CN108732596A - 基于中国区域定位系统的双频电离层测量方法及系统 - Google Patents

基于中国区域定位系统的双频电离层测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种基于中国区域定位系统的双频电离层测量方法及系统，该方法包括将线性调频信号上变频至双频射频信号，通过一天线发出后经卫星转发器转发形成第一回波信号和第二回波信号；第一回波信号和第二回波信号被该天线接收后，经接收通道下变频至固定中频信号，进行信号采集；双频射频信号经过内定标分机馈入接收通道，以采集第一内定标信号和第二内定标信号；根据同步采集的第一回波信号和第一内定标信号获取第一路信号的传播时延，同理获取第二路信号的传播时延；根据第一路信号、第二路信号的传播时延与电离层TEC的关系，求得电离层TEC。本发明建立了双频信号的空间传播时延差与电离层TEC的数学模型，实现了电离层TEC的精确测量。

Description

基于中国区域定位系统的双频电离层测量方法及系统
技术领域
本发明涉及电离层测量技术领域，尤其涉及一种基于中国区域定位系统的双频电离层测量方法及系统。
背景技术
电离层是地球高层大气被电离层了的部分，存在于离地面约50km至约1000km之间，其中存在的离子和电子在数量上多到足以影响无线电波的传播。对穿过其中的电磁波信号产生附加延时，导致信号产生幅度和相位畸变。对于导航系统，将影响导航精度，对于星载SAR系统，将导致SAR图像质量变差，信号频率越低，受电离层影响越严重。一般而言，对于工作在2GHz以下的星载系统(如L波段的TanDEM系统和P波段的BIOMASS系统等)和导航系统(GPS系统、北斗系统、GLONASS系统等)都需要对电离层校正。
电离层具有色散特点，不同的频率信号引起的电离层延时不同，一般GPS等导航系统具有双频工作体制，利用双频伪距测量可以获得电离层TEC，基本原理如下：
其中，P1和P2分别为双频信号测得的伪距，ρ为星地真实距离，f1和f2分别为双频载波频率。
利用(1)和(2)可得：
从式(3)可以看出，利用双频伪距可以测量电离层TEC。基于此原理，人们研究了很多电离层测量方法以实现电离层影响校正。
我国的CAPS(中国区域定位系统)系统基于北斗卫星的B1、B2、B3等不同载波频率，也基于此方法进行电离层TEC测量估计。
上述基于双频载波伪距进行电离层TEC估计存在如下不足：
1)一般基于GPS信号体制的伪距测量值精度不高，导致TEC估计精度不高。
2)电离层TEC反演精度与硬件延时有关，必须对硬件延时进行反演，以获得较高精度的电离层TEC，硬件延时反演精度会对电离层TEC估计精度产生影响。
3)该方法需要多星多站进行数据融合，因此，需要多个GPS接收站和接收多个卫星的伪距进行处理才能获得高精度电离层TEC。
综上，基于双频载波伪距进行电离层TEC测量误差源较多，测量精度受限。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于中国区域定位系统的双频电离层测量方法及系统，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
作为本发明的一个方面，提供一种基于中国区域定位系统的双频电离层测量方法，包括以下步骤：
步骤A：将线性调频信号上变频至不同中心频率的第一射频信号和第二射频信号，通过一天线发出后经过卫星转发器进行信号转发，分别形成第一回波信号和第二回波信号；
步骤B：所述第一回波信号和第二回波信号被该天线接收后，经接收通道下变频至固定中频信号，进行第一回波信号和第二回波信号的采集；
步骤C：第一射频信号和第二射频信号经过内定标分机馈入所述接收通道，进行第一内定标信号和第二内定标信号的采集；
步骤D：根据同步采集的第一回波信号和第一内定标信号获取第一路信号的传播时延，根据同步采集的第二回波信号和第二内定标信号获取第二路信号的传播时延，其中第一路信号包括第一射频信号和第一回波信号，第二路信号包括第二射频信号和第二回波信号；
步骤E：根据所述第一路信号的传播时延与电离层TEC的关系、以及所述第二路信号的传播时延与所述电离层TEC的关系，求得所述电离层TEC。
其中，步骤D中，获取所述第一路信号的传播时延的步骤具体包括：
分别对采集的第一回波信号和第一内定标信号进行距离向脉冲压缩，并对脉冲压缩结果进行插值运算；
根据第一回波信号和第一内定标信号的脉冲压缩峰值位置，确定第一路信号的传播时延；
获取所述第二路信号的传播时延的步骤具体包括：
分别对采集的第二回波信号和第二内定标信号进行距离向脉冲压缩，并对脉冲压缩结果进行插值运算；
根据第二回波信号和第二内定标信号的脉冲压缩峰值位置，确定第二路信号的传播时延。
其中，所述第一路信号的传播时延和电离层TEC的关系通过式(1)表示为：
所述第二路信号的传播时延和电离层TEC的关系通过式(2)表示为：
其中，Δt1为第一路信号的传播时延；Δt2为第二路信号的传播时延；T1为第一路信号自发射到接收的时延；T2为第二路信号自发射到接收的时延；TCAL1为第一路信号硬件系统延时；TCAL2为第二路信号硬件系统延时；R为天线相位中心到卫星转发器间的距离；c为光速，fC2为第一射频信号的中心频率；fB3为第一回波信号的中心频率；fC3为第二射频信号的中心频率；fB1为第二回波信号的中心频率。
其中，所述电离层TEC通过联立式(1)和式(2)求解得到。
其中，步骤A中，还包括将所述第一射频信号和第二射频信号分别进行放大后通过所述天线发出。
其中，所述第一射频信号和第二射频信号为任选的中心频率为6051.045MHz、6204.495MHz以及6368.175MHz信号中的两种。
其中，步骤B中，所述第一回波信号和第二回波信号在下变频至固定中频信号之前经所述接收通道进行低噪放大。
作为本发明的另一个方面，提供一种用于实现如上所述的双频电离层测量方法的测量系统，包括：线性调频信号源，用于产生线性调频信号；发射通道，耦合至所述线性调频信号源的输出端，用于将所述线性调频信号上变频至不同中心频率的第一射频信号和第二射频信号；天线，耦合至所述发射通道的输出端，用于发射所述第一射频信号和第二射频信号，以及接收经卫星转发器转发的第一回波信号和第二回波信号；接收通道，其输入端耦合至所述天线，用于将所述第一回波信号和第二回波信号进行下变频至固定中频信号；内定标分机，分别耦合至发射通道的输出端和接收通道的输入端，用于将第一射频信号和第二射频信号馈入所述接收通道，形成第一内定标信号和第二内定标信号；数据采集和处理模块，耦合至所述接收通道的输出端，用于采集接收通道的输出信号并进行数据处理得到电离层TEC。
其中，所述发射通道包括：至少两个上变频器，分别耦合至所述线性调频信号源的输出端；以及至少两个固态功放，分别耦合至所述至少两个上变频器的输出端，用于对所述第一射频信号和第二射频信号进行功率放大；
所述接收通道包括：一低噪放，分别耦合至所述天线，用于对所述第一回波信号和第二回波信号进行低噪放大；以及至少两个下变频器，分别耦合至所述低噪放的输出端。
基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：
1)利用线性调频信号源代替原有的基带信号，使系统可以同时采集内定标信号和卫星转发器回波信号，可以实时消除系统自身延时不稳定引起的误差，建立双频信号的空间传播时延差与电离层TEC的数学模型，实现电离层TEC的精确测量。
2)增加内定标分机，可以实现系统延时的实时标定，提高空间传播延时测量精度。
3)通过双频脉冲信号距离压缩，提高信噪比，同时通过数据插值测量脉压后峰值点位置，大大提高脉压后峰值点位置求解精度，且不受设备硬件采样率的限制，可以精确计算双频信号的空间传播时延差，实现电离层TEC的高精度测量。
附图说明
图1是本发明实施例基于中国区域定位系统的双频电离层测量方法及系统的原理结构图；
图2是本发明实施例脉冲压缩示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的一实施例中，提供了一种基于中国区域定位系统的双频电离层测量方法。
如图1所示，该双频电离层测量方法包括以下步骤：
步骤A：将线性调频信号上变频至不同中心频率的第一射频信号和第二射频信号，通过一天线发出后经过卫星转发器进行信号转发，分别形成第一回波信号和第二回波信号。
本步骤中，线性调频信号由线性调频信号源产生，经上变频器变换到不同中心频率的射频信号，射频信号经固态功放放大后经天线辐射出去，卫星转发器接收天线辐射信号后进行信号转发，形成回波信号，回波信号由接收到的6051.045MHz(C1上行)、6204.495MHz(C3)以及6368.175MHz(C2)信号分别下变频到3826.02MHz(C1下行)、1575.42MHz(B1)以及1268.52MHz(B3)信号。作为示例，以经过C2上变频器得到的6368.175MHz信号作为第一射频信号，以经过C3上变频器得到的6204.495MHz信号作为第二射频信号，相应地，经过卫星转发器后得到的1268.52MHz信号作为第一回波信号，经过卫星转发器得到的1575.42MHz信号作为第二回波信号。
步骤B：第一回波信号和第二回波信号被该天线接收后，经接收通道下变频至固定中频信号，进行第一回波信号和第二回波信号的采集。
本步骤中，步骤A下变频后的回波信号经天线接收后进入接收通道的低噪放放大，然后进入接收通道的下变频器变换到固定中频信号进行采集。
步骤C：第一射频信号和第二射频信号经过内定标分机馈入前述接收通道，进行第一内定标信号和第二内定标信号的采集。
本步骤中，由于利用线性调频信号替代中国区域定位系统原有的基带信号，使系统不仅可以采集卫星转发器转发信号，还同步采集经过内定标分机的信号。
步骤D：根据同步采集的第一回波信号和第一内定标信号获取第一路信号的传播时延，根据同步采集的第二回波信号和第二内定标信号获取第二路信号的传播时延，其中第一路信号包括第一射频信号和第一回波信号，第二路信号包括第二射频信号和第二回波信号。
本步骤中，对采集的第一回波信号和第一内定标信号进行距离向脉冲压缩，再对距离向脉冲压缩结果进行插值运算以提高脉冲压缩峰值测量精度。如图2所示，根据脉冲压缩后峰值点位置可以精确求解第一路信号(C2至B3)的传播时延。同理可精确求解第二路信号(C3至B1)的传播时延。
步骤E：根据第一路信号(C2至B3)的传播时延与电离层TEC的关系、以及第二路信号(C3至B1)的传播时延与该电离层TEC的关系，求得该电离层TEC。本步骤中，第一路信号(C2至B3)从发射到接收的时延为：
其中，R为天线相位中心到卫星转发器间的距离，c为光速，为中心频率为fC2(6368.175MHz)时上行电离层附加时延，为中心频率为fB3(1268.52MHz)时下行电离层附加时延，TCAL1为第一路信号C2至B3硬件系统延时。
因此，第一路信号的传播时延为：
同理，第二路信号(C3至B1)从发射到接收的时延为：
其中，R为天线相位中心到卫星转发器间的距离，c为光速，为中心频率为fC3(6204.495MHz)时上行电离层附加时延，为中心频率为fB1(1575.42MHz)时下行电离层附加时延，TCAL2为第二路信号C3至B1硬件系统延时，相应地可以精确求解第二路信号(C3至B1)的传播时延：
联合式(5)和式(7)，可以获得：
上式(8)表明，双频信号的空间传播时延差与电离层TEC线性相关，利用脉冲压缩和高精度插值可以精确计算Δt1和Δt2，进而实现电离层TEC的高精度估计。
在本发明的另一实施例中，提供了一种基于中国区域定位系统的双频电离层测量系统，该双频电离层测量系统包括：线性调频信号源，用于产生线性调频信号；发射通道，耦合至线性调频信号源的输出端，用于将线性调频信号上变频至不同中心频率的第一射频信号和第二射频信号；天线，耦合至发射通道的输出端，用于发射所述第一射频信号和第二射频信号，以及接收经卫星转发器转发的第一回波信号和第二回波信号；接收通道，其输入端耦合至该天线，用于将第一回波信号和第二回波信号进行下变频至固定中频信号；内定标分机，分别耦合至发射通道的输出端和接收通道的输入端，用于将第一射频信号和第二射频信号馈入所述接收通道，形成第一内定标信号和第二内定标信号；数据采集和处理模块，耦合至所述接收通道的输出端，用于采集接收通道的输出信号并进行数据处理得到申离层TEC。
具体地，如图1所示，发射通道包括至少两个上变频器，分别耦合至线性调频信号源的输出端；还包括至少两个固态功放，分别耦合至至少两个上变频器的输出端，用于对第一射频信号和第二射频信号进行放大后由该天线发出。
接收通道包括：一低噪放，分别耦合至所述天线，用于对第一回波信号和第二回波信号进行低噪放大；至少两个下变频器，分别耦合至低噪放的输出端。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于中国区域定位系统的双频电离层测量方法，包括以下步骤：
步骤A：将线性调频信号上变频至不同中心频率的第一射频信号和第二射频信号，通过一天线发出后经过卫星转发器进行信号转发，分别形成第一回波信号和第二回波信号；
步骤B：所述第一回波信号和第二回波信号被该天线接收后，经接收通道下变频至固定中频信号，进行第一回波信号和第二回波信号的采集；
步骤C：第一射频信号和第二射频信号经过内定标分机馈入所述接收通道，进行第一内定标信号和第二内定标信号的采集；
步骤D：根据同步采集的第一回波信号和第一内定标信号获取第一路信号的传播时延，根据同步采集的第二回波信号和第二内定标信号获取第二路信号的传播时延，其中第一路信号包括第一射频信号和第一回波信号，第二路信号包括第二射频信号和第二回波信号；
步骤E：根据所述第一路信号的传播时延与电离层TEC的关系、以及所述第二路信号的传播时延与所述电离层TEC的关系，求得所述电离层TEC。
2.根据权利要求1所述的双频电离层测量方法，其特征在于，步骤D中，
获取所述第一路信号的传播时延的步骤具体包括：
分别对采集的第一回波信号和第一内定标信号进行距离向脉冲压缩，并对脉冲压缩结果进行插值运算；
根据第一回波信号和第一内定标信号的脉冲压缩峰值位置，确定第一路信号的传播时延；
获取所述第二路信号的传播时延的步骤具体包括：
分别对采集的第二回波信号和第二内定标信号进行距离向脉冲压缩，并对脉冲压缩结果进行插值运算；
根据第二回波信号和第二内定标信号的脉冲压缩峰值位置，确定第二路信号的传播时延。
3.根据权利要求1所述的双频电离层测量方法，其特征在于：
所述第一路信号的传播时延和电离层TEC的关系通过式(1)表示为：
所述第二路信号的传播时延和电离层TEC的关系通过式(2)表示为：
其中，Δt1为第一路信号的传播时延；Δt2为第二路信号的传播时延；T1为第一路信号自发射到接收的时延；T2为第二路信号自发射到接收的时延；TCAL1为第一路信号硬件系统延时；TCAL2为第二路信号硬件系统延时；R为天线相位中心到卫星转发器间的距离；c为光速，fC2为第一射频信号的中心频率；fB3为第一回波信号的中心频率；fC3为第二射频信号的中心频率；fB1为第二回波信号的中心频率。
4.根据权利要求3所述的双频电离层测量方法，其特征在于，所述电离层TEC通过联立式(1)和式(2)求解得到。
5.根据权利要求1所述的双频电离层测量方法，其特征在于，步骤A中，还包括将所述第一射频信号和第二射频信号分别进行放大后通过所述天线发出。
6.根据权利要求1所述的双频电离层测量方法，其特征在于，所述第一射频信号和第二射频信号为任选的中心频率为6051.045MHz、6204.495MHz以及6368.175MHz的信号中的两种。
7.根据权利要求1所述的双频电离层测量方法，其特征在于，步骤B中，所述第一回波信号和第二回波信号在下变频至固定中频信号之前经所述接收通道进行低噪放大。
8.一种用于实现如权利要求1至7任意一项所述的双频电离层测量方法的测量系统，包括：
线性调频信号源，用于产生线性调频信号；
发射通道，耦合至所述线性调频信号源的输出端，用于将所述线性调频信号上变频至不同中心频率的第一射频信号和第二射频信号；
天线，耦合至所述发射通道的输出端，用于发射所述第一射频信号和第二射频信号，以及接收经卫星转发器转发的第一回波信号和第二回波信号；
接收通道，其输入端耦合至所述天线，用于将所述第一回波信号和第二回波信号进行下变频至固定中频信号；
内定标分机，分别耦合至发射通道的输出端和接收通道的输入端，用于将第一射频信号和第二射频信号馈入所述接收通道，形成第一内定标信号和第二内定标信号；
数据采集和处理模块，耦合至所述接收通道的输出端，用于采集接收通道的输出信号并进行数据处理得到电离层TEC。
9.根据权利要求8所述的测量系统，其特征在于：
所述发射通道包括：
至少两个上变频器，分别耦合至所述线性调频信号源的输出端；以及
至少两个固态功放，分别耦合至所述至少两个上变频器的输出端，用于对所述第一射频信号和第二射频信号进行功率放大；
所述接收通道包括：
一低噪放，分别耦合至所述天线，用于对所述第一回波信号和第二回波信号进行低噪放大；以及
至少两个下变频器，分别耦合至所述低噪放的输出端。
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