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.      

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。     

基于FPGA的高性能电离层测高仪数控系统设计

为建立天地一体化电磁观测系统,实现电离层等的实时准确观测,为地震机理的研究与地震预报工作提供科学有效的数据,提出了一种高性能电离层测高仪数控系统设计方案将应用于电磁卫星的地面同步验证系统中,给出了数控系统的时序控制单元、发射单元和接收单元等的具体实现.在收发延迟可变的雷达时序控制下,发射单元利用直接数字合成技术产生1～30MHz的脉冲信号,40位类巴克码对脉冲信号进行二进制相位调制编码,随后交替发射正交极化波;接收单元利用高速模数转换器实现信号的数字化,采用FPGA技术进行下变频处理.本数控系统的设计可直接获取回波信号的极化信息,高度分辨率为1.5km,探测周期小于2min.实验结果表明,该数控系统方案切实可行.      

电离层数字测高仪被动接收观测模式研究

利用CADI(Canadian Advanced Digital Ionosonde)电离层数字测高仪平台,实现了新的电离层数字测高仪被动接收观测模式.利用新开发的观测模式,在观测台站开展了一系列实验观测研究,经过信号处理和信息提取,获得了电离层特征参量f0F2回归方程,高频信道背景噪声分布,电离层D层对电波的吸收等电离层探测信息.实验观测结果表明,所获取的f0F2与主动探测结果相关性在0.84以上,高频信道背景噪声分布以及电离层D层吸收状况与电离层实际分析结果相吻合.     

风云三号C星GNOS北斗掩星电离层探测初步结果

利用风云三号卫星C星GNOS掩星探测仪电离层数据,分析了2013年10月FY-3C GNOS探测的北斗掩星电离层廓线分布,将2013年10月1日至2015年10月10日期间FY-3C GNOS观测的F₂层峰值电子密度（N_mF₂）与地面电离层测高仪观测结果进行对比,验证了FY-3C GNOS北斗电离层掩星的探测精度.结果表明,FY3-C GNOS北斗电离层掩星与电离层测高仪探测的N_mF₂数据相关系数为0.96,平均偏差为10.21%,标准差为19.61%.在不同情况下其数据精度有如下特征:白天精度高于夜晚;夏季精度高于分季,分季精度高于冬季;中纬地区精度高于低纬地区,低纬地区精度高于高纬地区; BDS倾斜同步轨道（IGSO）卫星精度高于同步轨道（GEO）卫星和中轨道（MEO）卫星.FY-3C GNOS北斗电离层掩星与国际上其他掩星电离层数据精度的一致性对GNSS掩星探测资料的综合利用具有重大意义.      

由高频无线电波反射回波参数反演电离层运动和结构的高度剖面

本文从广义电波射线微分方程组出发,导出了时变、不均匀和各向异性电离层介质中高频无线电波反射回波的可测参数与电离层的运动和结构参数之间的积分方程组,并给出了利用现代数字测高仪中的多普勒图、定向图、频高图和测距图,反演电离层的结构和运动随高度的分布剖面的计算方法.根据这种反演方法,单站探测电离层运动和结构剖面时有多种可测参量的组合方式.文中提出了一种最佳的参量组合方案,为探测设备的改进和观测记录的分析提供了理论依据.      

海口地区上、下电离层的资料计算

一、前言 电离层对空间通讯系统、航天飞机、宇宙飞船、运载火箭、洲际导弹的遥测遥控的影响,往往以电子含量及时空结构与变化的形式表现.为考虑到与测高仪资料的配合和布站的合理,于1981年6月开始陆续在海口、满州里、乌鲁木齐建立了三个多普勒观测站,以获取总含量和测高仪的资料,进行上、下电离层的联合分析.     

国际参考电离层模型输出参数峰值高度性能

电离层峰值高度H_mF₂是描述电离层形态的重要参数之一,国际参考电离层模型IRI-2016中融入了大量电离层测高仪和无线电掩星探测数据,用以提升H_mF₂的预测精度.本文利用太阳活动低年（2007—2010年）气象、电离层和气候卫星联合观测系统COSMIC探测数据描述全球范围内COSMIC H_mF₂的三维形态变化,对比分析了IRI-2016与IRI-2012模型的预测结果,同时分析了IRI-2016模型输出H_mF₂的性能.结果表明,IRI模型在中高纬度地区的输出结果高于COSMIC反演结果,而赤道及低纬地区则大都偏低.与IRI-2012模型相比,IRI-2016模型的输出结果在夜间至凌晨时段呈现较为明显的纬向梯度变化且大部分区域输出值偏高,但在白天时段赤道附近区域的输出值大都偏低.上述结果为电离层IRI模型的完善提供了一定参考.      

一种数字电离层测高仪系统中O波与X波的分离方法

电离层测高仪系统中,O波与X波的分离非常重要.本文提出一种新的O波与X波分离的实现方法,根据电离层回波的极化特性,通过在接收电路上采用数字方法合成圆极化波的方式,实现了对O波与X波的有效分离.与现有DPS-4测高仪系统采用模拟域电信号合成圆极化波的方法相比,本文方法通过在数字下变频处理过程中引入±90°相移,消除了在模拟域电信号合成方法中相移器的带宽限制和非线性问题.另外,该方法在实现发射和接收信号的极化状态转换时不需要连续切换多个模拟开关,从而提高了整个系统的稳定性.      

火星电离层探测

火星已经成为深空探测的重要目标之一, 登陆火星并在火星生存是人类探测火星的终极目标, 因此电离层是必须了解的火星电磁环境. 火星电离层探测包括直接探测和间接探测. 直接探测精度高, 有较高的空间分辨率, 但是观测时间短, 无法提供长期稳定的探测结果. 对火星电离层的间接探测结果主要来自无线电掩星探测和顶部雷达探测. 无线电掩星探测可实现对火星电离层整个电子密度剖面的长期稳定探测, 但其空间水平分辨率较低, 且可探测的电离层太阳天顶角范围受到地球与火星轨道的限制. 顶部雷达探测对火星电离层的探测具有很高的时间分辨率和空间分辨率, 且同样可进行长期稳定探测, 为火星电离层研究提供了最新的支持. 通过对火星电离层探测的基本方法及典型观测结果的分析, 提出通过几种探测方法适当结合的方式, 同时对火星电离层进行观测, 能够大大推进对火星电离层的研究.      

WIOBSS: The Chinese low-power digital ionosonde for ionospheric backscattering detection

The ionospheric laboratory of Wuhan University has developed an ionosonde over about seven years. The prototype is designed as a portable, low-power digital MF (medium frequency) and HF (high frequency) radio system with high range and Doppler resolution. The first system is used for ionospheric oblique backscattering detection and called WIOBSS (Wuhan Ionospheric Oblique Backscattering Sounding System). WIOBSS is a portable monostatic ionosonde for both ionospheric research and HF channel management, adopting alternate transmitting and receiving patterns to transmit long coded pulse trains for high pulse compression gain. The almost perfect sequences are applied to modulate the pulse train for sounding without range sidelobes and the echo phase is used to estimate the Doppler velocity and velocity fluctuation. This paper introduces the new techniques adopted by WIOBSS and presents some observations.     

电离层虚高的高精度测量与分析

为了提高电离层虚高测量精度,介绍了利用电离层回波相位实现高精度虚高测量的方法,并以CADI(Canadian Advanced Digital Ionosonde)电离层数字测高仪为研究平台,进行组合脉冲控制和回波相位测量分析,开展了一系列虚高测量实验,并与传统的利用回波时间延迟的虚高测量方法进行了分析比较.实验结果表明,基于回波相位的测量分析方法与回波时延测量分析方法相比,其虚高测量精度高一个量级以上,这对精确反演电离层峰下电子浓度剖面及研究电离层精细结构具有重要意义.      

A new design of low-power portable digital ionosonde

The Ionospheric Laboratory of Wuhan University is interested in upgrading its instrumentation replacing the WIOBSS (Wuhan Ionospheric Oblique Backscattering Sounding System) with a more flexible and automatic ionosonde. Then the updated ionosonde WMI (Wuhan Multifunctional Ionosonde) with automatic ionogram scaling has been developed to satisfy future research. The new system not only inherited some classic techniques from WIOBSS, such as the pulse compression and the coherent integration techniques, but also made great improvements in hardware design and software updating. This paper mainly introduces evolutions of this new ionosonde in both digital transceiver and digital signal processing domain, and also presents some observations.     

Effects of a “day-time” substorm on the ionosphere and radio propagation

Propagation mechanisms of lateral (non-great-circle) signals on a high-latitude HF radio path during magnetospheric substorms that occurred in the day-time have been considered. The path is equipped with oblique ionospheric sounding (OIS) from Murmansk to St. Petersburg. The OIS method gives the possibility to determine propagation modes, MOF (maximum observed frequency) values, signal delays, etc. Data of the CUTLASS radar, the IMAGE magnetometer system, the Finnish riometer chain, and the Tromso ionosonde were also used for the analysis. The main results are the following: (1) the lateral signal propagation takes place, as a rule, if the path midpoint is located near the irregularity region that moves sharply from high to low latitudes. The lateral signal propagation appearing during day-time is a new effect. (2) Formation of dense field-aligned irregularities during a substorm leads to decreasing F2MOF values on radio paths. These results can be useful for problems of radiolocation, HF communications and navigation.     

基于Casper和Simulink的射电谱仪信号处理系统设计与实现

基于Casper硬件平台的射电望远镜数字系统正在被广泛应用.在Simulink中通过调用Casper模块可以实现复杂的数字信号设计,加快FPGA开发射电望远镜系统的效率.利用Casper模块和Simulink中Xilinx模块设计射电望远镜单元样机的数字信号处理单元,完成子带的抽取、下变频和整体频谱分析等功能.在Casper通用硬件平台ZYNQ7020上进行相关功能的仿真,验证了利用Casper模块和Xilinx模块设计基于FPGA的射电望远镜单元样机信号处理系统的可行性和高效性.