基於空地聯測預警太陽射電爆發幹擾衛星通信的系統的製作方法

2023-05-16 14:08:36

本發明屬於衛星運行監控領域，具體涉及一種太陽射電爆發幹擾衛星信號事件的預警、預報系統。
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/hzm2)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。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月日和13日有兩次較強的l波段太陽射電爆發。圖3-4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5所示。圖6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(nobeyamaradiopolarimeters)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。技術實現要素：本發明目的是提供一種基於空地聯測預警太陽射電爆發幹擾衛星通信的系統，主要適用於從多個能段對太陽爆發事件進行觀測，通過不同能段流量的異常預警在微波頻段太陽爆發對衛星通信信號帶來的影響。技術理論分析：1、太陽射電爆發信號對各個波段無線通信信號的影響情況分析：太陽射電爆發引入的噪聲在通信系統中可以看作是一個外界疊加進入接收機系統的噪聲，如果該噪聲小於原有系統的噪聲，則該幹擾處於系統噪聲以下，被「淹沒」在了原系統噪聲裡；對信噪比影響很小。但如果大於或者等於原有系統噪聲，則原系統噪聲將會有所上升，在這裡推算一個常溫條件(290k)工作的通信系統的系統噪聲溫度相當於多少太陽流量值，以確定當太陽射電爆發流量密度超過該值時會潛在影響通信系統。假設一個通信系統的工作帶寬是bhz，其工作溫度為t(單位：開爾文)則外界給接收機帶來噪聲功率為：p＝ktb(1)其中k為波爾茲曼常數：k＝1.3806505×10-23；各種隨機噪聲f(單位：w/m2)進入天線引入的噪聲功率為：其中g是天線增益，單位db；λ為觀測波長，單位m；設為接收機等效的太陽活動流量，單位sfu，1s.f.u＝10-22w/m2/hz；f＝b*feq(3)聯立解得：則feq＝8π*kt/(gλ2)(與帶寬無關！)(6)fsfu＝8π*kt/(gλ2)*1022(7)或fsfu＝8π*kt*f2/(g*c2)*1022(8)從式(7)和式(8)中得到接收系統外部噪聲流量密度折算為等效太陽射電流量密度為與天線增益g成反比，與工作波長λ的平方成反比，或者與工作頻率f的平方成正比，這就意味著：1、在天線增益g越高，其系統噪聲流量密度折算為等效太陽射電流量密度水平就越低，越小的太陽射電爆發，越容易引起外部噪聲的上升，例如普通的手持式設備(小天線)受到的影響要小於大型地面站設備(大天線)；2、同樣增益g的天線如果工作針對不同的頻率，更低頻率的通信系統，外部噪聲流量密度折算為的太陽射電等效流量密度更低，為此在太陽射電爆發時候，更低的射電流量更容易引起外界噪聲的增加，所以低頻段的通信更容易受到影響；3、對同一天線，由於其天線輻射方向圖的不同，可能天線指向與太陽夾角之間變化時，受到的影響也不同；圖7是從10mhz～20ghz帶寬內不同通信方式噪聲功率譜密度換算成等效太陽射電流量功率譜密度值(設工作於g＝10db的天線)；綜上，我們統計了幾種典型的通信方式(10ghz以下)及其天線形式的接收機噪聲等效太陽流量：1、短波通信(short-wavecommunication)：頻率範圍3mhz～30mhz，要經電離層的反射才能到達接收設備，該通信頻段的太陽射電信號一般都被電離層阻擋，不能達到地球表面，為此幾乎不會受到太陽射電爆發信號的影響很小；2、微波通信(microwavecommunication)：使用頻率為300mhz～3thz的電磁波進行的通信，包括地面微波接力通信、對流層散射通信、衛星通信、空間通信及工作於微波波段的移動通信；其中，我們日常使用最多的通信手機一般工作於gsm頻段(900-950mhz和1800mhz)，cdma頻段(820-900mhz)，一般手機天線採用微帶天線模式，天線增益g為3-8db左右，以g最大波束對準太陽通過公式(8)，外界噪聲折算為等效太陽流量在1100sfu-1300sfu(<1ghz)和3400sfu(1.8ghz)左右，同時手機通信基站一般採用喇叭天線，增益g在12-18dbi之間，以g最大波束對準太陽通過公式(8)，外界噪聲折算為等效太陽流量最小在600sfu左右，但是我們一般在使用手機時候，手機和基站天線最大波束一般不對準太陽，太陽射電爆發信號通過天線進入接收機的功率其實是很小的，為此手機通信信號受到太陽射電爆發這種影響可能性很小；另外我們日常生活中使用較多的wifi，藍牙(bluetooth)工作於2.4-2.485ghz，其主要針對的是固定設備、行動裝置和樓宇區域網之間的短距離數據交換，一般受到太陽射電輻射的可能性很小，且傳輸距離短，發射功率較之於太陽射電流量強，也一般不會受到太陽射電爆發的影響；對於深空通信，其目標為空間中的衛星、宇航飛船、空間站等設備，其通信方式決定其太陽射電信號可能會通過其天線進入其系統，其使用頻率主要劃分如下：表1用於深空研究的無線電劃分表通過公式(8)的分析，接收系統外部噪聲折算為等效太陽流量為與天線增益g成反比，與工作波長λ的平方成反比，或者與工作頻率f的平方成正比。對於5ghz-10ghz通信信號，接收機噪聲折算到等效太陽流量都超過19000sfu以上，10ghz以上通信頻率的信號，接收機噪聲折算到等效太陽流量都超過50000sfu以上，根據nobeyama太陽射電天文臺的統計：近10年來在5ghz以上幾個監測頻段(9.4ghz,17ghz，35ghz)中太陽射電爆發流量超過25000sfu的事件是沒有的，說明太陽射電爆發在該5ghz以上超過閾值事件的概率很小，太陽射電爆發事件對5ghz以上深空通信影響也不大。但是對於s波段(2-3ghz)通信信號，具有一定的影響。對於主要工作於l-s頻段導航通信系統，也是地空之間的通信，主要的一些導航系統的工作頻率如下表：表2各導航系統不同頻段的工作頻率經統計，在太陽活動峰年超過1sfu的太陽射電爆發大概在年均49.31次左右，而在太陽寧靜年超過1sfu的太陽射電爆發大概在年均7.03次左右如圖8所示：第24太陽周(2010年開始)以來，多次太陽射電強爆發分別在1ghz2ghz3.75ghz9.4ghz17ghz各點頻的流量情況(數據來源日本野邊山太陽射電天文臺)表3第24太陽周(2010年開始)以來的強射電爆統計表綜上，我們發現x波段在太陽射電爆發期間幾乎不會受到任何影響，而l-s波段內的導航通信信號是最容易受到太陽射電爆發事件影響的。為此我們選定x波段(8-9ghz)作為太空監測衛星的信號發射載荷工作波段。2、在x射線觀測方面可預警的理論分析x射線是太陽觀測的重要波段，在太陽耀斑爆發時大部分會有，我們統計了第24太陽活動周內，耀斑爆發時x射線流量上升和射電流量上升之間的關係如下：根據太陽爆發過程中x射線能譜指數(spectralindex)δx和射電能譜δr之間的差異，兩者雖然均符合冪律譜特徵，但是射電頻譜在爆發過程中變得更趨於平緩，為此在多頻段(射電和高能)爆發流量過程中，x射線上升較之於射電流量快，更早達到峰值，如圖9所示：同時根據adrianav.r.silva等人通過對多次太陽耀斑爆發時刻的觀測，總結x射線能譜δx和射電能譜δr在impulsive和non-impulsive兩種爆發之間的差異，δx均大於δr如下表所示：表4太陽耀斑爆發中hxrx-ray和微波頻段不同譜指數之間的關係表spectralindex全部impulsivenon-impulsiveδx5.8±0.85.9±0.95.7±0.6δr4.8±1.05.1±0.93.7±0.6δx-δr1.0±1.00.8±1.02.0±0.7另外從觀測角度也證實了微波爆發峰值-x射線爆發峰值之間的時間差。根據t.kawate，n.nishizuka對第23太陽活動周多次典型太陽耀斑爆發x射線流量峰值到17ghz射電流量峰值之間的時間差，發現和上述譜指數研究符合，即射電流量峰值與x射線峰值之間存在時間滯後；同時我們將l\s波段兩個監測頻點峰值時間與x射線開始時間做了比較，也發現時間滯後在3-30分鐘之間，如下表所示：表5第23太陽活動周多次典型活動中x射線活動時間與射電相關流量時間的關係那麼從耀斑爆發開始到射電流量超過幹擾通信的閾值就也存在時間差，我們統計了第24太陽活動周多次太陽活動時x射線開始上升即耀斑開始爆發時刻到射電爆發極強時刻之間的時間差有如下分布：表6.第24太陽活動周多次太陽活動時x射線開始上升到射電爆發極強時刻之間的時間差通過上述分析和統計，在劇烈太陽射電爆發達到極強值之前均有x射電的流量異常，通過該流量異常點，可以作為太陽射電爆發幹擾衛星通信信號的預警點，如圖10所示；綜上兩點分析，本發明目的是通過如下技術方案來實現的：本發明系統包括搭載於在軌衛星平臺的高能射線探測器系統、陸基太陽射電望遠鏡、計算機，搭載於在軌衛星平臺的高能射線探測器系統包括高能射線探測器、信號處理器、收發信機ⅰ，高能射線探測器通過信號處理器與收發信機ⅰ連接，收發信機ⅰ通過陸基太陽射電望遠鏡與計算機連接，陸基射電望遠鏡採集的太陽射電流量數據通過總線傳輸至計算機。所述陸基太陽射電望遠鏡包括射電天線、模擬接收機系統、定標系統、收發信機ⅱ、3個以上功率-電壓轉換器、數據採集器；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，數據採集器通過總線與計算機連接，計算機與定標系統連接；收發信機ⅱ作為陸基射電望遠鏡的一個子系統單獨工作，其分別與收發信機ⅰ、射電天線、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。所述定標系統包括微波開關、噪聲源，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對其進行控制，選擇定標、觀測模式。所述濾波器ⅰ和濾波器ⅱ均為帶通濾波器。所述陸基太陽射電望遠鏡通過自身集成的收發信機ⅱ與空中高能射線探測器系統的收發信機ⅰ進行通聯，同時通聯頻段選擇在x波段(8-9ghz)。本發明系統通過兩部分測量數據對太陽射電爆發幹擾衛星通信事件進行預報，包括：x射線和微波頻段；其中，x射線主要通過搭載於在軌衛星平臺的高能射線探測器系統有效載荷完成的，該載荷主要探測10kev-100kev能段的太陽輻射，同時該部分還具有通信收發機(收發信機)，採用x(8-9ghz)波段作為通信信號收發頻段，避免太陽射電爆發帶來的影響；高能射線探測器負責對太陽x射線流量進行探測，將探測數據發送到信號處理器，信號處理器通過數據強度的分析判斷是否發生耀斑爆發，如遇情況通過收發信機ⅰ將信號傳回地面接收站，收發信機ⅰ採用8-9ghz頻段進行天地通聯，避開容易受太陽射電爆發的l\s(1-4ghz)等波段。微波頻段的太陽爆發輻射主要通過工作於l-s波段的陸基太陽射電望遠鏡完成，該望遠鏡具有精密觀測、定標等功能；同時該系統集成了一個收發信機ⅱ，採用x(8-9ghz)波段作為通信信號收發頻段，避免太陽射電爆發帶來的影響，同時也可以避免對太陽射電接收機部分的幹擾；該部分工作於l\s兩個波段負責對太陽射電流量進行監測，在發現流量異常時，發出預警信息。兩部分採用星地通聯的方式進行數據通報，例如：在某個能段發生流量異常時，採用通信收發機通知另一個子系統，可能會到來的太陽射電爆發。在聯合預警方法方面，針對x射線爆發和射電爆發並不同步的物理本質，搭載於在軌衛星平臺的高能射線探測器系統和陸基太陽射電望遠鏡均設置閾值信息互通機制，在某一系統觀測到流量超過閾值時，即向另一系統發出信息，做好相關準備。其關鍵在於：1、根據已有的研究文獻，太陽耀斑活動時，x射線流量上升到射電爆發達到最大值之間存在時間差，從2分鐘到1小時不等，為此可以將x射線流量的上升點作為太陽射電爆的一個預警點；2、陸基太陽射電望遠鏡是最直接的測量方式，但是預警時間較短，且容易受到無線電幹擾，通過對l-s波段內多個點頻流量的觀測，對多個點頻的觀測數據分別進行總功率監測和定標，精度達到1s.f.u，同時旨在確定是否發生太陽射電爆發，為了避免無線電幹擾，必須在多個點頻均發生流量異常時才能確定太陽射電爆發；3、同時對於少部分射電流量上升早於x射線流量上升的事件，陸基和空間兩個子系統均集成通信收發機，形成數據互通機制；根據式(8)的推導，通信頻率越高太陽射電爆發產生的幹擾信號越小，為此採用8-9ghz頻段作為通信信號；本發明的有益效果是：採用兩個不同能段的觀測數據，可以獲得更加準確和可靠的預警信息；同時利用其譜指數的不同獲得預警時間，延長了預警的時效、提高了預警的效果。附圖說明圖1為本發明裝置結構示意圖；圖2為本發明模擬接收機系統結構示意圖；圖3為2006年12月6日zhu-waasgps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4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5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6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；圖7為10mhz～5ghz常溫通信接收機帶內噪底等效太陽射電流量值；圖8為太陽活動峰年和寧靜不同流量的爆發發生概率統計；圖9為太陽耀斑爆發中x射線和射電流量譜指數之間的變化差異圖；圖10為利用x射線流量異常進行預警的示意圖.圖11為定標流程圖示意圖；圖12為寧靜太陽、冷空、噪聲源和匹配終端的功率關係示意圖。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，本基於空地聯測預警太陽射電爆發幹擾衛星通信的系統包括搭載於在軌衛星平臺的高能射線探測器系統、陸基太陽射電望遠鏡、計算機，搭載於在軌衛星平臺的高能射線探測器系統包括高能射線探測器、信號處理器、收發信機ⅰ，高能射線探測器通過信號處理器與收發信機ⅰ連接，收發信機ⅰ通過陸基太陽射電望遠鏡與計算機連接；該系統中搭載於在軌衛星平臺的高能射線探測器系統、陸基太陽射電望遠鏡採用星地通聯的方式進行數據通報，例如：在某個能段發生流量異常時，採用各自的收發信機通知另一個系統，可能會到來的太陽射電爆發。x射線探測部分主要通過搭載於在軌衛星平臺的高能射線探測器系統有效載荷完成的，該載荷主要探測10kev-300kev能段的太陽輻射，同時該部分還具有數據發送載荷，採用x(8-9ghz)波段作為通信信號收發頻段，避免太陽射電爆發帶來的影響；通過數據發送載荷嚮導航地面站和陸基太陽射電望遠鏡發送預警信息。所述陸基太陽射電望遠鏡包括射電天線、模擬接收機系統、定標系統、收發信機ⅱ、3個功率-電壓轉換器、數據採集器；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；收發信機ⅱ分別與收發信機ⅰ、射電天線、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個的隔離器、3個的濾波器ⅰ、3個的第二級放大器、3個的濾波器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，功率-電壓轉換器輸出與數據採集器相連，數據採集器通過總線與計算機相連，傳遞數據；所述定標系統包括微波開關、噪聲源，噪聲源與微波開關連接，同時計算機與微波開關連接進行控制切換選擇定標、觀測兩種模式；所述濾波器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。定標系統主要採用冷熱負載即：「輪換太陽--冷空--噪聲源--匹配負載」的方案定標，定標系統按常規定標方法進行控制，見圖11、12；同時陸基太陽射電望遠鏡具有收發信機ⅱ，採用x(8-9ghz)波段作為通信信號收發頻段，避免太陽射電爆發帶來的影響，同時也可以避免對太陽射電接收機部分的幹擾；在發現監測能段流量異常時，通過收發信機ⅱ向搭載於在軌衛星平臺的高能射線探測器系統的監測衛星和導航地面站發出預警信息。當前第1頁12