电离层中小尺度扰动的多频多普勒快速探测与分析

电离层反射回波的高频多普勒频移测量是研究电离层扰动的重要方法之一.利用基于单频信号相位变化率测量的实时探测方法,获取连续高精度多频多普勒频高图,以实现中小尺度电离层扰动的快速探测研究.该方法被应用于敏捷式高性能电离层无线电多频探测系统样机平台.经验证在该平台上获取的多普勒频移分辨率可达0.039Hz,频高图探测周期最短小于1min.基于这种快速探测方法和平台在武汉观测站进行了较长时间的观测和数据采集,获得高精度多普勒频移并反演出电子浓度等值面法向运动速度,得到电离层反射寻常波的多普勒频高图和垂直扰动速度等信息,进而推演出电离层扰动随时间和空间的实时变化特征.对这些时域信号进行频谱分析,初步结果显示这些扰动主要是由极区活动激发的中国中部地区冬季出现率较高的中尺度TID.此外,对三种常用的电离层扰动反演分析方法进行了对比研究,结果显示电离层扰动的变化趋势基本一致,说明观测数据和研究方法可靠稳定,为多频多点电离层扰动的传播特性观测研究提供了基础.      

高精度多普勒频高图的获取和分析

电离层高频反射回波的多普勒频移是研究电离层扰动的一个重要参数。在数字测高仪探测中，高分辩率的多普勒频移一般在漂移测量中获得，但这种测量方式探测的频点少，不能获得扰动的高度剖面；而在频高图模式下，虽然工作的频点多，能够获得电子浓度的高度剖面的信息，但探测的多普勒频移的分辩率低，无法用来精确检测电离层扰动。实际的电离层高频回波一般为窄带信号，由此本文中提出了一种新的分析方法，利用DGS-256数字测高仪频高图模式下记录的16个多普勒通道的数据，通过反傅里叶变换还原成时域信号，采用最小二乘法估计相邻时间点的相位差，获得高精度多普勒频高图。作为实例，利用该方法分析武汉电离层观象台数字测高仪观测站的观测数据，得到了多频点的多普勒频移曲线。结果表明：在DGS-256数字测高仪频高图模式下能够得到高精度多普勒频高图，这在电离层扰动探测和研究中很在意义。     

跳频对DS／FH接收机载波跟踪精度影响分析

面对日益复杂的电磁环境,将DS/FH混合扩频技术引入航天测控领域是一种尝试.针对DS/FH信号的特点,推导了航天测控背景下的DS/FH混合扩频系统接收机关键节点的数学模型,分析了航天测控应用中由于DS/FH混合扩频信号的相邻跳频频率不同导致附加在载波上的多普勒频率跳变和载波初始相位跳变对混合扩频接收机捕获跟踪的影响,重点分析了载波多普勒频率跳变和载波初始相位跳变对接收机载波跟踪精度的影响;提出了一种减小由于跳频载波初始相位不确定造成相关累积能量损失的方法,并利用跳频图案辅助降低了跳频对混合扩频接收机载波跟踪精度影响,仿真验证了该方法的有效性.     

敏捷数字电离层测高仪系统研制及初步观测

在小型天线和低发射功率条件下，保证电离层测高仪观测数据质量和提高观测速度一直是电离层垂测的技术难点.针对这一问题，基于新近发展的高速数字芯片和射频器件，采用窄带跟踪滤波、脉冲压缩、编码复用和天线均衡匹配等技术，设计和研制一种敏捷数字电离层测高仪.该系统采用数米高的小型收发天线和便携式主机系统，配置任意频率扫描方式频高图、高分辨率多普勒频高图和斜向探测等多种工作模式，具有可流动观测布站、系统参数灵活捷变及适合快速电离层扰动探测等能力.敏捷数字电离层测高仪为组网观测获得大范围电离层时空变化和电离层快速扰动及传播提供了一种有效的探测手段.      

典型电离层多普勒记录及其讨论

由于地面电离层多普勒频率偏移测量具有时间连续、设备相对简便等固有特征，它特别适合于扰监测。本文在整理北京大学电离层高频多普勒台站观测资料的基础上，给出了一些典型电离层多普勒效应观测现象，这些现象反映了多普勒的细致分析对电离层形态学研究有其特殊意义。利用IRI模型，对多普勒频移的太阳耀斑效应及电离层不规则结构对多普勒频移的影响进行了模拟计算，理论结果与观测基本一致，从而大体上解释了这些响应的物理机制。论文最后对观测到的一种特殊的记录类型－－S型描迹的具体成因作了详细的分析和讨论，指出在一定条件下，以一定相位速度水平传播的声重波可以产生这类记录，给出了相位速度和振幅等声重波参数与记录描迹形状的关系，这对从多普勒频移记录推演电离层中的波动特征有一定的帮助。     

INS辅助的GPS接收机跟踪环结构和性能分析

分析了GPS/INS的不同组合方式,研究了GPS接收机跟踪环的结构,给出了多普勒频移和时钟误差频率的外部估计方法,提出了一种使用低成本惯性器件信息辅助GPS接收机跟踪环的深组合(deepintegration)结构,建立了这种结构的前馈模型,并对其进行了仿真分析。仿真结果表明,这种结构可以使得接收机具有较宽的跟踪带宽和较好的抑制噪声能力,能显著提高GPS接收机的性能。     

中纬地区日间类扩展F不规则结构的观测研究

基于高频多普勒观测,研究中纬地区日间类扩展F现象及其与其他电离层扰动现象的关联.结果表明:日间类扩展F具有出现时间覆盖面广、持续时间长、与其他电离层扰动相互伴随等特征;形态特征表现为回波弥散（与夜间扩展F相似）,弥散回波的频移多倾向于正向偏移,有时与行进电离层扰动（TIDs）相互伴随.日间类扩展F现象虽然是偶发事件,且发生率极低,但其出现时间及区域的广泛性充分体现了该现象对空间天气及空间环境的影响具有不可忽视的重要性.      

一种用于电离层TEC监测的GNSS信号载波跟踪算法

全球卫星导航系统（GNSS）是电离层TEC监测中应用最普遍的手段. 目前方法通常是在传统导航用途的GNSS接收机输出的原始观测量基础上,经过数据后处理得到电离层TEC信息,其GNSS信号的跟踪处理算法依然采用GNSS导航接收机的算法. 针对GNSS系统用于电离层TEC监测的特殊性,提出一种称为GNSS双频信号和差联合跟踪的新算法,与传统方法相比,该算法直接跟踪电离层TEC的变化,可以提高电离层TEC跟踪的灵敏度和TEC的观测精度,改善电离层TEC监测性能.      

航天GPS接收机信号搜索捕获策略

航天GPS接收机的无辅助冷启动时间是一项重要指标,研究近地轨道应用的12通道C/A码导航型接收机减小冷启动时间的方法.分析GPS信号的多普勒频率和伪码相位搜索方法、捕获检测器及其参数选择、多普勒频率搜索步长和伪码搜索速率, 得到多普勒频率搜索步长为500?Hz,伪码搜索速率为475码元/s.研究轨道倾角、轨道高度、GPS天线仰角和轨道偏心率等因素对多普勒频率搜索范围的影响.阐述根据GPS卫星间夹角的统计信息选择合理的卫星分配方法.分析和仿真结果表明,根据GPS卫星间夹角的统计信息选择合理的卫星分配方法,可将冷启动时间减少25%~30%,影响多普勒频率搜索范围的因素按程度依次为:轨道倾角、轨道高度、GPS天线仰角和轨道偏心率,再考虑这些因素时可将冷启动时间减少25%~40%.     

一种高动态频率跟踪环路的数字实现与分析

在弹载无线制导系统中,由于导弹的高动态特性,导致接收机所接收信号具有显著的多普勒频移。围绕载波频率跟踪环路的研究多在低动态环境下开展。针对高动态、低信噪比环境下接收信号的载波捕获与跟踪问题,提出了一种结合频率修正环节的载波频率跟踪环路,并重点分析了环路中叉积自动频率跟踪算法和高阶环路滤波器的特点。实验结果表明了该环路能够完成高动态环境下的频率跟踪。     

Use of global ionospheric maps for HF Doppler measurements interpretation

The HF Doppler technique, a method of measurement of Doppler frequency shift of ionospheric signal, is one of the well-known and widely used techniques of ionosphere research. It allows investigation of various disturbances in the ionosphere. There are different sources of disturbances in the ionosphere such as geomagnetic storms, solar flashes, meteorological effects and atmospheric waves. The HF Doppler technique allows us to find out the influence of earthquakes, explosions and other processes on the ionosphere, which occurs near the Earth. HF Doppler technique has high sensitivity to small frequency variations and high time resolution but interpretation of results is difficult. In this paper, we attempt to use GPS data for Doppler measurements interpretation. Modeling of Doppler frequency shift variations with use of TEC allows separation of ionosphere disturbances of medium scale.     

一种高动态环境下卫星扩频信号的快速捕获方法研究

现代卫星导航及测控应用对接收机在高动态环境下实现测量通信提出了迫切需求。为了解决大多普勒频偏扩频信号的快速捕获问题,提出了一种在频域并行搜索码相位及多普勒频偏的双频域快速捕获方法。采用双块补零算法将长的相关积分操作分割为多个短的相关积分操作,然后采用快速傅里叶变换进行圆周相关,大大节约了处理时间,利用频域圆周移位与时域载波剥离等价的原理,大幅提高了频率搜索效率。与时域相关算法和单频域计算方法相比,在捕获灵敏度不变的条件下,该方法将计算量减少90%,显著提高了运算速度,适合高动态环境下扩频信号的快速捕获。该方案应用于星载接收机平台FPGA实现,测试结果表明该方案可以在0.1s内完成±500kHz频偏下扩频信号捕获。     

面向时间应用的可驯服铷钟

研制一种面向时间应用的GPS可驯服铷钟。当铷钟被GPS驯服后,它输出的秒信号实时同步于GPS接收机的秒信号。同时,铷钟和GPS接收机之间的时间差的数据通过一个比例积分控制器去校正铷钟的频率准确度。驯服后,两台GPS驯服铷钟之间的时间差小于20ns、频率差小于1E-12/d。使用一台专用的GPS信号处理板和特定的GPS接收机,时间差可小于5ns。     

新一代卫星导航信号测量性能分析

导航信号的测量性能最终影响系统定位、测速、授时等服务精度, 是系统顶层设计的重要论证内容之一. 结合COMPASS系统新一代卫星导航信号体制框架设计, 分析了各种应用条件下的伪距、载波相位和多普勒测量精度, 并以典型设计参数为例进行了数值计算. 结果表明, 在接收机典型设计参数和工作条件下, 各信号分量均能够实现0.1m的伪距测量精度、0.006周的载波相位测量精度以及0.005m·s-1的多普勒测量精度. 首次给出的针对新信号体制各项测量性能的研究结果可为卫星导航系统信号体制设计、 导航接收机关键参数设计以及卫星导航系统用户测距误差预算等顶层设计提供参考.      

脉冲多普勒主动引导头自动化单元测试系统

叙述了脉冲多普勒主动导引头自动化单元测试系统的研制及其工作原理.实践表明,该测试系统能够自动设置导引头和测试设备的各种状态,自动完成各种复杂的测试过程,实时显示关键参数曲线,并自动生成记录文件;而且还能自动记录产品各部分的加电时间和过程,使导引头的调试和测试过程大大简化.该系统具有以下特点①模拟信号的延迟、多普勒频率、功率和噪声,且全部实现程序控制.采用晶振、分频等数字电路形成的多普勒频率、脉冲延迟,其准确度高、稳定性好,易和计算机联系.性能指标先进,使用非常方便.②模拟信号具有宽带特点,对不同点频的导引头,频率范围都可覆盖.③目标信号模拟器嵌入微处理器和接口电路,地面测试计算机通过RS-422接口和模拟器交换信息,并控制测试设备的工作状态,完成自动化测试.④控制台按特定程序加电,设有多项自动保护功能.     

Numerical study of traveling ionosphere disturbances with vertical incidence data

High frequency ionosphere vertical sounding, as an important and representative application for detecting the ionosphere and studying the characteristics of radio propagation, can be utilized to monitor the ionosphere continuously variation and to acquire the ionosphere asymmetrical features of diverse scale above the ionosphere vertical sounding stations. This is a first article on real time application of numerical methods to obtain the parameters of traveling ionosphere disturbances (TIDs) using vertical incident ionograms. In this paper, the distribution of ionosphere electron density with TIDs is constructed using a background ionosphere model superimposed a perturbation theory model. The background ionosphere electron density is modelled by the inversion of vertical incident ionograms which are observed before the appearance of the disturbance. Based on the fourth order Adams-Bashforth-Moulton (the so-called ABM) predictor corrector method, instead of Runge-Kutta method, the fast digital ray tracing method is established. According to process of the disturbed trace simulation and parameters inversion, the characteristic parameters of ionosphere disturbance at different detection time can be obtained in real time. The numerical analysis of TIDs is then captured completely.     

基于铱星机会信号的定位技术

全球导航卫星系统（GNSS）到达地球表面的信号弱,易受干扰,并且需要投入大量的基础设施,而机会信号可有效弥补这方面的不足。针对目前陆基机会信号（广播、数字电视和移动基站等）存在的覆盖性、可用性限制,提出了利用铱星系统实现天基机会信号定位。通过对铱星信号的通信体制进行深入研究,建立了瞬时多普勒定位数学模型,提出了利用铱星信号的单音信号获取多普勒频率信息,并结合轨道预测模型计算的卫星轨道信息实现铱星定位的方法。实测数据验证结果表明,利用实际铱星信号能够实现精度优于200 m的定位。研究成果对基于机会信号的定位技术的理论研究及应用具有参考意义。      

利用GPS技术实时监测上海区域电离层变化

基于GPS技术实时监测电离层变化原理, 利用载波平滑伪距观测值建立区域电离层模型的方法, 计算了电离层延迟量和硬件延迟, 根据硬件延迟值相对稳定的特点, 采取一定时段求解出硬件延迟量, 对实时硬件延迟量进行预报, 进而实时分离GPS信号传播路径上的垂直总电子含量VTEC. 利用上海区域内的GPS网的观测数据, 建立实时上海区域电离层延迟模型, 监测上海区域的电离层变化. 数据分析结果表明, 这种方法的内符合精度优于3 TECU.