基于北斗卫星信号的电离层环境测量

2016-01-20徐波,冯健

全球定位系统 2015年2期

关键词：电离层北斗

徐　波,冯　健

(中国电波传播研究所,山东青岛 266107)

基于北斗卫星信号的电离层环境测量

徐波,冯健

(中国电波传播研究所,山东青岛 266107)

摘要：当卫星信号穿越电离层传播时,电离层会带来时延、闪烁等效应。基于卫星信号的变化可以提取电离层电子总含量、闪烁指数等参数信息。北斗系统的发展为在中国区域的电离层环境测量提供了更为丰富的信号源。文章介绍了基于北斗卫星信号的电离层测量设备的组成,电离层参数的计算方法,并给出了初步的观测结果。

关键词：北斗;电离层;总电子含量;闪烁

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.009

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：： 1008-9268(2015)02-0040-03

收稿日期：2015-02-11

作者简介

Abstract:The satellite signal is prone to the delay and scintillation effects when transmitting through the ionosphere. On the other hand, the TEC and scintillation index could be obtained from the changes of signals imposed by these effects. The Beidou system affords more signals for measuring the ionospheric environment especially for Chinese region. An ionospheric monitor with Beidou signals is introduced in the paper. The methods of deriving ionospheric parameters are presented, and the primary results are also given.

0引言

地球电离层是近地空间环境的重要组成部分,是地面约60 km 以上到磁层顶之间的整个空间。星地无线电系统工作时将不可避免地受到电离层的影响,这些影响主要包括时延、相移、色散、极化旋转和闪烁等[1]。因此,电离层环境的测量和研究不但具有很强的应用价值,也具有很好的科学意义。

随着全球导航卫星系统的发展和广泛应用,给电离层环境测量带来了革命性的变化[2-4]。2012 年12 月27 日,北斗区域卫星导航系统宣布投入正式运行[5]。北斗系统的运行在中国区域可以提供更多的导航卫星信号源,为中国区域电离层环境监测能力的提升提供了可能[5-6]。由于北斗导航卫星系统实现了与其他卫星导航系统的兼容[7],当用于电离层观测时,使得观测链路增加,增大了观测范围,提升了观测精度[8]。

本文介绍了一种利用我国北斗卫星信号进行电离层测量的设备,利用该设备可实时监测所在区域上空电离层总电子含量和闪烁指数。

1电离层测量设备组成

基于北斗卫星信号的电离层测量设备主要由主机和天线组成,主机由北斗卫星信号接收处理模块、电离层数据处理模块和电源模块三个模块组成,设备组成原理框图如图1所示。

图1　电离层测量设备实现原理框图

北斗区域卫星导航系统发播三个导航信号,频率分别为1 561.098 MHz(B1)、1 207.14 MHz(B2)和1 268.52 MHz(B3), 其中B1I 和B2I 为民用信号,码速率均为2.046 cps[5].为了提取电离层TEC信息,设备中天线和接收处理模块均为双频体制。

天线接收来自卫星的双频导航信号,并通过馈缆传给北斗卫星信号接收处理模块;接收处理模块对信号进行处理后提取信号信息并送入电离层数据处理模块进行数据处理;经处理得到的电离层数据由基于TCP/IP协议的网络通信接口送出。北斗接收天线选择高增益、低噪声、极化方式为接近于半球增益覆盖的右旋圆极化天线。北斗卫星信号接收处理模块选择高精度、高采样率的测量型模块。电离层数据处理模块采用现成的PC模块,具有处理能力强、存储容量大、接口丰富、可运行Windows操作系统等特点。

联系人：徐波 E-mail: crirp_xu@126.com

2电离层参数计算方法

2.1　电离层TEC计算原理

为了描述电离层对电磁波传播的影响,人们引入电离层总电子含量(TEC),它是一个非常重要的电离层特征，其为信号传播路径上电离层电子密度的总积分，其表达式为

TEC=∫sNe(s)ds,

式中,s为传播路径。TEC单位为TECU,(1TECU=1×1016el/m2).

利用北斗的双频测量可以提取地面测站至卫星路径上的倾斜TEC,进而可以获得的测站上空垂直TEC;利用区域的测站网络,可以进一步获取区域的TEC分布。

北斗接收机对第j号卫星两个频率的伪距和载波相位观测方程为

(1)

由上述公式可以获得电离层TEC的公式为

(2)

2.2　电离层闪烁指数计算原理

电离层闪烁指数包括幅度闪烁指数S4和相位闪烁指数σΦ,分别通过计算卫星信号的幅度及相位的变化情况来实现。

在计算电离层闪烁指数前,须对由卫星信号接收处理模块送来的信号幅度和信号相位进行去趋势计算。

幅度去趋势计算公式为

(3)

式中: xdet为去趋势后的信号幅度; xp为信号幅度; xtre为趋势数据。其中,趋势数据为对信号幅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。滤波器计算公式为

(4)

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原始信号幅度xp;Xi,1为每级滤波器的输出,最后一个滤波器的输出即为趋势数据xtre;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,其值与滤波器的截止频率及数据采样率有关。

S4指数通过对1min的数据计算得出,计算公式为

(5)

式中: I即为前面计算所得到的xdet; N为1分钟内的数据个数。

计算相位闪烁指数σΦ时,对相位数据进行去趋势计算的方法与幅度去趋势相似,使用同样的去趋势计算公式(3)和滤波器计算公式(4)。与幅度去趋势不同的是此次滤波器为高通滤波器,第一级滤波器的输入即是原始信号相位Adr;每级滤波器的输出为ui,k+1-Xi,1,k+1,最后一个滤波器的输出即为去趋势相位数据Adrtre;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,其值与滤波器的截止频率及数据采样率有关。

σΦ指数通过对1min内的原始信号相位数据计算得出,计算公式为

(6)

(7)

式中: Φ即为前面计算所得到的去趋势后的相位数据; N为一分钟内相位数据的个数; M为一分钟内计算出的σΦ数目,此处M取1.

3初步的观测结果

图2示出了利用开发的电离层观测设备于2014年2月28日18点至24点在海口地区的电离层闪烁观测结果,横坐标为北京时间,纵坐标表示闪烁指数(S4/σΦ).

图2　电离层观测设备实验结果

图中,上方的曲线为幅度闪烁指数,下方为相位闪烁指数。可以大致看出:18:30-19:10和20:20-22:40这两段时间内均发生了幅度闪烁事件,闪烁指数最大可达0.3以上。经与布设在该站点的GPS接收机测量结果比较可知,基于两种不同信号的观测设备观测到的闪烁事件无论是在时间段上还是在闪烁指数大小上都比较相近。

4结束语

本文介绍了基于北斗卫星信号的电离层观测设备开发情况,包括设备的组成、主要的数据处理方法和初步的观测结果。经与原有的GPS接收机观测结果对比可知,基于北斗卫星信号的电离层观测设备能够满足电离层观测的要求,进而为电离层观测研究提供了更为丰富和可靠的数据。

参考文献

[1]许正文. 电离层对卫星信号传播极其性能影响的研究[D]. 陕西: 西安电子科技大学, 2005.

[2]COSTER A, KOMJATHY A. Space weather and the global positioning system[J]. Space Weather, 2008,6(2):15-19.

[3]张东和, 萧佐.利用GPS计算TEC的方法及其对电离层扰动的观测[J]. 地球物理学报, 2000, 43(4):451-457.

[4]陈丽, 冯健, 甄卫民. 利用GPS 进行电离层闪烁研究[J].全球定位系统,2006,31(5):9-12.

[5]杨元喜, 李金龙, 王爱兵, 等. 北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能初步评估[J].中国科学:地球科学, 2014, 44:72-81.

[6]刘基余. 北斗卫星导航系统的现况与发展[J].遥测遥控,2013,34(3):1-8.

[7]杨元喜. 北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报,2010,39(1):1-6.

[8]甄卫民, 冯健, 陈丽, 等. 多站多路径GPS信号研究低纬电离层不均匀体[J]. 电波科学学报, 2007, 22(1):138-142.

徐波(1982-), 男, 工程师, 主要研究方向为工程装备研制与生产。