一种基于信道模拟器的三频信标接收机电离层tec计算方法
阅读说明：本技术 一种基于信道模拟器的三频信标接收机电离层tec计算方法 (Ionized layer TEC calculation method of tri-band beacon receiver based on channel simulator ) 是由 於晓 郭敏军 陈亮 刘钝 刘少林 张发祥 王妍 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于信道模拟器的三频信标接收机电离层TEC计算方法,包括如下步骤：步骤1,读取连接信道模拟器的三频信标接收机的输出文件,得到三频点信号的同相分量、相位值等：步骤2,对信号相位进行修正：步骤3,对修正后的相位序列进行连接,得到连续的相位曲线；步骤4,将连接后的连续相位,转化为相对TEC序列：步骤5,将相对TEC序列、卫星位置、观测的起始时间、接收机位置存成文件,用作星-地链路三频信标台链电离层CT算法验证的输入。本发明所公开的计算方法,用于从三频信标接收机输出的相干信标信号I、Q分量的连续序列出发,计算得到接收机上空相对TEC的时间序列,为基于低轨航天器的星载三频信标测量系统的设计和应用奠定了基础。(The invention discloses a channel simulator-based method for calculating an ionized layer TEC (thermoelectric cooler) of a tri-band beacon receiver, which comprises the following steps of: step 1, reading an output file of a tri-frequency beacon receiver connected with a channel simulator to obtain an in-phase component, a phase value and the like of a tri-frequency point signal: and step 2, correcting the signal phase: step 3, connecting the corrected phase sequences to obtain a continuous phase curve; and 4, converting the connected continuous phase into a relative TEC sequence: and 5, storing the relative TEC sequence, the satellite position, the observation starting time and the receiver position into a file, and using the file as the input of the ionosphere CT algorithm verification of the satellite-ground link three-frequency beacon chain. The calculation method disclosed by the invention is used for calculating the time sequence of the relative TEC in the sky of the receiver from the continuous sequence of the I, Q components of the coherent beacon signal output by the three-frequency beacon receiver, and lays a foundation for the design and application of a low-orbit spacecraft-based satellite-borne three-frequency beacon measurement system.)
技术领域
本发明属于电离层TEC计算领域，特别涉及该领域中的一种基于信道模拟器的三频信标接收机电离层TEC计算方法，用于连接信道模拟器的三频信标接收机电离层TEC计算，计算结果可用作星-地链路三频信标电离层CT算法验证的输入。
背景技术
电离层TEC的定义是单位截面上沿信号传播路径的电子密度的积分值，是与电波传播特性密切相关的电离层特征参量。
基于卫星信标的电离层TEC测量技术，主要是基于卫星信标信号在穿越电离层信道传播时产生的多普勒频移、附加时间延迟或法拉第旋转等效应。其中，差分多普勒技术是基于电离层的色散效应，由双频(或多频)相干信号的多普勒频移的差分来消除卫星运动的影响，而保留与电离层TEC有关的附加频移，经换算可获得电离层TEC。
早期典型的可用于电离层TEC探测的信标搭载于美国海军子午仪卫星导航系统(Navy Navigation Satellite System，NNSS)。NNSS卫星搭载的双频信标发射机发射载波频率为150MHz和400MHz的双频相干信号，在地面布设的接收机接收该卫星信标信号，利用差分多普勒频移技术，可实现电离层TEC测量。随后，美国、俄罗斯等国又相继发射了OSCAR、RADCAL、DMSP F15、COSMOS等卫星，这些卫星均搭载了相干信标发射机。进入20世纪以来，美国发射了COSMIC卫星星座，6颗小卫星上搭载了相干信标发射机、掩星接收机和小型光度计。其中相干信标发射机用作沿星-地链路的电离层TEC和相干频点信号的闪烁测量。由于COSMIC卫星计划的成功，美国于2019年又发射了6颗COSMIC-II低轨赤道小卫星，主载荷包括三频信标发射机、掩星接收机和离子漂移速率计。
三频信标测量系统由星载分系统和地面分系统组成，星载分系统的三频信标发射机向地面发射一组相位相干的VHF、UHF和L频段信号，伴随卫星的运动实现对电离层的大范围快速扫描。地面分系统的三频信标接收机通过天线跟踪接收卫星上发射的三频相干信号，处理得到三频信号的相位、幅度等在穿越电离层信道时的变化，经差分多普勒计算，获取星-地链路的电离层TEC。
相比传统的地基监测技术，三频信标电离层TEC测量的主要优势为：沿卫星运动实现全球范围测量，可包含F2层以上的顶部电离层TEC信息，低轨卫星运动较快使得电离层静态假设成立，水平分辨率高等。近年来，我国也加快了对星载三频信标测量技术的研究，第一个星载相干信标载荷已成功搭载于地震电磁监测试验卫星上，发射一组相干载波信号，可实现电离层TEC测量。
在地面沿子午圈方向布设一组接收机台链，同时接收星载三频信标发射机发射的相干信标信号，联合处理可获得多台站上空大量观测路径交叉的电离层TEC。基于电离层层析成像(CIT)技术，实现大范围的电离层电子密度重构，可用作地震电离层前兆预警或空间天气事件监测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于信道模拟器的三频信标接收机电离层TEC计算方法，该计算方法从三频信标接收机输出的多频点相干信号I、Q分量的连续序列出发，计算得到观测站上空的相对TEC时间序列，既可用作星-地链路三频信标电离层CT算法验证的输入，又可用作连接信道模拟器的三频信标接收机的电离层TEC计算。
本发明采用如下技术方案：
一种基于信道模拟器的三频信标接收机电离层TEC计算方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
步骤1，读取连接信道模拟器的三频信标接收机的输出文件，得到三频点信号的同相分量I、正交分量Q，计算得到信号的功率P和相位值Φ：
P＝10×lg(I2+Q2) (1)
Φ＝tan-1(Q/I) (2)
步骤2，对信号相位进行修正：
根据接收机厂商提供的相位噪声背景系数，从接收机的测量相位中剔除相位漂移；
步骤3，对修正后的相位序列进行连接，得到连续的相位曲线；
由上述步骤得到的接收机相位值总在-π～π之间，当测量的相位值低于-π时，相位跳到π开始记录，而高于π时则跳到-π开始记录，将记录中的±π翻转进行相位连接处理，形成一条连续的相位数据曲线，步骤如下：
将各参量的初始值设定为(3)式：
Φc(t)＝0,t＝1,k＝0(t∈I) (3)
其中，Φc表示初始相位值，t表示时间序列值，k表示整周值，按如下步骤处理，直到所有数据均连接完成为止：
步骤31，对经过修正的相位数据进行差分：
Δ＝Φ(t+1)-Φ(t)
其中，t+1和t对应不同的时间，Φ是步骤2计算所得的相位值；
步骤32，在-π～π中取一个门限值D，判定相位连接时数据的±π翻转个数，判据为(4)式：
其中，Δ是步骤31所得的差分相位值，
步骤33，按式(5)对原始相位进行连接：
Φ'c(t)＝Φ(t)+2π×k(t) (5)
Φ′c为连接后的相位序列，在连接完成后，再按(6)式和(7)式进行处理：
Z＝min(Φ'c(t)) (6)
Φc(t)＝Φ'c(t)+|Z| (7)
Z为经相位连接后的最小相位值；
步骤4，将连接后的连续相位，转化为相对TEC序列：
连接后的相位与电离层相对TEC成正比，将它与一比例常数相乘，可得到相对TEC值；
步骤5，将相对TEC序列、卫星位置、观测的起始时间、接收机位置存成文件，用作星-地链路三频信标台链电离层CT算法验证的输入。
进一步的，步骤1在输入信道模拟器的信号衰减文件的末尾加入一个大的衰减，作为仿真场景结束的标志。
进一步的，步骤1的VHF、UHF和L三频点信号中，只有VHF频点和L频点的相位能用来计算电离层TEC。
进一步的，步骤32的门限值D取作5π/3，对应300°。
进一步的，步骤4的比例常数取0.020677。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的计算方法，用于从三频信标接收机输出的相干信标信号I、Q分量的连续序列出发，计算得到接收机上空相对TEC的时间序列，产生星-地链路三频信标台链电离层CT算法验证的输入文件，用作三频信标电离层CT算法的仿真验证，为基于低轨航天器的星载三频信标测量系统的设计和应用奠定了基础。
附图说明
图1是本发明所公开计算方法的流程示意图；
图2是实施例1计算得到的三频点的信号功率曲线；
图3是实施例1计算得到的三频点信号的相位值；
图4是实施例1中VHF频点的相位经修正后的结果图；
图5是实施例1中VHF频点的相位经连接后的结果图；
图6是实施例1中由连接后的VHF频点相位转化的相对TEC结果图；
图7是实施例2计算得到的三频点的信号功率曲线；
图8是实施例2计算得到的三频点信号的相位值；
图9是实施例2中VHF频点的相位经修正后的结果图；
图10是实施例2中VHF频点的相位经连接后的结果图；
图11是实施例2中由连接后的VHF频点相位转化的相对TEC结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明公开了一种基于信道模拟器的三频信标接收机电离层TEC计算方法，包括如下步骤：
步骤1，读取连接信道模拟器的三频信标接收机的输出文件，得到VHF、UHF和L频点信号的同相分量I、正交分量Q，计算得到三频点信号的功率P和相位值Φ：
P＝10×lg(I2+Q2) (1)
Φ＝tan-1(Q/I) (2)
由于连接模拟器的接收机输出文件没有时间信息，因此，在输入信道模拟器的信号衰减文件的末尾加入一个大的衰减，作为仿真场景结束的标志。从信号功率曲线上找到该标志，将后面的数据舍弃。
步骤2，对信号相位进行修正：
由于热噪声等原因，接收机在实际测量时存在相位的缓慢漂移。在实验室对接收机的相位测量噪声进行标定，将相位噪声背景系数存成文件。该系数也可由接收机厂商提供。这里读取后，从接收机的测量相位中予以剔除。
步骤3，对修正后的相位序列进行连接，得到连续的相位曲线；
由上述步骤得到的接收机相位值总在-π～π之间，当测量的相位值低于-π时，相位跳到π开始记录，而高于π时则跳到-π开始记录，而相位本身是连续的，因此必须将记录中的±π翻转进行相位连接处理，形成一条连续的相位数据曲线。
步骤4，将连接后的连续相位，转化为相对TEC序列：
由于连接后的相位与电离层相对TEC成正比，将它与一比例常数相乘，可得到相对TEC值；该比例常数与差分多普勒计算的两个相干信号的频率有关。
步骤5，将相对TEC序列、卫星位置、观测的起始时间、接收机位置等存成文件，用作星-地链路三频信标台链电离层CT算法验证的输入。
实施例1，本实施例公开了一种基于信道模拟器的三频信标接收机电离层TEC计算方法，包括如下步骤：
步骤1，读取连接信道模拟器的三频信标接收机的输出文件，得到三频点信号的同相分量I、正交分量Q，计算得到信号的功率P和相位值Φ：
输入到信道模拟器的测量场景的起始测量时间为2015年1月7日6点，接收机位于巧家(26.92°N，102.93°E)。连接信道模拟器的接收机的输出文件，记录了相干信标信号(VHF、UHF和L频点)经电离层传播到达地面时的I、Q分量等信息。
根据相干信标信号的I、Q分量，由式(1)计算得到信号功率值：
P＝10×lg(I2+Q2) (1)
计算得到的三频点的信号功率曲线如图2所示，从上到下依次是VHF、UHF和L频点。可见，三频点的信号功率在27000多点以前比较干净，接近一条直线。在27000多点以后突然大幅下降，然后起伏较大，接近于噪声。这是由于连接模拟器的接收机的输出文件没有包含时间信息，因此在输入信道模拟器的信号衰减文件的末尾加入了一个大的衰减，作为仿真场景结束的标志。从信号功率曲线上找到功率值大幅衰减开始的标志，将后面的数据舍弃。
根据相干信标信号的I、Q分量，由式(2)计算得到信号的相位：
Φ＝tan-1(Q/I) (2)
计算得到的三频点信号的相位值如图3所示，从上到下依次是VHF、UHF和L频点。可见，VHF和L频点的相位值总在-π～π之间，当测量的相位值低于-π时，相位跳到π开始记录，而高于π时则跳到-π开始记录。但是UHF频点的相位始终在零值附近，起伏很小。这是因为这里的三频信标接收机中频处理单元对VHF、UHF和L频点的数据分别差分处理，输出对应频点与UHF频点差分后的I、Q信息。因此，只有VHF频点和L频点的相位可用作电离层TEC的计算。后面的示例选取VHF频点的相位来计算。
步骤2，对信号相位进行修正：
由于热噪声等原因，接收机在实际测量时存在相位的缓慢漂移。这里读取接收机厂商提供的相位噪声背景系数的标定值，从接收机的测量相位中予以剔除。图4给出了VHF频点的相位经修正后的结果。
步骤3，对修正后的相位序列进行连接，得到连续的相位曲线；
由步骤2得到的接收机相位存在±π翻转，而相位本身是连续的，因此将记录中的±π翻转进行相位连接处理，形成一条连续的相位数据曲线。将各参量的初始值设定为(3)式：
Φc(t)＝0,t＝1,k＝0(t∈I) (3)
其中，Φc表示初始相位值，t表示时间序列值，k表示整周值，按如下步骤处理，直到所有数据均连接完成为止：
步骤31，对经过修正的相位数据进行差分：
Δ＝Φ(t+1)-Φ(t)
其中，t+1和t对应不同的时间，Φ是步骤2计算所得的相位值；
步骤32，在-π～π中取一个合适的门限值D对相位进行判断和数据连接，判定相位连接时数据的±π翻转个数，判据为(4)式：
其中，Δ是步骤31所得的差分相位值，
步骤33，按式(5)对原始相位进行连接：
Φ'c(t)＝Φ(t)+2π×k(t) (5)
Φ′c为连接后的相位序列，在连接完成后，再按(6)式和(7)式进行处理：
Z＝min(Φ'c(t)) (6)
Φc(t)＝Φ'c(t)+|Z| (7)
Z为经相位连接后的最小相位值，这里将门限值D取作5π/3，对应300°。图5给出了VHF频点的相位经连接后的结果。
步骤4，将连接后的连续相位，转化为相对TEC序列：
由于连接后的相位与电离层相对TEC成正比，将它与一比例常数相乘，可得到相对TEC值。该比例常数与UHF和VHF频点信号的频率有关，取作0.020677。图6给出了由连接后的VHF频点相位转化的相对TEC结果。
步骤5，将相对TEC序列、卫星位置、观测的起始时间、接收机位置等存成文件，用作星-地链路三频信标台链电离层CT算法验证的输入。
实施例2，本实施例公开了一种基于信道模拟器的三频信标接收机电离层TEC计算方法，包括如下步骤：
步骤1，读取连接信道模拟器的三频信标接收机的输出文件，计算信号功率和相位值。
输入到信道模拟器的测量场景的起始测量时间为2015年1月7日6点，接收机位于马边(28.84°N，103.55°E)。连接信道模拟器的接收机的输出文件，记录了相干信标信号(VHF、UHF和L频点)经电离层传播到达地面时的I、Q分量等信息。由相干信标信号的I、Q分量和上式(1)计算得到的三频点的信号功率曲线如图7所示，从上到下依次是VHF、UHF和L频点。可见，三频点的信号功率在26800多点以前比较干净，接近一条直线。在26800多点以后突然大幅下降，然后起伏较大，接近于噪声。将功率值大幅衰减开始后的数据舍弃。
由相干信标信号的I、Q分量和上式(2)计算得到的三频点信号的相位值如图8所示，从上到下依次是VHF、UHF和L频点。可见，VHF和L频点的相位值总在-π～π之间，而UHF频点的相位始终在零值附近且起伏很小。因此，只有VHF频点和L频点的相位可用作电离层TEC的计算。后面的示例选取VHF频点的相位来计算。
步骤2，读取接收机厂商提供的相位噪声背景系数的标定值，对接收机的测量相位进行修正，经修正后的VHF频点相位结果如图9所示。
步骤3，对修正后的相位序列进行连接，设定的相位翻转门限值取作5π/3(对应300°)。图10给出了VHF频点的相位经连接后的结果。
步骤4，将连接后的相位乘以固定常数0.020677，得到如图11所示的相对TEC序列。
步骤5，将相对TEC序列、卫星位置、观测的起始时间、接收机位置等存成文件，用作星-地链路三频信标台链电离层CT算法验证的输入。