針對太陽射電爆發幹擾導航信號的研究、預警平臺及其方法與流程

2023-07-26 05:49:52

本發明屬於衛星導航測控領域，具體涉及一種針對太陽射電爆發幹擾導航信號的研究、預警平臺及其方法，其適用於預警太陽射電爆發幹擾導航通信領域。

背景技術：

太陽是距離地球最近的恆星，在傳遞給地球光和熱的同時，其活動也在各個方面影響著人類的生產、生活，以及人類依存度越來越高的技術體系。

人類目前主要依賴無線電波來進行星地-空通信，頻率範圍從數MHz直至數十GHz。國際上廣泛使用的全球衛星導航定位系統(GPS、GLONASS、北鬥等)，通過多顆衛星為地面設備提供定位、授時等服務，在軍事、科考、海洋油氣田鑽探等領域發揮著巨大的作用。導航衛星的發射功率一般只有十幾瓦到幾十瓦左右，所使用的頻段，一般在L和S頻段。當導航電波到達地面時，接收到的信號功率大約只有-130dBm左右，其強度非常微弱，因此，地面上的接收信號很容易受到周圍環境的幹擾。排除人為的蓄意幹擾外，自然界中導航衛星信號的主要幹擾源有兩種，一種是當GPS信號穿過電離層時，電離層中的小尺度不規則體引起無線電波的散射，造成導航信號強度和相位快速的無規則起伏和波動，這種現象稱之為電離層閃爍；另一種是來自太陽射電的直接幹擾。太陽射電暴期間，太陽射電輻射(無線電)會突然大幅度增加，如果爆發的頻段覆蓋了導航信號的頻率，就會對GPS造成不同程度的射電幹擾，主要表現為信噪比下降。觀測表明，強太陽射電爆發能顯著幹擾導航電波的接收，嚴重時能造成接收機失鎖、甚至完全中斷，使得應用系統失去導航、定位、授時等基本功能。因此，包括美國GPS和我國北鬥系統在內的太陽射電噪聲幹擾問題一直是影響衛星導航系統性能的重要影響因素。

太陽射電爆發的輻射強度會達到寧靜時(約100S.F.U.，1S.F.U.＝10-22w/Hz m2)的數十倍，甚至數千倍。以2012年3月5日的爆發為例，在1.0和2.0GHz頻點的輻射強度分別達到501812和18958S.F.U.(見圖3)

射電暴影響GPS的流量最小閾值一般認為在4000S.F.U.左右，2006年12月太陽日面爆發了一系列事件，其中在12日和13日有兩次較強的L波段太陽射電爆發。圖4-5是L1、L2兩個GPS通信頻點的太陽射電流量、載噪比變化、單站所能收到的GPS衛星數量以及全球地面站失鎖和定位誤差等情況，發現兩頻點射電流量的變化與載噪比呈很好的正相關性。

利用已有觀測頻點數據統計不同頻率點太陽活動的流量異常與GPS信號失鎖時間的關係，不難發現在1415MHz頻率上的太陽射電流量異常與GPS導航信號失鎖關聯性最大，這與GPS工作頻段有密切關係，結果如圖6所示。

圖7明顯看出，此次射電暴期間，我國的昆明、臺灣、武漢、北京等GPS臺站發生明顯失鎖現象，而且多個臺站、多顆GPS衛星信號完全中斷長達6分鐘，射電暴期間，多個臺站鎖定的衛星數目小於4顆，使得GPS實時定位服務完全失效。

我們對日本野邊山射電望遠鏡(Nobeyama Radio Polarimeters)在23周峰年(2000-2005)極大期6年間觀測到的太陽射電爆發進行過粗略統計。在觀測到456個爆發中，流量高於1000S.F.U.的有75個，在低頻段(1.0、2.0和3.75GHz)流量高於1000S.F.U.的共計37個。考慮到NORP每天觀測9小時，如按24小時計算，在峰年極大期間，年均發生可能影響GPS的爆發的數量大約是16個。這不論從強度和頻度來看，都是相當可觀的，可見太陽射電爆發是衛星導航通信必然的影響因素之一。

北鬥導航衛星系統(BDS)是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統，建成後的北鬥導航衛星系統將可在全球範圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務併兼具短報文通信能力。北鬥導航衛星系統的建立，將大大促進我國衛星導航產業鏈的發展，形成完善的國家衛星導航應用產業支撐、推廣和保障體系，推動衛星導航在國民經濟社會各行業的廣泛應用。同時，打破我國衛星導航應用在軍事領域對國外的依賴和束縛，促進軍事能力的發展具有重要的意義。基於北鬥系統的應用是以北鬥的穩定、可靠為前提的，其中空間環境的影響因素不能忽略。與太陽高能粒子輻射的影響不同，太陽射電暴主要影響衛星導航系統的傳播段，太陽射電爆發以強噪聲信號形式光速傳播，在強耀斑爆發後約八分鐘到達衛星軌道瞬間在通信鏈路上造成噪聲增強，大大提前於太陽高能粒子的到達時間，因此，太陽射電爆發的實時監測和及時警報是減緩射電幹擾的重要手段和途徑。

目前，國內還沒有專門針對北鬥系統的太陽射電幹擾設備和儀器，射電幹擾的警報服務工作主要利用國外的有關數據，實時性、地域性和有效性差，不能滿足科研和應用服務需求。

本發明重點針對我國北鬥，同時兼顧其他世界上主要的衛星導航系統，研製L波段太陽射電爆發多通道、多頻點實時監測設備和導航信號的射電幹擾警報服務平臺。利用監測設備，主要對在太陽射電爆發情況下的我國北鬥系統性能進行研究，獲取L波段太陽射電流對北鬥導航系統的影響閾值，以及對定位過程中的幾何精度因子(DOP：Dilution of Precision)、捕獲導航衛星個數、定位精度等影響情況，同時對太陽射電暴的影響程度和影響級別進行實時警報，從而為進一步提高我國自主研發導航系統的可靠性和穩定性提供空間環境信息服務和支持。另外，利用射電流量觀測數據，結合X射線、光學等觀測手段，還能研究L波段射電爆發的頻譜演化規律和太陽爆發的演化過程，提高人們對空間天氣的認知水平和預報能力。

技術實現要素：

本發明提供了一種針對太陽射電爆發幹擾導航信號的研究、預警平臺，主要適用於預警L波段太陽射電強爆發幹擾導航信號通信方面；該系統建立的重要意義在於：可以快速探知L波段太陽射電爆發，為導航系統特別是我國目前大力發展的北鬥系統提供可能受影響的警報信息，同時作為一種研究平臺，可以獲得太陽流量和導航衛星信號質量變化情況的相關性，為理論到實際的驗證提供依據。

本發明是通過如下技術方案來實現的：

本針對太陽射電爆發幹擾導航信號的研究、預警平臺包括太陽射電流量監測部、導航衛星信號監測部、計算機；

其中太陽射電流量監測部包括射電天線、模擬接收機系統、定標系統、3個以上功率-電壓轉換器、數據採集器；導航衛星信號監測部包括導航天線、導航信號接收機；射電天線通過定標系統與模擬接收機系統連接，模擬接收機系統通過功率-電壓轉換器與數據採集器連接，數據採集器與計算機連接，計算機與定標系統連接；導航天線通過導航信號接收機與計算機連接。

所述模擬接收機系統包括第一級放大器、功分器、3個以上的隔離器、3個以上的濾波器Ⅰ、3個以上的第二級放大器、3個以上的濾波器Ⅱ；第一級放大器、功分器、隔離器、濾波器Ⅰ、第二級放大器、濾波器Ⅱ依次連接，濾波器Ⅱ與功率-電壓轉換器連接。

所述定標系統包括噪聲源、微波開關，噪聲源與微波開關連接，射電天線通過微波開關與第一級放大器連接，計算機與微波開關連接，並通過常規方法進行開關控制。

所述濾波器Ⅰ和濾波器Ⅱ均為帶通濾波器。

太陽射電流量監測部主要通過實時對太陽射電流量監測、及噪聲源開關之間的切換，實現對多通道太陽射電流量的精確定標，以判斷是否發生太陽射電爆發事件，同時導航衛星信號監測部用於實時記錄當前的導航信號質量等信息，太陽射電流量數據結合導航信號質量數據，判斷射電爆發對信號質量的影響情況；計算機用於數據接收、數據分析處理，採用常規方法接收分析；

其中太陽射電流量監測部主要是通過具有精密流量定標功能的太陽射電望遠鏡來實現的：

首先，完成對無線電環境的測試，確定若干個沒有受到無線電幹擾的頻段，以上述頻段來設計帶通濾波器；射電天線將空間傳播電磁波信號轉化為介質傳導電磁波信號，通過天線饋源輸入到模擬接收機系統的第一級放大器(低噪聲放大器)，對太陽射電信號進行放大；

然後，第一級放大器輸出通過1：N功分器將接收到信號分為N路輸出，並通過隔離器接入多個帶通濾波器Ⅰ進行頻率選擇，在帶通濾波器之後經過第二級放大器放大後，再經過濾波器Ⅱ、功率-電壓轉換器將帶內的功率信號轉換為相應的電壓信號，通過數據採集器被採集。

定標過程通過微波開關切換噪聲源(同時兼有噪聲源開關狀態)、射電天線指向太陽、冷空幾個狀態完成對目前太陽射電流量的精密定標；

控制順序為：首先控制微波開關切換到噪聲源輸入，噪聲源關閉狀態記錄當前的各頻點功率值P50，然後打開噪聲源記錄下當前的各頻點功率值Pnoise，然後微波開關切換到射電天線信號輸出，控制望遠鏡指向冷空記錄下當前的各頻點功率值Psky,最後轉入太陽跟蹤觀測模式實時記錄下Psun，通過上述四種功率值的比對，可以解算得到當前的太陽射電流量。

導航衛星信號監測部採用一套雙模三頻衛星導航接收機系統(GPS：L1，BD：B1和B2)，實時監測數據包括：實時監測GPS/BD衛星導航信號，實時輸出經緯度、高度、速度、UTC時間、可見星數量、定位情況、幾何精度因子(包括PDOP、TDOP、HDOP、VDOP、GDOP)，可見衛星的信噪比、仰角、方向角，以及偽距、載波相位、窄帶功率、寬帶功率等觀測數據。

本發明裝置通過實時對太陽射電流量監測及噪聲源開關之間的切換，實現對多通道太陽射電流量的精確定標，以判斷是否發生太陽射電爆發事件，同時多導航信號終端用於實時記錄當前的信號質量信息，太陽射電流量數據結合導航信號質量數據，判斷射電爆發對信號質量的影響情況；

其中比對寧靜太陽活動時期內的衛星信號質量情況，包括監測GPS/BD衛星導航信號，實時輸出經緯度、高度、速度、UTC時間、可見星數量、定位情況、幾何精度因子，可見衛星的信噪比、仰角、方向角，以及偽距、載波相位、窄帶功率、寬帶功率，作為數據序列組1，在太陽射電爆發時期同樣的固定時長內採集到的各種參數，作為數據序列組2，採用T分布方差檢驗對比組1和組2的區別，檢驗兩個序列的差異是否顯著，以大於置信區間95％為可信置信區間。

本發明的效果：

本發明採用太陽射電觀測和衛星信號質量聯合監測的方案，可以取得太陽射電流量爆發值對衛星信號質量之間的影響在數值上的關係，同時由於衛星質量數據來自多個方面，包括了幾何精度因，可見衛星的信噪比、仰角、方向角，以及偽距、載波相位、窄帶功率、寬帶功率等觀測數據，可以更好的發現太陽爆發時間段內射電流量變化對上述觀測數據的影響，形成一個有效的採集、分析的研究平臺。

附圖說明

圖1為本發明裝置結構示意圖；

圖2為模擬接收機系統、定標系統結構示意圖；

圖3為2012年3月5日L波段太陽強射電爆發圖；其中圖A、B為太陽射電爆發時產生的左右兩個旋向信號；

圖4為2006年12月6日ZHU-WAAS GPS地面站L1頻點載噪比下降及可見星數隨太陽活動變化情況，左圖為載噪比下降，右圖為可見星數隨太陽活動變化；

圖5為2006年12月6日太陽射電活動全球GPS測地站失鎖情況和定位誤差，A圖為失鎖情況，B圖為定位誤差；

圖6為不同頻率太陽射電活動與導航衛星信號失鎖之間的關聯性；

圖7為2006年12月13日射電暴期間，我國境內和澳大利亞部分GPS臺站鎖定衛星數隨時間的變化，A圖為中國，B圖為澳大利亞。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明，但本發明保護範圍不局限於所述內容，如無特殊說明的均為常規設備及按常規方法實施和控制。

實施例1：如圖1、2所示，本針對太陽射電爆發幹擾導航信號的研究、預警平臺包括太陽射電流量監測部、導航衛星信號監測部、計算機；其中太陽射電流量監測部包括射電天線、模擬接收機系統、定標系統、3個功率-電壓轉換器、數據採集器；導航衛星信號監測部包括導航天線、導航信號接收機；射電天線通過定標系統與模擬接收機系統連接，模擬接收機系統通過功率-電壓轉換器與數據採集器連接，數據採集器與計算機連接，計算機與定標系統連接；導航天線通過導航信號接收機與計算機連接；

所述模擬接收機系統包括第一級放大器、功分器、3個隔離器、3個濾波器Ⅰ、3個第二級放大器、3個濾波器Ⅱ；第一級放大器、功分器、隔離器、濾波器Ⅰ、第二級放大器、濾波器Ⅱ依次連接，濾波器Ⅱ與功率-電壓轉換器連接；定標系統包括噪聲源、微波開關，噪聲源與微波開關連接，射電天線通過微波開關與第一級放大器連接，計算機與微波開關連接；濾波器Ⅰ和濾波器Ⅱ均為帶通濾波器。

射電天線主要採用一個拋物面結構的赤道式主焦式天線，接收L波段(1.0GHz-1.8GHz)頻段內太陽射電輻射流量，同時兼顧2.84GHz為中心頻率±5MHz帶寬內的太陽射電信號接收。主要指標:

1、直徑：4.5米；

2、極化方式：雙圓極化；

3、工作帶寬：1.0GHz-1.8GHz，2.84GHz±5MHz；

4、天線增益：1.0GHz-1.8GHz段≥30dBi；2.84GHz±5MHz段≥35dBi；

5、跟蹤精度：1/10～1/15波束寬度；

6、跟蹤範圍：赤經±120°，赤緯±30°；

7、跟蹤速度：地球自轉速度+快動(30°/分)。

模擬接收機系統採用寬帶放大+多點頻濾波選通無無線電幹擾的窄帶頻段，4-10MHz之間根據無線電環境確定，通過第一級寬帶低噪聲放大器將信號進行初步放大，再採用窄帶濾波器選通需要監測的頻段，再通過第二級放大器對信號進行進一步放大，採用窄帶濾波器選通需要監測的頻段，然後通過功率-電壓檢波轉換將信號功率轉換為相應的電壓信號，通過多通道數據採集器進行採集，並發送至上位機進行分析、存儲。

定標過程通過微波開關切換噪聲源(同時兼有噪聲源開關狀態)、射電天線指向太陽、冷空幾個狀態完成對目前太陽射電流量的精密定標；

每隔一定時間，用標準噪聲源對接收機進行標校，分別採集太陽(Psun)、冷空(Psky)、噪聲源(Pnoise)和噪聲源關斷時(即相當於接入50Ω匹配負載時候的P50)的數據。

射電天線對準太陽時，得到太陽寧靜狀態下的天線溫度：Tqs(寧靜太陽及天空背景的亮溫度)

Tqs＝GA·(Fqs+Fb) (1)

射電天線對準冷空時，得到冷空引起的天線溫度：Tsky(冷空溫度)

Tsky＝GA·Fsky (2)

上述4個功率值根據其輸入的不同，可以由下列方程組求出：

其中Fqs為寧靜太陽的流量密度，可以由以下計算得出：

根據Benz等人2009年整理的公式，寧靜太陽射電流量功率譜密度Fqs可以由如下公式近似：

Fqs'(f)＝8.45×10-1f0.5617f∈(350MHz,6000MHz) (4)

考慮到太陽活動周對寧靜太陽射電輻射的影響，寧靜太陽射電流量密度又被修訂為：

Fqs(f)＝Fqs'+ΔF×Z (5)

式中Z是太陽黑子相對數(通過網站www.ngdc.noaa.gov查詢獲得)，係數因子ΔF通過下面的方程給出：

ΔF＝1.20×10-5f1.374,f∈(30MHz,2770MHz) (6)

ΔF＝35.12f-0.5045,f∈(2770MHz,10000MHz) (7)

Fb為天空背景的流量密度；

Tqs為寧靜太陽及天空背景的亮溫度；

Tsky為冷空溫度；

Tnoise為噪聲源超噪比對應的溫度；

T50為50Ω匹配負載對應的溫度；

GA和GR分別為天線和接收機增益；

r為隨機噪聲；

天線對準太陽時，每通道輸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)

天線對準冷空時，每通道輸出的功率值可以由下式得出：

Psky(f)＝GR(f)·GA(f)·Fb(f)+r(f) (9)

上兩式相減得到，得到太陽的流量值：

同時通過噪聲源的開關接入可以實時糾正接收機增益隨溫度的變化：

其中Tnoise-T50可由選擇的噪聲源的超噪比來確定。

在寧靜太陽時期，通過天線對準冷空和寧靜太陽可以得到天線增益的變化：

對於導航信號質量監測方面：

通過高精度GPS/BD導航接收機對GPS和BD衛星導航系統信號的實時監測及分析，反映太陽射電爆發對其若干指標的影響情況。

主要依據的平臺系統是：一套雙模三頻衛星導航接收機(GPS：L1，BD：B1和B2)；

實時監測數據包括：

實時監測GPS/BD衛星導航信號，實時輸出經緯度、高度、速度、UTC時間、可見星數量、定位情況，幾何精度因子(包括PDOP、TDOP、HDOP、VDOP、GDOP)，可見衛星的信噪比、仰角、方向角，以及偽距、載波相位、窄帶功率、寬帶功率等觀測數據；

實時記錄：

實時記錄GPS/BD導航接收機的工作狀態、觀測數據和分析結果，記錄時間間隔為1s；

數據分析：實時分析GPS/BD導航接收機的工作狀態和觀測數據，對狀態和數據的變化量進行實時分析，同時可通過原始觀測量的採集對電離層的狀態進行分析；

研究中採用在寧靜太陽時期的固定時長內採集到的各種相關參數，作為數據序列組1，在太陽射電爆發時期同樣的固定時長內採集到的各種參數，作為數據序列組2，採用T分布方差檢驗對比組1和組2的區別，檢驗兩個序列的差異是否顯著，以大於置信區間95％為可信置信區間。如果顯著則說明的確受到了影響。