电源模块；L频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测接收机包括：L频段卫星信号接收模块、L频段数字信号处理模块、以及L频段电源模块；S频段电离层闪烁监测接收机包括：S频段卫星信号接收模块、S频段数字信号处理模块、以及S频段电源模块；C频段电离层闪烁监测接收机包括：C频段卫星信号接收模块、C频段数字信号处理模块、C频段电源模块。需要说明的是，上述各频段的电源模块可以合一设置，也可以分开设置。

以下分别对各个频段的接收机进行详细的说明。

一、UHF频段电离层闪烁监测接收机

UHF频段电离层闪烁监测接收机利用烽火卫星通信系统的下行广播信号，该下行广播信号的载波为350.8825MHz，在地面接收穿过电离层的UHF频段卫星信号并对其进行高速采样，分离并提取卫星信号受电离不均匀体的影响，计算并输出电离层闪烁指数。UHF频段电离层闪烁监测接收机主要由UHF频段卫星信号接收模块、UHF频段数字信号处理模块、以及UHF频段电源模块组成。UHF频段卫星信号接收模块主要完成对到达地面的烽火卫星信号进行接收处理并提取载波信号强度信息(上述载波幅度)，对卫星信号的接收处理要求做到尽可能大动态范围和高灵敏度，原始信号强度的采样速率达到20Hz。UHF频段数字信号处理模块主要完成UHF频段卫星信号受电离层不均匀体影响的分离提取及UHF频段电离层闪烁指数的计算和输出。UHF频段电源模块主要为设备各模块提供稳定精确的供电保障。

具体地，UHF频段卫星信号接收模块，用于获取所述多频段卫星信号接收天线接收的UHF频段卫星信号，对所述UHF频段卫星信号进行高速采样，对采样后的所述UHF频段卫星信号进行放大、滤波、混频、和检波处理，提取所述UHF频段卫星信号的载波幅度；具体地，UHF频段卫星信号接收模块通过低噪声放大器LNA对所述UHF频段卫星信号进行放大、通过带通滤波器进行滤波，将处理后的所述UHF频段卫星信号与一本振频率合成器产生的一本振信号进行混频，输出一中频信号，通过所述带通滤波器对所述一中频信号进行滤波后，与二本振频率合成器产生的二本振信号进行混频，输出二中频信号，通过10.7MHz晶体带通滤波器对所述二中频信号进行滤波，通过对数放大器对滤波后的所述二中频信号进行检波放大，并提取所述UHF频段卫星信号的载波幅度；

UHF频段数字信号处理模块，用于分离并提取所述UHF频段卫星信号在穿过电离层不均匀体时所受的影响信息，根据所述影响信息计算UHF频段电离层闪烁指数并输出；具体地，所述UHF频段数字信号处理模块通过模数转换器对所述对数放大器输出的电压进行模数变换，将经过检波和采样处理后的所述UHF频段卫星信号发送到数字信号处理器，通过所述数字信号处理器中的6阶巴特沃斯滤波器对经过检波和采样处理后的所述UHF频段卫星信号进行数字滤波处理，以分离并提取穿过电离层的所述UHF频段卫星信号受电离层不均匀体所产生扰动的影响信息，并根据所述影响信息进行UHF频段闪烁指数的计算和输出。

UHF频段电源模块，用于为所述UHF频段电离层闪烁监测接收机中的各个模块进行供电。

图5是本发明实施例的UHF频段电离层闪烁监测接收机的结构示意图，如图5所示，UHF频段卫星信号接收模块采用二次变频方案，一中频为70.7MHz，二中频为10.7MHz。来自UHF频段车载微带天线的UHF频段卫星信号经LNA放大、带通滤波器滤波，与一本振频率合成器产生的一本振信号进行混频，产生70.7MHz的一中频信号，经带通滤波器滤除杂波后，与二本振频率合成器产生的二本振信号(60MHz)进行混频，输出10.7MHz的二中频信号。经10.7MHz晶体带通滤波器滤除杂波后的10.7MHz信号，进入对数放大器进行检波放大，提取载波幅度。对数放大器输出的电压经模数(AD)转换器进行AD变换，检波和采样处理后的数字信号通过高速同步串行接口(Serial Peripheral Interface，简称为SPI)送入数字信号处理器。数字信号处理器采用FPGA+DSP芯片，对采样后的数字信号通过6阶巴特沃斯滤(Butterworth)滤波器进行数字滤波处理以排除卫星运动及其它背景噪声的影响，提取穿过电离层的卫星信号受电离层不均匀体所产生的扰动效应影响，最后进行UHF频段闪烁指数的计算和输出。

二、L频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测接收机

L频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测接收机接收穿过电离层到达地面的GPS卫星信号，并对其幅度和相位信息进行高速采样，分离并提取L频段卫星信号受电离层不均匀体的影响，计算并输出L频段电离层闪烁指数。由于GPS信号包含有L1(1575.42MHz)和L2(1227.60MHz)两个载频信号，同时对两个穿过电离层的载波信号相位的精确测量可以计算出电子总含量，这也是电离层一个重要的特征参数，所以L频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测接收机还有一个重要的功能就是进行TEC测量。L频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测接收机由L频段卫星信号接收模块、L频段数字信号处理模块、以及L频段电源模块组成。L频段卫星信号接收模块实现GPS卫星双频(L1/L2)射频信号的放大、变频和滤波等处理，完成L频段GPS双频载波信号的接收。L频段数字信号处理模块实现双频卫星信号的高速采样、载波相位和幅度信息的精确提取以及电离层不均匀体影响效应的分离提取，完成L频段电离层闪烁指数的计算。具体地：

L频段卫星信号接收模块，用于获取所述多频段卫星信号接收天线接收的L频段全球定位系统GPS双频载波信号，并对所述L频段GPS双频载波信号进行放大、混频、和滤波处理；

L频段数字信号处理模块，用于对L频段GPS双频载波信号进行高速采样，提取所述L频段GPS双频载波信号的载波相位和载波幅度信息，分离并提取所述所述L频段GPS双频载波信号在穿过电离层不均匀体时所受的影响信息，根据所述影响信息计算L频段电离层闪烁指数和/或电离层电子总含量并输出；

L频段电源模块，用于为所述L频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测接收机中的各个模块进行供电。

在实际应用中，L频段GPS卫星信号采用扩频技术，到达地面的GPS信号十分微弱，淹埋在背景噪声中，直接提取其载波信号幅度和相位信息比较因难。图6是本发明实施例的L频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测接收机的结构示意图，如图6所示，本发明实施例对于L频段闪烁监测接收机的研制部分引用国外已经成熟的测量型GPS接收机技术，在已有的技术基础上进行二次开发。L频段卫星信号接收模块和L频段数字信号处理模块的硬件部分利用加拿大NovAtel公司生产的GPS OEM接收机，原始信号幅度和相位的采样速率为20Hz。需要指出的是在这里使用外接的恒温晶体振荡器OCXO作为外部时钟源代替原接收机内部的温度补偿晶体震荡器TCXO，这主要是因为闪烁监测接收机需要更加稳定、低噪声的基准频率。而在数字信号处理部分的二次开发是将L频段GPS卫星信号受电离层不均匀体影响分离技术以及L频段电离层闪烁指数计算技术和TEC算法嵌入到GPS OEM接收机的数字信号处理芯片中，使其成为专用的L频段电离层闪烁及TEC一体化监测接收机。

三、S频段电离层闪烁监测接收机

S频段电离层闪烁监测接收机接收穿过电离层到达地面的我国北斗一号S频段导航卫星信号，并对其幅度和相位信息进行高速采样，分离并提取S频段卫星信号受电离层不均匀体的影响，计算并输出S频段电离层闪烁指数。S频段电离层闪烁监测接收机由S频段卫星信号接收模块、S频段数字信号处理模块、以及S频段电源模块组成。S频段卫星信号接收模块完成微弱的北斗一号卫星信号的接收处理并下变频成合适的中频信号进行模数转换与高速采样。S频段数字信号处理模块主要完成载波幅度和载波相位信息的提取、电离层不均匀体影响的分离以及电离层闪烁指数的计算。

具体地，S频段卫星信号接收模块，用于获取所述多频段卫星信号接收天线接收的S频段卫星信号，并将所述S频段卫星信号下变频成中频信号，对所述中频信号进行模数转换与高速采样；

S频段数字信号处理模块，用于提取所述S频段卫星信号的载波相位和载波幅度信息，分离并提取所述所述S频段卫星信号在穿过电离层不均匀体时所受的影响信息，根据所述影响信息计算L频段电离层闪烁指数并输出；

S频段电源模块，用于为所述S频段电离层闪烁监测接收机中的各个模块进行稳定精确的供电。

在实际应用中，北斗一号有二颗地球同步轨道卫星，卫星转发的下行信号是载波为2491.75MHz，载波相位正交偏差小于等于±30°，调制方式为OQPSK。北斗一号的2颗卫星下行信号的载频都是2 491.75MHz，可以共用相同的天线、低噪放大、一级混频、中频放大、中频滤波电路，之后，分成两路分别进入2个Costas跟踪环路，分别进行解调。图7是本发明实施例的S频段电离层闪烁监测接收机的结构示意图，如图7所示，S频段电离层闪烁监测接收机的射频处理选择二次变频方案，二次变频可以改善数字基带处理的捕获与跟踪性能以及本振泄漏、直流偏差等问题。第一中频选为fI＝76.39MHz，则第一本振频率可选为2415.36MHz，第一本振采用锁相环路，由频率为16.32MHz的高稳定度基准源进行锁相。为防止出现镜像干扰，第一中频带通滤波器的通带选为50MHz，中频放大之后进入声表滤波器(SAW)进行滤波。本振2用于同步载波跟踪，它与正交混频电路及基带模块的载波提取电路及DAC一起，构成一个数字Costas跟踪环路。因此，解调器的相干载波由本振2提供。来自基带模块的数字控制信号经过D/A变换后，作为调谐频率的压控信号(Voltage of Control，简称为VC)送给解调器的压控振荡器(VCO)，来微调VCO的频率，使之与载波同步。为实现较好的跟踪分辨率与较高的跟踪灵敏度，本振2采用压控晶体振荡器。第二混频输出的I/Q两路基带信号通过A/D变换送给数字信号处理器。数字信号处理器由FPGA+DSP芯片组成，实现导航卫星信号的解调，提取两个卫星下行载波信号的相位与幅度信号并进行32次/秒的采样，同时分离出S频段卫星信号穿过电离层受到的电离层不均匀体的影响，并计算出S频段的电离层闪烁指数，通过通信接口电路串行输出。

四、C频段电离层闪烁监测接收机

C频段电离层闪烁监测接收机利用“烽火”卫星通信系统的下行C频段信标信号，在地面接收穿过电离层的C频段卫星信号并对其进行高速采样，分离并提取卫星信号受电离层不均匀体的影响，计算并输出C频段电离层闪烁指数。C频段电离层闪烁监测接收机主要由C频段卫星信号接收模块、C频段数字信号处理模块、C频段电源模块组成。C频段卫星信号接收模块主要完成对到达地面的C频段射频信号进行接收处理并提取载波信号幅度信息，对卫星信号的接收处理要求做到尽可能大动态范围和高灵敏度，原始信号强度的采样速率达到20Hz。C频段数字信号处理模块主要完成C频段信号受电离层不均匀体影响的分离提取及C频段电离层闪烁指数的计算和输出。C频段电源模块主要为设备各模块提供稳定精确的供电保障。

具体地，C频段卫星信号接收模块，用于获取所述多频段卫星信号接收天线接收的C频段卫星信号，对所述C频段卫星信号进行高速采样，对所述C频段卫星信号进行放大、滤波、混频、和检波处理，并提取所述C频段卫星信号的载波幅度；

C频段数字信号处理模块，用于分离并提取所述C频段卫星信号在穿过电离层不均匀体时所受的影响信息，根据所述影响信息计算C频段电离层闪烁指数并输出；

C频段电源模块，用于为所述C频段电离层闪烁监测接收机中的各个模块进行供电。

图8是本发明实施例的C频段电离层闪烁监测接收机的结构示意图，如图8所示，C频段卫星信号接收模块采用二次变频方案，来自抛物面接收天线的C频段卫星信号通过下变频器变到L频段(950MHz～1450MHz)做为第一中频。二次混频将一中频再次下变频到70MHz的二中频，经带通滤波器滤除杂波后进入对数放大器进行检波放大。对数放大器输出的电压经AD转换器进行AD转换，检波和采样处理后的数字信号通过SPI口送入数字信号处理器。数字信号处理器采用FPGA+DSP芯片，对采样后的数字信号通过6阶Butterworth滤波器进行数字滤波处理以排除卫星运动及其它背景噪声的影响，分离并提取穿过电离层的卫星信号受电离层不均匀体所产生的扰动影响，最后进行C频段闪烁指数的计算和输出。

以下对多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机分离并提取所述卫星信号在穿过电离层不均匀体时所受的影响信息，根据所述影响信息计算电离层闪烁指数和电离层电子总含量并输出的处理方法进行详细说明。

1、卫星信号穿过电离层受不均匀体扰动影响的分离方法。

卫星信号从卫星到地面整个过程会受到很多因素影响，包括电离层、对流层、空间噪声、卫星多普勒和接收机噪声等，如何从这些因素中分离出电离层的影响而剔除其它是本发明实施例的关键技术之一。

具体地，

一、卫星信号穿过电离层受不均匀体扰动影响的分离方法：

1、卫星信号强度去趋势处理：

多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机根据公式1对所述卫星信号进行强度去趋势处理；公式1为卫星信号强度去趋势计算公式：

其中，x_det为去趋势后的信号强度，x_p为信号强度或载波相位，x_tre为趋势数据；优选地，趋势数据为对信号强度进行低通滤波得出，低通滤波器为6阶Butterworth滤波器，采用3个2阶滤波器串联实现。

多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机根据滤波器计算公式，即公式2，通过3个2阶滤波器串联对所述卫星信号的信号强度和载波相位进行去趋势处理，其中，第一级滤波器的输入为信号强度x_p，X_i，1为每级滤波器的输出，中间每一级的输出为下一级的输入；

其中，i为串联的滤波器编号，k与k+1为数据的时间标记，u为滤波器的输入，Φ与Γ为滤波器参数；每级滤波器参数不同，其值随滤波器的截止频率及数据的采样率的不同而不同。

2、卫星信号载波相位去趋势处理

卫星信号载波相位进行去趋势与强度闪烁中类似采用滤波器实现，但为高通滤波。滤波器也为6阶Butterworth滤波器，采用3个2阶滤波器串联实现。

滤波器计算公式同样如下：

${\left[\begin{array}{c}{X}_{i,1}\\ X_{i,2}\end{array}\right]}_{k+1}=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Φ}}_{i,11}& {\mathrm{\Φ}}_{i,12}\\ {\mathrm{\Φ}}_{i,21}& {\mathrm{\Φ}}_{i,22}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{c}{X}_{i,1}\\ X_{i,2}\end{array}\right]}_k+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Γ}}_{i,1}\\ {\mathrm{\Γ}}_{i,2}\end{array}\right]u_{i,k+1}$

式中，i为串联的滤波器编号，k与k+1为数据的时间标记，u为滤波器的输入。

第一级滤波器的输入即为载波相位Adr；每级滤波器的输出为u_i，k+1-X_i，1，k+1，最后一个滤波器的输出即为趋势相位数据Adr_tre；中间每一级的输出即为下一级的输入。Φ与Γ为滤波器参数，每级滤波器参数不同，其值随滤波器的截止频率及数据的采样率的不同而不同。

二、电离层闪烁指数计算方法：

1、电离层闪烁指数S₄计算：

在电离层闪烁研究中，电离层闪烁指数S₄是一个重要的参量，它定义为信号强度的归一化方差，即其中，<>表示取均值，I为信号强度。

多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机根据预定时间内的原始数据、以及公式3计算电离层闪烁指数S₄；

其中，I＝x_det，N为预定时间内的原始数据量；

优选地，S4指数可以通过对1分钟的原始数据计算得出，在公式3中，I即为前面计算所得到的x_det，N为1分钟内的原始数据量。

2、相位闪烁指数σ_ΔΦ的计算：

多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机根据预定时间内的原始相位数据、以及公式4和公式5计算相位闪烁指数σ_ΔΦ；

其中，φ＝Adr_tre，N为预定时间内的原始数据量，M为预定时间内计算出的σ_ΔΦ的数目；

优选地，σ_ΔΦ指数可以通过对1分钟内的原始相位数据计算得出，公式4和公式5中，对于5种σ_ΔΦ，M和N有如下数值，其中N为1、3、10、30、60秒内的数据个数，M为60秒内计算出的σ_ΔΦ数目。

3、TEC计算方法：

利用L频段闪烁监测接收机GPS双频实时观测的载波信号可以计算得到电离层TEC。

计算单颗卫星的倾斜TEC测量公式如下：

$TEC=\frac{1}{40.3}\frac{f_1^2{f}_2^2}{f_1^2-f_2^2}(P_2-P_1-q)$

其中，f₁为L1频率，f₂为L2频率，单位为Hz；P₁、P₂为接收的卫星伪码距，或经载波平滑后的伪距，单位为m。

实现时采用如下公式，

多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机根据公式6计算电离层电子总含量；

TEC＝2.853*(P₂(ns)-P₁(ns)-q(ns)) 公式6；

其中，P₁、P₂为接收的卫星伪码距测量，(ns)为单位纳秒，q(ns)为接收机与卫星之间的硬件延迟。

由于接收机测量的伪码距单位为米，而TEC测量公式中伪码距的单位为纳秒，所以测量的伪码距需经过下述变换：

P(ns)＝P(m)*(10.0/2.99792458)，其中，(m)为单位米

GPS接收机测量TEC时会存在一定的硬件延迟效应，利用一段时间的GPS双频观测数据可以估计硬件延迟值，该变量在每次近实时处理后进行更新。

地面固定监测站的TEC测量中，由于对实时性、滤波器初始化等关键数据处理方法要求不严格，可以采用近实时或批处理的方法完成相应的数据工作。车载机动环境下，对电离层TEC测量的实时性提出更严格要求，因此，在已有的GPS-TEC实时测量分析软件基础上，进一步完善数据处理中的滤波、参数估计方法，提高TEC数据处理的实时性能。

综上所述，借助于本发明实施例的技术方案，通过设置多频段卫星信号接收天线接收多个频段的卫星信号，并传输给多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机计算电离层闪烁指数和电离层电子总含量，解决了现有技术中无法实现同时对多个频段电离层闪烁和TEC参数进行实时监测的问题，为电离层闪烁研究、预报及其影响效应预警发挥重要作用，能够在同一设备上对多个频段电离层闪烁和TEC这两种重要参数进行实时监测，为我国各种空间信息系统(特别是军用系统)同时提供多个频段闪烁预报预警服务。通过对监测站上空多频段电离层闪烁及TEC的实时监测，将使该地区的用户根据所关心的系统参数(频率等)和特定的使用环境实时或预先得知用户系统可能遭遇到的电离层闪烁造成的影响，以便选择适当的方法来避免或减小电离层闪烁干扰对我军各种卫星通信/导航/雷达监测系统的影响。本发明实施例的多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测装置(也可以称为：多频段电离层闪烁及TEC一体化监测仪)不仅适用于固定监测站也很适合于车载等机动监测站安装，特别适用于我国重大国防实验任务对空间电波环境异常监测预警保障的需求。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (9)

1.一种电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置，其特征在于，包括：

多频段卫星信号接收天线，用于接收穿过电离层到达地面的卫星信号；

多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机，用于获取所述卫星信号，对所述卫星信号进行高速采样，分离并提取所述卫星信号在穿过电离层不均匀体时所受的影响信息，根据所述影响信息同时实时计算多个频段电离层闪烁指数和/或电离层电子总含量并输出；

所述多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机具体包括：UHF频段电离层闪烁监测接收机；

所述UHF频段电离层闪烁监测接收机具体包括：

UHF频段卫星信号接收模块，用于获取所述多频段卫星信号接收天线接收的UHF频段卫星信号，对所述UHF频段卫星信号进行高速采样，对采样后的所述UHF频段卫星信号进行放大、滤波、混频、和检波处理，提取所述UHF频段卫星信号的载波幅度；

UHF频段数字信号处理模块，用于分离并提取所述UHF频段卫星信号在穿过电离层不均匀体时所受的影响信息，根据所述影响信息计算UHF频段电离层闪烁指数并输出；

UHF频段电源模块，用于为所述UHF频段电离层闪烁监测接收机中的各个模块进行供电。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机具体用于：

根据公式1对所述卫星信号进行去趋势处理；

其中，x_det为去趋势后的信号，x_p为信号强度或载波相位，x_tre为趋势数据；

根据公式2，通过3个2阶滤波器串联对所述卫星信号的信号强度和载波相位进行去趋势处理；

其中，i为串联的滤波器编号，k与k+1为数据的时间标记，u为滤波器的输入，Φ与Γ为滤波器参数；

根据预定时间内的原始数据、以及公式3计算电离层闪烁指数S₄；

其中，I＝x_det，N为预定时间内的原始数据量；

根据预定时间内的原始相位数据、以及公式4和公式5计算相位闪烁指数σ_ΔΦ；

其中，φ＝Adr_tre，Adr_tre为趋势相位数据，N为预定时间内的原始数据量，M为预定时间内计算出的σ_ΔΦ的数目；

和/或根据公式6计算电离层电子总含量；

TEC＝2.853*(P₂-P₁-q) 公式6；

其中，P₁、P₂为接收的卫星伪码距测量，P₁、P₂和q的单位是纳秒，q为接收机与卫星之间的硬件延迟，单位是米的卫星伪码距测量P通过公式P*(10.0/2.99792458)转换为单位为纳秒的卫星伪码距测量。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多频段卫星信号接收天线具体用于：接收穿过电离层到达地面的超高频UHF频段、L频段、S频段、和/或C频段的卫星信号。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述多频段卫星信号接收天线具体包括：

UHF频段车载微带天线，用于接收烽火卫星通信系统的下行广播信号的UHF频段卫星信号；

车载双频GPS天线，用于接收美国GPS导航卫星系统的下行信号的L频段GPS双频载波信号；

车载S频段电离层闪烁接收天线，用于接收北斗一号导航卫星系统的下行信号的S频段卫星信号；

车载C频段电离层闪烁接收天线，用于接收卫星通信系统的下行信号的C频段卫星信号。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述UHF频段卫星信号接收模块具体用于：通过低噪声放大器LNA对所述UHF频段卫星信号进行放大、通过带通滤波器进行滤波，将处理后的所述UHF频段卫星信号与一本振频率合成器产生的一本振信号进行混频，输出一中频信号，通过所述带通滤波器对所述一中频信号进行滤波后，与二本振频率合成器产生的二本振信号进行混频，输出二中频信号，通过10.7MHz晶体带通滤波器对所述二中频信号进行滤波，通过对数放大器对滤波后的所述二中频信号进行检波放大，并提取所述UHF频段卫星信号的载波幅度；

所述UHF频段数字信号处理模块具体用于：通过模数转换器对所述对数放大器输出的电压进行模数变换，将经过检波和采样处理后的所述UHF频段卫星信号发送到数字信号处理器，通过所述数字信号处理器中的6阶巴特沃斯滤波器对经过检波和采样处理后的所述UHF频段卫星信号进行数字滤波处理，以分离并提取穿过电离层的所述UHF频段卫星信号受电离层不均匀体所产生扰动的影响信息，并根据所述影响信息进行UHF频段闪烁指数的计算和输出。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机具体包括：L频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测接收机；

所述L频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测接收机具体包括：

L频段卫星信号接收模块，用于获取所述多频段卫星信号接收天线接收的L频段全球定位系统GPS双频载波信号，并对所述L频段GPS双频载波信号进行放大、混频、和滤波处理；

L频段数字信号处理模块，用于对L频段GPS双频载波信号进行高速采样，提取所述L频段GPS双频载波信号的载波相位和载波幅度信息，分离并提取所述L频段GPS双频载波信号在穿过电离层不均匀体时所受的影响信息，根据所述影响信息计算L频段电离层闪烁指数和电离层电子总含量并输出；

L频段电源模块，用于为所述L频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测接收机中的各个模块进行供电。

7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机具体包括：S频段电离层闪烁监测接收机；

所述S频段电离层闪烁监测接收机具体包括：

S频段卫星信号接收模块，用于获取所述多频段卫星信号接收天线接收的S频段卫星信号，并将所述S频段卫星信号下变频成中频信号，对所述中频信号进行模数转换与高速采样；

S频段数字信号处理模块，用于提取所述S频段卫星信号的载波相位和载波幅度信息，分离并提取所述S频段卫星信号在穿过电离层不均匀体时所受的影响信息，根据所述影响信息计算S频段电离层闪烁指数并输出；

S频段电源模块，用于为所述S频段电离层闪烁监测接收机中的各个模块进行稳定精确的供电。

8.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测接收机具体包括：C频段电离层闪烁监测接收机；

所述C频段电离层闪烁监测接收机具体包括：

C频段卫星信号接收模块，用于获取所述多频段卫星信号接收天线接收的C频段卫星信号，对所述C频段卫星信号进行高速采样，对所述C频段卫星信号进行放大、滤波、混频、和检波处理，并提取所述C频段卫星信号的载波幅度；

C频段数字信号处理模块，用于分离并提取所述C频段卫星信号在穿过电离层不均匀体时所受的影响信息，根据所述影响信息计算C频段电离层闪烁指数并输出；

C频段电源模块，用于为所述C频段电离层闪烁监测接收机中的各个模块进行供电。

9.如权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述UHF频段车载微带天线的技术参数为：工作频率大于等于344MHz且小于等于351MHz，驻波比不大于1.5，增益不小于7dB，极化方式为右旋圆极化，对星调节方式为一维手动调节对星，总重量不大于25千克；

所述车载双频GPS天线的技术参数为：工作频率大于等于1565MHz且小于等于1585MHz，或者大于等于1217MHz且小于等于1237MHz，驻波比不大于2.0，增益不小于5.5dBi，极化方式为右旋圆极化，对星调节方式为全向无调节，总重量不大于2千克；

所述车载S频段电离层闪烁接收天线的技术参数为：工作频率大于等于2486MHz且小于等于2496MHz，驻波比不大于2.0，增益不小于3.5dBi，极化方式为右旋圆极化，对星调节方式为全向无调节，总重量不大于3千克；

所述车载C频段电离层闪烁接收天线的技术参数为：工作频率大于等于3.4GHz且小于等于4.2GHz，天线面口径为1.2米，驻波比不大于1.3，增益不小于32dBi，第一旁瓣特性不大于14dB，极化方式为线极化，对星调节方式为Az、El二轴手动调节，水平方向调节角度为大于等于0度且小于等于360度，俯仰调节角度为大于等于0度且小于等于180度，总重量不大于50千克。