CN106646528A - 基于辅助天线消除太阳射电爆发对导航信号干扰的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于辅助天线消除太阳射电爆发对导航信号干扰的系统，其包括地面站主天线、辅助天线系统、3个以上滤波器、3个以上可控移相器、合路器、计算机，地面站主天线、辅助天线系统分别通过滤波器与可控移相器连接，3个以上可控移相器的输出端与合路器的输入端连接，合路器与计算机连接；本装置采用增加辅助天线系统的方案，可以在合成方向图上形成一个零点，通过将该零点对准构建太阳方向，为此太阳射电爆发信号将由于该零点的作用而大大衰减，进而减小爆发信号对导航信号的影响。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航测控领域，涉及基于辅助天线消除太阳射电爆发对导航信号干扰的系统及控制方法，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.(如图2)
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月日和13日有两次较强的L波段太阳射电爆发。图3-4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5所示。
图6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。
天线辐射方向图(radiation pattern)是描述天线方向性能的函数，它代表天线辐射特性(场强振幅、相位、极化)与空间角度之间的关系，并以图形的方式直观的表达出来；从辐射方向图中能够快速获得天线的主要参数，包括：主瓣宽度，旁瓣电平，方向系数等。
黄文耿等人在通过统计国外内的GPS站的情况发现，2006年12月13日事件中，对以下几个IGS(International GPS Service)标准站的数据进行了分析：澳大利亚NIUE台站(地理坐标为：19.1°S 169.9°E)中国境内的HAIN站(地理坐标为：19.4°N，109.1°E)、GUAZ站(地理坐标为：23.1°N，108.3°E)的闪烁指数S4进行了统计；此次事件持续时间段为UTC时间：02:14-02:57，最强流量时刻发生在02:40，当时的太阳高度角，NIUE台站应高于GUAZ站4°以上(同时考虑到此时太阳处于南回归线附近)，根据GPS地面站天线结构，主瓣应该是指向正上方天空，所以同样的太阳射电爆发功率GUAZ地面站较之于NIUE地面站的入射功率受到天线方向图的作用，而更小。
为此在考察的几个地面站中NIUE台站的闪烁指数到达了强闪烁级别(S4>0.6)，而HAIN站的闪烁指数只是在中等闪烁级别；为此文章得到结论：日下点附近的GPS站收到太阳射电爆发的影响要比远日点大。这就是天线方向图造成。
目前，针对卫星地面站受到该类干扰暂时只有预警、事后分析、标识数据无效等方案，如果能够在地面站系统中加入信号处理单元，可以减少该种干扰的影响，提高系统稳定性。
发明内容
本发明目的是提供一种基于辅助天线消除太阳射电爆发对导航信号干扰的系统，主要适用于L波段太阳射电剧烈爆发干扰导航卫星信号的消除；该系统建立的重要意义在于：可以在不改变原地面站系统接收机结构的情况下，只需增加若干辅助设备即可快速消除太阳强射电爆发这一隐性的潜在干扰源。
本发明基于辅助天线消除太阳射电爆发对导航信号干扰的系统包括地面站主天线、辅助天线系统、3个以上滤波器、3个以上可控移相器、合路器、计算机，地面站主天线、辅助天线系统分别通过滤波器与可控移相器连接，3个以上可控移相器的输出端与合路器的输入端连接，合路器与计算机连接。
其中，所述辅助天线系统由两架以上天线构成，各天线的输出端分别与相应的可控移相器输入端相连；地面站主天线负责对卫星数据接收；计算机通过控制线输出对可控移相器进行控制达到数控相移的目的，同时在计算机中通过计算获取目前太阳位置，计算出相移控制因子的数值。
控制方案在于：通过地面站主天线、辅助天线系统构建天线阵，同时通过对各天线信号的加权形成针对太阳为“零点”的天线阵方向图，根据天线阵加权原理，在太阳射电源的来波方向就形成一个陷波点，削弱了太阳射电爆发信号的影响，同时由于空中导航卫星分布较为均匀，则将其主天线波束对准其余未受影响的空域。
天线阵指向原理
假设一个由N个相同阵元构成的线性天线列阵，阵元间距为d(通常以波长作为单位来度量)。令第一个阵元作为整个阵列的相位参考点，根据几何关系。针对来波方向为θ(且符合远场条件)的远场信号(见图7)：
该距离差所产生的N、N+1天线接收信号的相位差为：
或其中，λ为射电信号波长，f频率，c为光速；
对于一个处于远场区观测点的辐射电场强度随入射角正弦值sinθ(假设各阵各向同性)的变化为：
其中k＝2π/λ，λ为工作波长。
根据等差数列求和公式：
阵列天线场强的方向图为:
根据三角函数性质|E(sinθ)|的最大值，发生于θ＝0°时：
则N个阵元直线列阵的归一化方向图为：
归一化列阵的辐射方向图由下式给出：
通过每个阵元通过调节与之相邻的阵元相位差kdsinθ0来实现：
根据L’Hopital法则，当分子、分母均为0时，天线阵增益为最大值即辐射方向图中主瓣和旁瓣波束方向所在，此时满足：
解得，这些方向在：
根据天线阵波束合成原理：天线阵的方向图等于单个阵元方向图乘以阵因子(见图8)，为此只要在正在阵因子中设置好零点位置，则天线阵的方向图中必定会有此零点，利用天线阵方向图中设计零点，就可以做到消除某个特定方向无线电干扰的目的。
如果剧烈太阳射电爆发信号从上述这些方向进入接收系统，则天线增益较之于其他角度高，根据影响公式：
其中PSRB为太阳爆发信号功率，但如果其从g(θ)＝0时，该影响是最小的；即天线阵的辐射方向图的零点角度，令：
即：
求解得到多个零点方向角为：
为此从上述推导可以得出：在剧烈太阳射电爆发时，如果主天线和辅助天线之间进行有效的加权，则将零点“对准太阳”，即太阳射电爆发信号入射角方向的天线阵增益为：g(θ)为较大负值时，则根据影响公式中的PSRB被g(θ)增益扬中衰减，则上式中：
受到太阳射电爆发的影响最小。
但是，作为干扰源的太阳，其一直在运动，固定天线阵很难在准确的时间正好将“零点”对准正在射电爆发的太阳，为此需要对
式进行加权，有效的调整零点位置，即：
其中，f(θ)＝kdsinθ，wn为加权参数。
如果天线阵中有来自1-i方向的无线电干扰需要抑制，且i<N时,可以得到一组方程组：
转化为矩阵形式为：
本发明的优点和技术效果：可以在不改变原地面站系统接收机结构的情况下，只需增加若干辅助设备即可快速消除太阳强射电爆发这一隐性的潜在干扰源；采用增加辅助天线系统的方案，可以在合成方向图上形成一个零点，通过将该零点对准构建太阳方向，为此太阳射电爆发信号将由于该零点的作用而大大衰减，进而减小爆发信号对导航信号的影响。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2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3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4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5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6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。
图7为天线阵指向一个入射角度为θ的射电源示意图；
图8为天线阵元方向图(黑线)、阵元因子(绿线)和天线阵方向图(蓝线)的关系；
图9为30°方向上进行抑制，70°和-60°上固定增益阵元因子图；
图10为30°方向上进行抑制，70°和-60°上固定增益阵元因子图；
图11为30°方向上进行抑制，70°和-60°上固定增益阵元因子图；
图中：1-地面站主天线，2-辅助天线；3-滤波器；4-可控移相器；5-合路器；6-计算机。
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。
如图1所示，基于辅助天线消除太阳射电爆发对导航信号干扰的系统包括地面站主天线1、辅助天线系统、3个滤波器3、3个可控移相器4、合路器5、计算机6，地面站主天线、辅助天线系统分别通过滤波器与可控移相器连接，3个可控移相器的输出端与合路器的输入端连接，合路器与计算机连接，地面站主天线负责对卫星数据接收，辅助天线系统由2架辅助天线2构成，各天线的输出端分别与相应的可控移相器输入端相连；可控移相器的输出端与合路器的输入端相连。
在算法方面，通过主辅天线构建天线阵，同时通过对各天线信号的加权形成针对太阳为“零点”的天线阵方向图，根据天线阵加权原理，在太阳射电源的来波方向就形成一个陷波点，削弱了太阳射电爆发信号的影响，同时由于空中导航卫星分布较为均匀，则可以将其主天线波束对准其余未受影响的空域。
L波段太阳射电爆发信号源空间尺度的计算：
太阳活动在低频无线电上的观测数据反映了太阳活动等离子体抛射物CME在日地空间传播过程中，重要的物理特性。CME中等离子体发射频率与等离子体密度之间有如下对应关系：
其中Ne为等离子体密度，qe为等离子体单个离子的带电荷数，me为等离子体单个离子的质量。随着等离子体从太阳上抛射出来，其密度随着远离太阳的距离而降低，不同太阳高度对应等离子密度符合下面经典公式：
ne(R)＝ne0f(R)；
其中
参数ne0为太阳表面的等离子体密度数。为太阳直径，R为等离子体离开太阳的距离。随着CME物质远离太阳，其发射出来的无线电频率也在随之降低，为此太阳物理界一致认为地基太阳射电望远镜所能观测到的无线电爆发频率越低，CME物质离我们就越近。
因为太阳爆发干扰通信形式为同频干扰，即feq与导航信号的频率相同时才形成干扰，为此我们令：
解算得到此时的R大概在0.25个太阳半径考虑左右对称，抑制角度为1个太阳角径+2倍L波段太阳爆发高度＝1.5倍太阳半径＝45角分。
抑制强度：根据最大L波段太阳射电爆发强度30-40dB，抑制强度应该大于40dB。
根据式，我们可以建立如下一个三个元阵的二元方程：首先，方程1：对于干扰的来波方向θi，需要削弱信号：
其次，方程2：对于有信号来波方向θD1，需要信号增益为g1：
其次，方程2：对于有信号来波方向θD2，需要信号增益为g2：
整理为矩阵形式为：
其中K为在频率为1.57GHz(B1点)上计算得到；天线之间的间隔d为B1点的1/2波长。
由于太阳一直在天空中运动，为此在此事件中，需要实时计算出θi的值，即θi(t)，可以根据太阳的运动轨迹方程计算出，对该零点进行实时修正。
通过上述方程求得三个加权参数即：w1，w2，w3，然后经控制卡对模拟移相器进行控制。
令太阳的高度角为30°，对其方向进行抑制，对70°和60°方向增益分别为0.8、1，即：
解得权值为：
画出天线阵因子图如图9：
我们再考察1.2GHz(B2)时候，按上述主辅天线排布(d为d为B1点的1/2波长时)相应的移相器需要的加权参数为和：
画出天线阵因子图如图10：
1.27GHz(B3)时候，按上述主辅天线排布(d为d为B1点的1/2波长时)相应的移相器需要的加权参数为和：
Claims (3)
1.一种基于辅助天线消除太阳射电爆发对导航信号干扰的系统，其特征在于：包括地面站主天线、辅助天线系统、3个以上滤波器、3个以上可控移相器、合路器、计算机，地面站主天线、辅助天线系统分别通过滤波器与可控移相器连接，3个以上可控移相器的输出端与合路器的输入端连接，合路器与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的基于辅助天线消除太阳射电爆发对导航信号干扰的系统，其特征在于：辅助天线系统由两架以上辅助天线构成，各天线的输出端分别与相应的可控移相器输入端相连。
3.权利要求1所述的基于辅助天线消除太阳射电爆发对导航信号干扰的系统的控制方法，其特征在于：地面站主天线、辅助天线系统构建天线阵，通过对各天线信号的加权形成针对太阳为“零点”的天线阵方向图，根据天线阵加权原理，在太阳射电源的来波方向形成一个陷波点，削弱了太阳射电爆发信号的影响，同时由于空中导航卫星分布较为均匀，则将地面站主天线波束对准其余未受影响的空域。
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