CN106405583A - 针对太阳射电爆发干扰导航信号的研究、预警平台及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对太阳射电爆发干扰导航信号的研究、预警平台及其方法，其包括太阳射电流量监测部、导航卫星信号监测部、计算机；其中太阳射电流量监测部包括射电天线、模拟接收机系统、定标系统、3个以上功率‑电压转换器、数据采集器；导航卫星信号监测部包括导航天线、导航信号接收机；其中太阳射电流量监测部通过实时对太阳射电流量监测及噪声源开关之间的切换，实现对多通道太阳射电流量的精确定标，以判断是否发生太阳射电爆发事件，同时导航卫星信号监测部用于实时记录当前的信号质量等信息，太阳射电流量数据结合导航信号质量数据，判断射电爆发对信号质量的影响情况。

Description

针对太阳射电爆发干扰导航信号的研究、预警平台及其方法
技术领域
本发明属于卫星导航测控领域，具体涉及一种针对太阳射电爆发干扰导航信号的研究、预警平台及其方法，其适用于预警太阳射电爆发干扰导航通信领域。
背景技术
太阳是距离地球最近的恒星，在传递给地球光和热的同时，其活动也在各个方面影响着人类的生产、生活，以及人类依存度越来越高的技术体系。
人类目前主要依赖无线电波来进行星地-空通信，频率范围从数MHz直至数十GHz。国际上广泛使用的全球卫星导航定位系统(GPS、GLONASS、北斗等)，通过多颗卫星为地面设备提供定位、授时等服务，在军事、科考、海洋油气田钻探等领域发挥着巨大的作用。导航卫星的发射功率一般只有十几瓦到几十瓦左右，所使用的频段，一般在L和S频段。当导航电波到达地面时，接收到的信号功率大约只有-130dBm左右，其强度非常微弱，因此，地面上的接收信号很容易受到周围环境的干扰。排除人为的蓄意干扰外，自然界中导航卫星信号的主要干扰源有两种，一种是当GPS信号穿过电离层时，电离层中的小尺度不规则体引起无线电波的散射，造成导航信号强度和相位快速的无规则起伏和波动，这种现象称之为电离层闪烁；另一种是来自太阳射电的直接干扰。太阳射电暴期间，太阳射电辐射(无线电)会突然大幅度增加，如果爆发的频段覆盖了导航信号的频率，就会对GPS造成不同程度的射电干扰，主要表现为信噪比下降。观测表明，强太阳射电爆发能显著干扰导航电波的接收，严重时能造成接收机失锁、甚至完全中断，使得应用系统失去导航、定位、授时等基本功能。因此，包括美国GPS和我国北斗系统在内的太阳射电噪声干扰问题一直是影响卫星导航系统性能的重要影响因素。
太阳射电爆发的辐射强度会达到宁静时(约100S.F.U.，1S.F.U.＝10-22w/Hz m2)的数十倍，甚至数千倍。以2012年3月5日的爆发为例，在1.0和2.0GHz频点的辐射强度分别达到501812和18958S.F.U.(见图3)
射电暴影响GPS的流量最小阈值一般认为在4000S.F.U.左右，2006年12月太阳日面爆发了一系列事件，其中在12日和13日有两次较强的L波段太阳射电爆发。图4-5是L1、L2两个GPS通信频点的太阳射电流量、载噪比变化、单站所能收到的GPS卫星数量以及全球地面站失锁和定位误差等情况，发现两频点射电流量的变化与载噪比呈很好的正相关性。
利用已有观测频点数据统计不同频率点太阳活动的流量异常与GPS信号失锁时间的关系，不难发现在1415MHz频率上的太阳射电流量异常与GPS导航信号失锁关联性最大，这与GPS工作频段有密切关系，结果如图6所示。
图7明显看出，此次射电暴期间，我国的昆明、台湾、武汉、北京等GPS台站发生明显失锁现象，而且多个台站、多颗GPS卫星信号完全中断长达6分钟，射电暴期间，多个台站锁定的卫星数目小于4颗，使得GPS实时定位服务完全失效。
我们对日本野边山射电望远镜(Nobeyama Radio Polarimeters)在23周峰年(2000-2005)极大期6年间观测到的太阳射电爆发进行过粗略统计。在观测到456个爆发中，流量高于1000S.F.U.的有75个，在低频段(1.0、2.0和3.75GHz)流量高于1000S.F.U.的共计37个。考虑到NORP每天观测9小时，如按24小时计算，在峰年极大期间，年均发生可能影响GPS的爆发的数量大约是16个。这不论从强度和频度来看，都是相当可观的，可见太阳射电爆发是卫星导航通信必然的影响因素之一。
北斗导航卫星系统(BDS)是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，建成后的北斗导航卫星系统将可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务并兼具短报文通信能力。北斗导航卫星系统的建立，将大大促进我国卫星导航产业链的发展，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。同时，打破我国卫星导航应用在军事领域对国外的依赖和束缚，促进军事能力的发展具有重要的意义。基于北斗系统的应用是以北斗的稳定、可靠为前提的，其中空间环境的影响因素不能忽略。与太阳高能粒子辐射的影响不同，太阳射电暴主要影响卫星导航系统的传播段，太阳射电爆发以强噪声信号形式光速传播，在强耀斑爆发后约八分钟到达卫星轨道瞬间在通信链路上造成噪声增强，大大提前于太阳高能粒子的到达时间，因此，太阳射电爆发的实时监测和及时警报是减缓射电干扰的重要手段和途径。
目前，国内还没有专门针对北斗系统的太阳射电干扰设备和仪器，射电干扰的警报服务工作主要利用国外的有关数据，实时性、地域性和有效性差，不能满足科研和应用服务需求。
本发明重点针对我国北斗，同时兼顾其他世界上主要的卫星导航系统，研制L波段太阳射电爆发多通道、多频点实时监测设备和导航信号的射电干扰警报服务平台。利用监测设备，主要对在太阳射电爆发情况下的我国北斗系统性能进行研究，获取L波段太阳射电流对北斗导航系统的影响阈值，以及对定位过程中的几何精度因子(DOP：Dilution ofPrecision)、捕获导航卫星个数、定位精度等影响情况，同时对太阳射电暴的影响程度和影响级别进行实时警报，从而为进一步提高我国自主研发导航系统的可靠性和稳定性提供空间环境信息服务和支持。另外，利用射电流量观测数据，结合X射线、光学等观测手段，还能研究L波段射电爆发的频谱演化规律和太阳爆发的演化过程，提高人们对空间天气的认知水平和预报能力。
发明内容
本发明提供了一种针对太阳射电爆发干扰导航信号的研究、预警平台，主要适用于预警L波段太阳射电强爆发干扰导航信号通信方面；该系统建立的重要意义在于：可以快速探知L波段太阳射电爆发，为导航系统特别是我国目前大力发展的北斗系统提供可能受影响的警报信息，同时作为一种研究平台，可以获得太阳流量和导航卫星信号质量变化情况的相关性，为理论到实际的验证提供依据。
本发明是通过如下技术方案来实现的：
本针对太阳射电爆发干扰导航信号的研究、预警平台包括太阳射电流量监测部、导航卫星信号监测部、计算机；
其中太阳射电流量监测部包括射电天线、模拟接收机系统、定标系统、3个以上功率-电压转换器、数据采集器；导航卫星信号监测部包括导航天线、导航信号接收机；射电天线通过定标系统与模拟接收机系统连接，模拟接收机系统通过功率-电压转换器与数据采集器连接，数据采集器与计算机连接，计算机与定标系统连接；导航天线通过导航信号接收机与计算机连接。
所述模拟接收机系统包括第一级放大器、功分器、3个以上的隔离器、3个以上的滤波器Ⅰ、3个以上的第二级放大器、3个以上的滤波器Ⅱ；第一级放大器、功分器、隔离器、滤波器Ⅰ、第二级放大器、滤波器Ⅱ依次连接，滤波器Ⅱ与功率-电压转换器连接。
所述定标系统包括噪声源、微波开关，噪声源与微波开关连接，射电天线通过微波开关与第一级放大器连接，计算机与微波开关连接，并通过常规方法进行开关控制。
所述滤波器Ⅰ和滤波器Ⅱ均为带通滤波器。
太阳射电流量监测部主要通过实时对太阳射电流量监测、及噪声源开关之间的切换，实现对多通道太阳射电流量的精确定标，以判断是否发生太阳射电爆发事件，同时导航卫星信号监测部用于实时记录当前的导航信号质量等信息，太阳射电流量数据结合导航信号质量数据，判断射电爆发对信号质量的影响情况；计算机用于数据接收、数据分析处理，采用常规方法接收分析；
其中太阳射电流量监测部主要是通过具有精密流量定标功能的太阳射电望远镜来实现的：
首先，完成对无线电环境的测试，确定若干个没有受到无线电干扰的频段，以上述频段来设计带通滤波器；射电天线将空间传播电磁波信号转化为介质传导电磁波信号，通过天线馈源输入到模拟接收机系统的第一级放大器(低噪声放大器)，对太阳射电信号进行放大；
然后，第一级放大器输出通过1：N功分器将接收到信号分为N路输出，并通过隔离器接入多个带通滤波器Ⅰ进行频率选择，在带通滤波器之后经过第二级放大器放大后，再经过滤波器Ⅱ、功率-电压转换器将带内的功率信号转换为相应的电压信号，通过数据采集器被采集。
定标过程通过微波开关切换噪声源(同时兼有噪声源开关状态)、射电天线指向太阳、冷空几个状态完成对目前太阳射电流量的精密定标；
控制顺序为：首先控制微波开关切换到噪声源输入，噪声源关闭状态记录当前的各频点功率值P50，然后打开噪声源记录下当前的各频点功率值Pnoise，然后微波开关切换到射电天线信号输出，控制望远镜指向冷空记录下当前的各频点功率值Psky,最后转入太阳跟踪观测模式实时记录下Psun，通过上述四种功率值的比对，可以解算得到当前的太阳射电流量。
导航卫星信号监测部采用一套双模三频卫星导航接收机系统(GPS：L1，BD：B1和B2)，实时监测数据包括：实时监测GPS/BD卫星导航信号，实时输出经纬度、高度、速度、UTC时间、可见星数量、定位情况、几何精度因子(包括PDOP、TDOP、HDOP、VDOP、GDOP)，可见卫星的信噪比、仰角、方向角，以及伪距、载波相位、窄带功率、宽带功率等观测数据。
本发明装置通过实时对太阳射电流量监测及噪声源开关之间的切换，实现对多通道太阳射电流量的精确定标，以判断是否发生太阳射电爆发事件，同时多导航信号终端用于实时记录当前的信号质量信息，太阳射电流量数据结合导航信号质量数据，判断射电爆发对信号质量的影响情况；
其中比对宁静太阳活动时期内的卫星信号质量情况，包括监测GPS/BD卫星导航信号，实时输出经纬度、高度、速度、UTC时间、可见星数量、定位情况、几何精度因子，可见卫星的信噪比、仰角、方向角，以及伪距、载波相位、窄带功率、宽带功率，作为数据序列组1，在太阳射电爆发时期同样的固定时长内采集到的各种参数，作为数据序列组2，采用T分布方差检验对比组1和组2的区别，检验两个序列的差异是否显著，以大于置信区间95％为可信置信区间。
本发明的效果：
本发明采用太阳射电观测和卫星信号质量联合监测的方案，可以取得太阳射电流量爆发值对卫星信号质量之间的影响在数值上的关系，同时由于卫星质量数据来自多个方面，包括了几何精度因，可见卫星的信噪比、仰角、方向角，以及伪距、载波相位、窄带功率、宽带功率等观测数据，可以更好的发现太阳爆发时间段内射电流量变化对上述观测数据的影响，形成一个有效的采集、分析的研究平台。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为模拟接收机系统、定标系统结构示意图；
图3为2012年3月5日L波段太阳强射电爆发图；其中图A、B为太阳射电爆发时产生的左右两个旋向信号；
图4为2006年12月6日ZHU-WAAS GPS地面站L1频点载噪比下降及可见星数随太阳活动变化情况，左图为载噪比下降，右图为可见星数随太阳活动变化；
图5为2006年12月6日太阳射电活动全球GPS测地站失锁情况和定位误差，A图为失锁情况，B图为定位误差；
图6为不同频率太阳射电活动与导航卫星信号失锁之间的关联性；
图7为2006年12月13日射电暴期间，我国境内和澳大利亚部分GPS台站锁定卫星数随时间的变化，A图为中国，B图为澳大利亚。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容，如无特殊说明的均为常规设备及按常规方法实施和控制。
实施例1：如图1、2所示，本针对太阳射电爆发干扰导航信号的研究、预警平台包括太阳射电流量监测部、导航卫星信号监测部、计算机；其中太阳射电流量监测部包括射电天线、模拟接收机系统、定标系统、3个功率-电压转换器、数据采集器；导航卫星信号监测部包括导航天线、导航信号接收机；射电天线通过定标系统与模拟接收机系统连接，模拟接收机系统通过功率-电压转换器与数据采集器连接，数据采集器与计算机连接，计算机与定标系统连接；导航天线通过导航信号接收机与计算机连接；
所述模拟接收机系统包括第一级放大器、功分器、3个隔离器、3个滤波器Ⅰ、3个第二级放大器、3个滤波器Ⅱ；第一级放大器、功分器、隔离器、滤波器Ⅰ、第二级放大器、滤波器Ⅱ依次连接，滤波器Ⅱ与功率-电压转换器连接；定标系统包括噪声源、微波开关，噪声源与微波开关连接，射电天线通过微波开关与第一级放大器连接，计算机与微波开关连接；滤波器Ⅰ和滤波器Ⅱ均为带通滤波器。
射电天线主要采用一个抛物面结构的赤道式主焦式天线，接收L波段(1.0GHz-1.8GHz)频段内太阳射电辐射流量，同时兼顾2.84GHz为中心频率±5MHz带宽内的太阳射电信号接收。主要指标:
1、直径：4.5米；
2、极化方式：双圆极化；
3、工作带宽：1.0GHz-1.8GHz，2.84GHz±5MHz；
4、天线增益：1.0GHz-1.8GHz段≥30dBi；2.84GHz±5MHz段≥35dBi；
5、跟踪精度：1/10～1/15波束宽度；
6、跟踪范围：赤经±120°，赤纬±30°；
7、跟踪速度：地球自转速度+快动(30°/分)。
模拟接收机系统采用宽带放大+多点频滤波选通无无线电干扰的窄带频段，4-10MHz之间根据无线电环境确定，通过第一级宽带低噪声放大器将信号进行初步放大，再采用窄带滤波器选通需要监测的频段，再通过第二级放大器对信号进行进一步放大，采用窄带滤波器选通需要监测的频段，然后通过功率-电压检波转换将信号功率转换为相应的电压信号，通过多通道数据采集器进行采集，并发送至上位机进行分析、存储。
定标过程通过微波开关切换噪声源(同时兼有噪声源开关状态)、射电天线指向太阳、冷空几个状态完成对目前太阳射电流量的精密定标；
每隔一定时间，用标准噪声源对接收机进行标校，分别采集太阳(Psun)、冷空(Psky)、噪声源(Pnoise)和噪声源关断时(即相当于接入50Ω匹配负载时候的P50)的数据。
射电天线对准太阳时，得到太阳宁静状态下的天线温度：Tqs(宁静太阳及天空背景的亮温度)
Tqs＝GA·(Fqs+Fb) (1)
射电天线对准冷空时，得到冷空引起的天线温度：Tsky(冷空温度)
Tsky＝GA·Fsky (2)
上述4个功率值根据其输入的不同，可以由下列方程组求出：
其中Fqs为宁静太阳的流量密度，可以由以下计算得出：
根据Benz等人2009年整理的公式，宁静太阳射电流量功率谱密度Fqs可以由如下公式近似：
Fqs'(f)＝8.45×10-1f0.5617f∈(350MHz,6000MHz) (4)
考虑到太阳活动周对宁静太阳射电辐射的影响，宁静太阳射电流量密度又被修订为：
Fqs(f)＝Fqs'+ΔF×Z (5)
式中Z是太阳黑子相对数(通过网站www.ngdc.noaa.gov查询获得)，系数因子ΔF通过下面的方程给出：
ΔF＝1.20×10-5f1.374,f∈(30MHz,2770MHz) (6)
ΔF＝35.12f-0.5045,f∈(2770MHz,10000MHz) (7)
Fb为天空背景的流量密度；
Tqs为宁静太阳及天空背景的亮温度；
Tsky为冷空温度；
Tnoise为噪声源超噪比对应的温度；
T50为50Ω匹配负载对应的温度；
GA和GR分别为天线和接收机增益；
r为随机噪声；
天线对准太阳时，每通道输出的功率值可以由下式得出：
Pobs(f)＝GR(f)·GA(f)·(Fobs(f)+Fb(f))+r(f) (8)
天线对准冷空时，每通道输出的功率值可以由下式得出：
Psky(f)＝GR(f)·GA(f)·Fb(f)+r(f) (9)
上两式相减得到，得到太阳的流量值：
同时通过噪声源的开关接入可以实时纠正接收机增益随温度的变化：
其中Tnoise-T50可由选择的噪声源的超噪比来确定。
在宁静太阳时期，通过天线对准冷空和宁静太阳可以得到天线增益的变化：
对于导航信号质量监测方面：
通过高精度GPS/BD导航接收机对GPS和BD卫星导航系统信号的实时监测及分析，反映太阳射电爆发对其若干指标的影响情况。
主要依据的平台系统是：一套双模三频卫星导航接收机(GPS：L1，BD：B1和B2)；
实时监测数据包括：
实时监测GPS/BD卫星导航信号，实时输出经纬度、高度、速度、UTC时间、可见星数量、定位情况，几何精度因子(包括PDOP、TDOP、HDOP、VDOP、GDOP)，可见卫星的信噪比、仰角、方向角，以及伪距、载波相位、窄带功率、宽带功率等观测数据；
实时记录：
实时记录GPS/BD导航接收机的工作状态、观测数据和分析结果，记录时间间隔为1s；
数据分析：实时分析GPS/BD导航接收机的工作状态和观测数据，对状态和数据的变化量进行实时分析，同时可通过原始观测量的采集对电离层的状态进行分析；
研究中采用在宁静太阳时期的固定时长内采集到的各种相关参数，作为数据序列组1，在太阳射电爆发时期同样的固定时长内采集到的各种参数，作为数据序列组2，采用T分布方差检验对比组1和组2的区别，检验两个序列的差异是否显著，以大于置信区间95％为可信置信区间。如果显著则说明的确受到了影响。

Claims (6)

1.一种针对太阳射电爆发干扰导航信号的研究、预警平台，其特征在于：包括太阳射电流量监测部、导航卫星信号监测部、计算机；其中太阳射电流量监测部包括射电天线、模拟接收机系统、定标系统、3个以上功率-电压转换器、数据采集器；导航卫星信号监测部包括导航天线、导航信号接收机；射电天线通过定标系统与模拟接收机系统连接，模拟接收机系统通过功率-电压转换器与数据采集器连接，数据采集器与计算机连接，计算机与定标系统连接；导航天线通过导航信号接收机与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的针对太阳射电爆发干扰导航信号的研究、预警平台，其特征在于：模拟接收机系统包括第一级放大器、功分器、3个以上的隔离器、3个以上的滤波器Ⅰ、3个以上的第二级放大器、3个以上的滤波器Ⅱ；第一级放大器、功分器、隔离器、滤波器Ⅰ、第二级放大器、滤波器Ⅱ依次连接，滤波器Ⅱ与功率-电压转换器连接。
3.根据权利要求2所述的针对太阳射电爆发干扰导航信号的研究、预警平台，其特征在于：定标系统包括噪声源、微波开关，噪声源与微波开关连接，射电天线通过微波开关与第一级放大器连接，计算机与微波开关连接。
4.根据权利要求1所述的针对太阳射电爆发干扰导航信号的研究、预警平台，其特征在于：滤波器Ⅰ和滤波器Ⅱ均为带通滤波器。
5.根据权利要求1所述的针对太阳射电爆发干扰导航信号的研究、预警平台，其特征在于：导航信号接收机为双模三频卫星导航接收机，实时监测GPS、BD卫星导航信号质量。
6.权利要求1所述的针对太阳射电爆发干扰导航信号的研究、预警平台的使用方法，其特征在于：太阳射电流量监测部通过实时对太阳射电流量监测及噪声源开关之间的切换，实现对多通道太阳射电流量的精确定标，以判断是否发生太阳射电爆发事件，同时导航卫星信号监测部用于实时记录当前的导航信号质量信息，太阳射电流量数据结合导航信号质量信息，判断射电爆发对导航信号质量的影响情况；
其中比对宁静太阳活动时期内的卫星信号质量情况，包括：监测GPS/BD卫星导航信号，实时输出经纬度、高度、速度、UTC时间、可见星数量、定位情况、几何精度因子、可见卫星的信噪比、仰角、方向角、伪距、载波相位、窄带功率、宽带功率观测数据，作为数据序列组1，在太阳射电爆发时期同样的固定时长内采集到的各种参数，作为数据序列组2，采用T分布方差检验对比组1和组2的区别，检验两个序列的差异是否显著，以大于置信区间95％为有明显差异。
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