CN208654332U - 一种gnss电离层闪烁与tec监测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，属于GNSS卫星监测技术领域。包括天线、滤波器、接收机、计算机；天线，接收卫星信号并将卫星信号传输给滤波器；滤波器，将接收到的卫星信号进行滤波后传输给接收机；接收机，将卫星信号的信号强度信息、载波相位信息传输到计算机；计算机，包括数据采集模块、信息分析模块、数据存储模块与显示模块；数据采集模块，用于采集信号强度信息、载波相位信息；信息分析模块，用于分析处理信号强度信息、载波相位信息并计算出电离层TEC信息、电离层参数信息；数据存储模块，存储所有数据信息；显示模块，显示所有数据信息。本实用新型具有抗干扰能力强、满足复杂环境下使用的优点。

Description

一种GNSS电离层闪烁与TEC监测设备

技术领域

本实用新型涉及一种GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，属于GNSS卫星监测技术领域。

背景技术

电离层是空间环境监测系统中重要的构成部分，由于电离层中存在着不规则体，电波通过电离层时，信号的幅度和相位等都会发生随机起伏，我们把这种现象称为电离层闪烁，据国际电波联盟（ITU）报告，在从10MHz到最高10GHz的载波频率范围内都观测到了闪烁。电离层闪烁效应能导致地空无线电系统的信号幅度、相位的随机起伏，使系统性能下降，严重时可造成通信系统、卫星导航系统、地空目标监测系统信号中断。电离层TEC与穿透电离层传播的无线电波时间延迟与相位延迟密切相关，因此可用于在卫星定位、导航等空间应用工程中的电波传播修正。随着科学发展和社会的进步，卫星通信、GNSS导航与定位、星载合成孔径雷达等系统在军事与日常生活中占据越来越重要的地位，电离层闪烁的影响也越来越受到重视，同时闪烁数据中包含电离层物理参量的信息，比如电离层不规则体的结构及其时空变化的信息，而这些信息对电离层等离子体动力学的研究是非常重要的，因此电离层闪烁研究具有更为重要的意义。此外，监测电离层TEC，对于深入研究电离层磁暴及太阳风暴与地球磁层、热层的相关活动也具有重要意义。

目前现有的电离层闪烁与TEC监测设备多是单一的监测电离层闪烁或电离层TEC，为了补偿信号在馈线中较长距离传输时的损耗，在天线后面的第一个前端器件通常为低噪声放大器（LNA），此外接收机多使用内置电源。但当天线与接收机存在一定距离时，其所用的馈线对信号都有一定程度的衰减而且没有增益，大大增加了系统的噪声，且内置电源对信号也会产生干扰，这种电离层闪烁监测设备抗干扰能力较差，无法满足复杂环境下的使用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供一种GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，具体由以下技术方案实现:

所述GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，包括天线、滤波器、接收机、计算机；其中：所述天线，用于接收GNSS卫星信号并将GNSS卫星信号传输给滤波器处理；所述滤波器，用于将接收到的GNSS卫星信号进行滤波后传输给接收机处理；所述接收机，通过串口通信将GNSS卫星信号的信号强度信息、载波相位信息传输到计算机；所述计算机，包括数据采集模块、信息分析模块、数据存储模块与显示模块；所述数据采集模块，用于采集信号强度信息、载波相位信息；所述信息分析模块，用于分析处理信号强度信息、载波相位信息并计算出电离层TEC信息、电离层参数信息；所述数据存储模块，用于存储信号强度信息、载波相位信息、电离层TEC信息、电离层参数信息；所述显示模块，用于显示监测到的信号强度信息、载波相位信息、电离层TEC信息、电离层参数信息。

所述GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的进一步设计在于，所述天线为与信号放大器集成的GNSS天线，且所述馈线与所述滤波器通信连接。

所述GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的进一步设计在于，所述滤波器为带通滤波器，用于抑制由馈线及外部环境造成的噪声和干扰信号进入接收机，且所述带通滤波器与接收机通信连接。

所述GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的进一步设计在于，所述接收机采用内部晶振源OCXO和GNSS-OEM628板卡集成并连接外接电源，通过RS-232串口通信与所述计算机通信连接，且所述外接电源与接收机通信连接。

所述GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的进一步设计在于，所述信息分析模块，先对巨量的原始数据进行计算分析，并将计算出的信号强度信息、载波相位信息存储于缓冲区内，依据载波相位信息得出电离层TEC信息，当闪烁发生时再对原始数据以及对应信号强度信息、载波相位信息进行存储，并计算出电离层参数信息。

本实用新型具有以下有益效果：

(1) 一种GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的天线采用了与高增益的低噪声放大器集成的GNSS天线，接收机前端的第一级系统噪声系数的影响是最主要的，都会对系统噪声有负面影响，而高增益放大器之后的元件对总的噪声系数影响会由于放大器增益的限制而变小；当天线与接收机存在一定距离时，其所用的馈线对信号都有一定程度的衰减而且没有增益，大大增加了系统的噪声，为了补偿馈线对信号的损耗，故将GNSS天线与高增益的低噪声放大器集成在一起。

(2) 一种GNSS电离层闪烁与TEC监测与设备的滤波器采用了带通滤波器，所述滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备，常常有用信号附近的干扰信号功率比有用信号大,接收机必须能够对噪声和干扰进行抑制以满足灵敏度的需求。同时，接收天线接收卫星信号后经过馈线到达接收机前，必然产生新的干扰和噪声，因此需要使用专用的带通滤波器对接收到信号进行滤波。

(3) 一种GNSS电离层闪烁与TEC监测与设备的接收机采用了外接电源，避免了将电源内置于接收机产生信号干扰，接收机的内部晶振源(OCXO)，频率稳定、相噪低，且不会淹没较弱的相位闪烁，具有较强抗干扰能力，避免了在卫星信号穿越整个电离层，电离层不规则结构引起信号相位和幅度的快速随机起伏时，出现这种快速的相位变化(相位闪烁)会引起卫星信号的多普勒频移，从而可能超出锁相环的带宽，导致相位失锁，同时幅度的削弱将会使得卫星信噪比降低到接收机极限以下，导致码失锁的问题。

(4) GNSS电离层闪烁与TEC监测与设备的计算机可以直接输出卫星信号的信号强度信息、载波相位信息和电离层TEC信息，并利用这些数据信息可以得出电离层参数信息。

附图说明

图1为GNSS电离层闪烁与TEC监测设备架构示意图。

图2为GNSS电离层闪烁与TEC监测设备数据接收及处理流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种GNSS电离层闪烁与TEC监测与设备，主要由与高增益的LNA集成的GNSS天线、带通滤波器、接收机、外接电源以及计算机组成。天线，接受卫星信号，将卫星信号传输给带通滤波器处理。带通滤波器，过滤掉由馈线及外部环境产生的干扰和噪声信号，将卫星信号传输给所述接收机处理。接收机，与外接电源连接，通过串口线将卫星信号的信号强度信息、载波相位信息传输到计算机。计算机，包含数据采集模块、信息分析模块、数据存储模块与显示模块，数据采集模块，用于采集信号强度信息、载波相位信息；信息分析模块，用于分析处理信号强度信息、载波相位信息并计算出电离层TEC信息、电离层参数信息；数据存储模块，用于存储信号强度信息、载波相位信息、电离层TEC信息、电离层参数信息；显示模块，用于显示监测到的信号强度信息、载波相位信息、电离层TEC信息、电离层参数信息。

本实施例中，天线为与高增益的LNA集成的GNSS天线，通过馈线与带通滤波器通信连接，且带通滤波器与接收机通信连接。外接电源与接收机通信连接，接收机通过RS-232串口线与计算机通信连接，接收机核心部分采用GNSS-OEM628板卡与内部晶振源OCXO集成。

如图2所示，信息分析模块，先对经过低噪放和带通滤波器处理后的巨量原始数据进行计算分析，并将计算出的信号强度信息、载波相位信息存储于缓存区内，依据载波相位信息得出电离层TEC信息，在闪烁发生时再对原始数据以及对应的信号强度信息和载波相位信息进行存储，并计算出电离层参数信息。电离层参数信息包括电离层闪烁指数信息、TEC抖动指数信息、不规则体强度信息。

本实施例中，缓存区用于存储15-30min的原始数据。根据设定的条件判定闪烁的发生，设定的条件为:在连续一段时间M内N次达到设定值X。具体地，本实施例通过采用标准RS232通信协议实现接收机与计算机之间的通信，在VC6.0中的具体实现是先用CreatFile()函数初始化串行通信，包括获得串行设备句柄并对其进行通信参数设置，然后利用ReadFile()接收数据。在获得数据流后，根据数据标志帧从中分离出原始信息数据，保存到原始数据缓冲区(为了获得闪烁发生前的原始数据，这里开辟了一个可以存储20min原始数据量的缓冲区)，同时根据原始数据以每分钟计算一次S4指数，存储在计算出的数据缓冲区，待累积到lOmin的数据后，判断标志位，根据标志位来决定原始数据的存储与否。

在实际测量分析中，考虑到存在有多径效应、钟差等因素也会导致偶尔一次S4指数很大，因此偶尔的一次S4指数很大并不意味着闪烁发生，考虑以连续lOmin内有6次S4(一分钟一个数据)大于某个值(一般取0.3)作为标准来衡量闪烁发生与否。当确定有闪烁发生时，从数据缓冲区中取出该闪烁发生前lOmin的原始数据存储到数据文件，同时判断该闪烁是否结束，如果闪烁继续，则依次存储原始数据，如果闪烁终止，则只接着保存闪烁终止后lOmin的原始数据。无论有没闪烁发生，经计算出的数据都被保存到数据文件。

本实施例的一种GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的接收天线采用了与高增益的低噪声放大器集成的GNSS天线，补偿了信号在馈线中较长距离传输时的损耗，且高增益的LNA限制了之后的元件对总的噪声系数的影响，使总的噪声系数变小。GNSS电离层闪烁与TEC的监测与预警一体化设备的带通滤波器，对接收机前的馈线以及外部环境带来的干扰和噪声进行滤波。GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的接收机核心部分采用了GNSS-OEM628与内部晶振源(OCXO)集成，频率稳定、相噪低，且不会淹没较弱的相位闪烁，具有较强抗干扰能力，避免在卫星信号穿越整个电离层，电离层不规则结构引起信号相位和幅度的快速随机起伏时，出现这种快速的相位变化(相位闪烁)会引起卫星信号的多普勒频移，从而可能超出锁相环的带宽，导致相位失锁，同时幅度的削弱将会使得卫星信噪比降低到接收机极限以下，导致码失锁的问题。同时外接电源相比于内置电源也避免了部分信号干扰。GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的计算机可以直接输出卫星信号的信号强度信息、载波相位信息、电离层TEC信息、电离层参数信息。电离层参数信息包括电离层闪烁指数信息、TEC抖动指数信息、不规则体强度信息。

需要说明的是，以上实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本实用新型所限定的范围。

Claims (4)

1.一种GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，其特征在于：包括天线、滤波器、接收机、计算机；其中，

所述天线，用于接收GNSS卫星信号并将GNSS卫星信号传输给滤波器处理；

所述滤波器，用于将接收到的GNSS卫星信号进行滤波后传输给接收机处理；

所述接收机，通过串口通信将GNSS卫星信号的信号强度信息、载波相位信息传输到计算机；

所述计算机，包括数据采集模块、信息分析模块、数据存储模块与显示模块；所述数据采集模块，用于采集信号强度信息、载波相位信息；

所述信息分析模块，用于分析处理信号强度信息、载波相位信息并计算出电离层TEC信息、电离层参数信息；

所述数据存储模块，用于存储信号强度信息、载波相位信息、电离层TEC信息、电离层参数信息；

所述显示模块，用于显示监测到的信号强度信息、载波相位信息、电离层TEC信息、电离层参数信息。

2.根据权利要求1所述的GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，其特征在于：所述天线为与信号放大器集成的GNSS天线，且天线的馈线与所述滤波器通信连接。

3.根据权利要求1所述的GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，其特征在于：所述滤波器为带通滤波器，用于抑制由馈线及外部环境造成的噪声和干扰信号进入接收机，且所述带通滤波器与接收机通信连接。

4.根据权利要求1所述的GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，其特征在于：所述接收机采用内部晶振源OCXO和GNSS-OEM628板卡集成并连接外接电源，通过RS-232串口通信与所述计算机通信连接，且所述外接电源与接收机通信连接。