一种三频信标信号电离层信道仿真方法
阅读说明：本技术 一种三频信标信号电离层信道仿真方法 (Three-frequency beacon signal ionosphere channel simulation method ) 是由 於晓 孙芳 刘钝 郭敏军 孙兴信 谭帅 冯健 许娜 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种三频信标信号电离层信道仿真方法,包括如下步骤：步骤1,计算卫星的位置：步骤2,由卫星和接收机的位置,计算低轨卫星的过境时间：步骤3,计算卫星过境期间的星-地链路电离层TEC值；步骤4,由星-地链路的电离层TEC时间序列信息,计算频点信标信号的相位和幅度在穿越电离层信道到达地面时的变化：步骤5,将频点信标信号的幅度和相位在穿越电离层信道到达地面时的变化值写成文本文件,输入到连接三频信标接收机的卫星信道模拟器。本发明所公开的仿真方法,能够产生信道模拟器的输入文件(该信道模拟器与三频信标接收机连接),用作星-地链路三频信标电离层TEC测量方法仿真验证的输入,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 method for simulating an ionospheric channel of a tri-band beacon signal, which comprises the following steps: step 1, calculating the position of a satellite: step 2, calculating the transit time of the low-orbit satellite according to the positions of the satellite and the receiver: step 3, calculating a TEC value of the ionized layer of the satellite-ground link during the satellite transit period; step 4, calculating the changes of the phase and amplitude of the beacon signal of the frequency point when the beacon signal passes through the ionosphere channel to reach the ground according to the ionosphere TEC time sequence information of the satellite-ground link: and 5, writing the variation values of the amplitude and the phase of the frequency point beacon signals when the signals pass through the ionosphere channel to reach the ground into a text file, and inputting the text file into a satellite channel simulator connected with a tri-frequency beacon receiver. The simulation method disclosed by the invention can generate an input file of the channel simulator (the channel simulator is connected with the tri-band beacon receiver) and is used as the input of the simulation verification of the satellite-ground link tri-band beacon ionized layer TEC measurement method, thereby laying a foundation for the design and application of a low-orbit spacecraft-based satellite-borne tri-band beacon measurement system.)
技术领域
本发明属于电离层信道仿真技术领域，特别涉及该领域中的一种三频信标信号电离层信道仿真方法，用于仿真星载三频信标信号的幅度和相位在穿越电离层信道到达地面时的变化，用作星-地链路三频信标电离层TEC测量方法仿真验证的输入。
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离层电子密度的积分值，是与电波传播特性密切相关的电离层特征参量。
电离层TEC探测技术一般是以卫星作为信标，利用卫星信号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解算。基于卫星信标的电离层TEC测量技术最大的优势是信号源已提供，接收设备简单，其中的差分多普勒技术是基于电离层的色散效应，由双频(或多频)相干信号多普勒频移的差分来消除卫星运动引起的频移，保留与电离层TEC有关的附加频移，经换算获得电离层TEC值。
早期典型的可用于电离层信标探测的低轨卫星是美国海军子午仪卫星导航系统(Navy Navigation Satellite System，NNSS)，NNSS卫星搭载了双频信标发射机，发射载波频率为150MHz和400MHz的双频相干信号，接收机在地面接收卫星信标信号，利用差分多普勒频移技术实现电离层TEC测量。随后，美国、俄罗斯等国又相继发射了OSCAR、RADCAL、DMSPF15、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，COSMIC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星-地链路上的电离层TEC和多频段信号闪烁的测量。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，经网络传送至数据处理中心，数据处理中心综合利用各三频信标接收机站网的电离层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。三频信标测量的数据产品包括电离层TEC和二维/三维电子密度分布等，可服务于地震电磁监测、空间环境监测预警等领域。
相比传统的地基监测技术，三频信标电离层TEC测量的主要优势是：随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即可实现电离层TEC测量，在地面布设一条(或多条)沿子午圈方向的接收机链，结合CIT技术，就能实现二维(或多维)电离层电子密度的分布重构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种三频信标信号电离层信道仿真方法。
本发明采用如下技术方案：
一种三频信标信号电离层信道仿真方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
步骤1，给定计算场景，包括测量的起始时间和结束时间、接收机的位置和低轨卫星的TLE星历文件，计算卫星的位置：
由低轨卫星的TLE星历文件提取出卫星轨道倾角、偏心率和间隔，结合SGP4模型或SDP4模型，计算出低轨卫星在地心惯性坐标系下的位置，然后转换为经度、纬度和高度坐标的卫星位置；
步骤2，由卫星和接收机的位置，计算低轨卫星的过境时间：
由卫星和接收机的位置，计算地面观测的卫星仰角和方位角，设定一个可见卫星观测的截止仰角，取卫星观测的仰角不低于观测截止仰角的时间段为低轨卫星的过境期间，计算卫星过境期间的低轨卫星位置、卫星观测的仰角和方位角；
步骤3，由电离层经验模型NeQuick，计算卫星过境期间的星-地链路电离层TEC值；
将低轨卫星过境期间，卫星和接收机的位置序列输入到电离层经验模型NeQuick，计算获得星-地链路的电子密度值，按观测路径积分得到星-地链路的电离层TEC时间序列；
步骤4，由星-地链路的电离层TEC时间序列信息，计算VHF、UHF和L频点信标信号的相位和幅度在穿越电离层信道到达地面时的变化：
信号相位的变化是信号频率的函数：
其中，f表示信号频率，c为光速，n表示大气折射指数，Ne表示信号传播路径上的电子密度，表示星-地链路的电离层TEC，r为接收机的位置，s为卫星的位置，表示对时间的差分，由式(1)计算得到不同频点的多普勒频移值；
信号幅度的变化用信号幅度衰减来表征，为信号频率的函数：
其中，L1为信号幅度衰减，f表示信号频率，R为卫星-接收机的距离，fcol为碰撞频率，TEC表示星-地链路的电离层TEC，由式(2)计算得到不同频点的信号幅度衰减值；
步骤5，将VHF、UHF和L频点信标信号的幅度和相位在穿越电离层信道到达地面时的变化值写成文本文件，输入到连接三频信标接收机的卫星信道模拟器，用作星-地链路三频信标电离层TEC测量方法仿真验证的输入。
进一步的，在步骤2中，首先将计算的观测时间和信号采样间隔都取的较长，按步骤1和步骤2计算得到粗略的低轨卫星过境时间，然后改变计算场景的时间，使它包含并略长于低轨卫星的过境时间，同时缩短信号的采样间隔，按步骤1和步骤2重新计算，得到信号采样间隔更短的卫星过境时间，重复2-3次，即可获得信号采样间隔为20ms的低轨卫星过境期间的卫星位置、观测的仰角和方位角序列。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的仿真方法，主要是基于电离层的色散效应，用于仿真星载三频信标发射的VHF(150MHz)、UHF(400MHz)和L(1067MHz)频段信号的信号幅度和相位在穿越电离层信道到达地面时的变化，该仿真方法能够产生信道模拟器的输入文件(该信道模拟器与三频信标接收机连接)，用作星-地链路三频信标电离层TEC测量方法仿真验证的输入，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是本发明所公开仿真方法的流程示意图；
图2是实施例1当天的低轨卫星位置图；
图3是实施例1计算得到的卫星观测仰角(上)和方位角(下)结果图；
图4是实施例1星-地链路的电离层TEC时间序列图；
图5是实施例1中不同频点的多普勒频移值；
图6是实施例1中不同频点的信号幅度衰减值；
图7是实施例2计算得到的卫星观测仰角(上)和方位角(下)结果图；
图8是实施例2星-地链路的电离层TEC时间序列图；
图9是实施例2中不同频点的多普勒频移值；
图10是实施例2中不同频点的信号幅度衰减值。
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。
本发明公开了一种三频信标信号电离层信道仿真方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1，给定计算场景，包括观测的时间、接收机的位置和低轨卫星的TLE星历文件，计算卫星的位置：
由低轨卫星的TLE星历文件提取出卫星轨道倾角、偏心率和间隔等参数，结合SGP4模型或SDP4模型，计算出低轨卫星在地心惯性坐标系下的位置，然后转换为大地坐标系下的卫星位置(经度、纬度和高度)。这里，我们选用的是SGP4模型；
步骤2，由卫星和接收机的位置，计算低轨卫星的过境时间：
由卫星和接收机的位置，计算地面观测的卫星仰角和方位角，为与实际观测一致，设定一个可见卫星观测的截止仰角，选取卫星观测的仰角不低于观测截止仰角的时间段为低轨卫星的过境期间，计算卫星过境期间的低轨卫星位置、卫星观测的仰角和方位角；
为获得一次完整的卫星过境期间的数据，需要将仿真的观测时间取得足够长，而用作电离层TEC测量的信号采样间隔较短(这里取作20ms)，这将导致计算时间较长。为节约计算时间，首先将计算的观测时间和信号采样间隔都取的较长，如分别为1天和30s，按步骤1和步骤2计算得到较为粗略的低轨卫星过境时间，然后改变计算场景的时间，使它包含并略长于低轨卫星的过境时间，同时缩短信号的采样间隔，按步骤1和步骤2重新计算，得到信号采样间隔更短的卫星过境时间，重复2-3次，即可获得信号采样间隔为20ms的低轨卫星过境期间的卫星位置、观测的仰角和方位角序列。
步骤3，由电离层经验模型NeQuick，计算卫星过境期间的星-地链路电离层TEC值；
将低轨卫星过境期间，卫星和接收机的位置序列等输入到电离层经验模型NeQuick，计算获得星-地链路的电子密度值，按观测路径积分得到星-地链路的电离层TEC时间序列；
步骤4，由星-地链路的电离层TEC时间序列等信息，计算VHF、UHF和L频点信标信号的相位和幅度在穿越电离层信道到达地面时的变化；
步骤5，将VHF、UHF和L频点信标信号的幅度和相位在穿越电离层信道到达地面时的变化值写成文本文件，输入到连接三频信标接收机的卫星信道模拟器，用作星-地链路三频信标电离层TEC测量方法仿真验证的输入。
实施例1公开了一种三频信标信号电离层信道仿真方法，包括如下步骤：
步骤1，给定计算场景，包括测量的起始时间和结束时间、接收机的位置、低轨卫星的TLE星历文件。
计算场景的测量起始时间为2015年1月7日0点，结束时间为2015年1月7日24点，接收机位于马边(28.84°N，120.87°E)。
由低轨卫星的TLE星历文件提取出卫星轨道倾角、偏心率和间隔等参数，由SGP4模型计算低轨卫星在地心惯性坐标系下的位置，然后转换为大地坐标系下的卫星位置(经度、纬度和高度)。由于此技术较为成熟，这里不再赘述。图2给出了当天的低轨卫星位置，上和下依次为卫星的纬度和经度。
步骤2，由卫星和接收机的位置，计算地面观测的卫星仰角和方位角，取卫星观测的仰角不低于观测截止仰角的时间段为低轨卫星的过境期间。
本例设定观测卫星的截止仰角为5°，截取观测卫星的仰角不低于5°的时间为低轨卫星的过境时间。为节约计算时间，本例选取计算时间为2015年1月7日0-24时，信号采样间隔为30s，按步骤1和步骤2计算得到卫星的观测仰角(上)和方位角(下)结果如图3所示。上图曲线为卫星的观测仰角，直线对应卫星的观测仰角为5°；下图为卫星的观测方位角。上图中曲线超过直线的部分，对应了低轨卫星的过境时间。马边接收站在2015年1月7日0-24时观测到了三次低轨卫星过境，分别是06:10:00-06:19:00、16:41:30-16:48:30、18:14:30-18:22:30。
将信号采样间隔缩短，重新计算获得信号采样间隔更短的卫星过境时间。重复2次，获得信号采样间隔为20ms的低轨卫星过境时间。下面以第一次过境为例，得到的卫星过境时间为2015年1月7日06:09:38.16-06:18:42.98。
步骤3，由电离层经验模型NeQuick，计算卫星过境期间的星-地链路电离层TEC值；
将低轨卫星过境期间，卫星和接收机的位置序列等输入到电离层经验模型NeQuick，计算获得星-地链路上的电子密度值，按观测路径积分，得到图4所示星-地链路的电离层TEC时间序列；
步骤4，由星-地链路的电离层TEC时间序列等信息，计算VHF、UHF和L频点信标信号的相位和幅度在穿越电离层信道到达地面时的变化：
信号相位的变化主要考虑卫星-接收机相对运动引起的频移和电离层电子密度引起的频移，它为信号频率的函数：
其中，f表示信号频率，c为光速，n表示大气折射指数，Ne表示信号传播路径上的电子密度，表示星-地链路的电离层TEC，r为接收机的位置，s为卫星的位置，表示对时间的差分，将卫星信标信号的频率、卫星运动的速度、电离层TEC值带入式(1)，可以计算得到不同频点的多普勒频移值，结果如图5所示，从上到下依次为VHF、UHF和L频点信号的多普勒频移。
信号幅度的变化用信号幅度衰减来表征，它包含如下部分的贡献：电离层吸收引起的衰减、链路传播造成的损耗、发射机和接收机的增益等。本例暂不考虑发射机和接收机的功率增益等，只考虑电离层吸收引起的衰减和链路传播造成的损耗，它可表示信号频率的函数：
其中，L1为信号幅度衰减，f表示信号频率，R为卫星-接收机的距离，fcol为碰撞频率，TEC表示星-地链路的电离层TEC，将卫星信标信号的频率、卫星和接收机的位置、电离层TEC值带入式(2)，可以计算得到不同频点的信号幅度衰减值，结果如图6所示，从上到下依次为VHF、UHF和L频点信号的幅度衰减值；
步骤5，将VHF、UHF和L频点信标信号的幅度和相位在穿越电离层信道到达地面时的变化值写成相应的文本文件，输入到连接三频信标接收机的卫星信道模拟器，用作星-地链路三频信标电离层TEC测量方法仿真验证的输入。
实施例2公开了一种三频信标信号电离层信道仿真方法，包括如下步骤：
步骤1：给定计算场景，由低轨卫星的TLE星历文件和SGP4模型计算出低轨卫星的位置(经度、纬度和高度)。
测量的时间、低轨卫星的TLE星历文件与实施例1步骤1一致，接收机位于巧家(26.92°N，120.25°E)。由低轨卫星的TLE星历文件和SGP4模型计算出低轨卫星所在的位置(经度、纬度和高度)。当天的低轨卫星位置仍由图2给出，从上到下依次为卫星的纬度和经度。
步骤2：由卫星和接收机的位置，计算地面观测的卫星仰角和方位角，取卫星仰角不低于观测截止仰角的时间为低轨卫星的过境时间。
设定观测卫星的截止仰角为5°，计算时间为2015年1月7日0-24时，信号采样间隔为30s。计算得到卫星的观测仰角和方位角结果如图7所示。巧家接收站在2015年1月7日观测到了三次卫星过境，分别是06:10:30-06:19:30、16:41:30-16:47:30、18:14:00-18:22:30。将信号采样间隔缩短，重复2次计算获得信号采样间隔为20ms的低轨卫星过境时间。其中，第一次卫星过境的时间为2015年1月7日06:10:9.42-06:19:13.7。
步骤3：由电离层经验模型NeQuick，计算卫星过境期间的星-地链路电离层TEC时间序列，结果如图8所示。
步骤4：由星-地链路的电离层TEC序列等信息，分别计算VHF、UHF和L频点信标信号的幅度、相位在穿越电离层信道到达地面时的变化。
信号相位的变化主要考虑卫星-接收机相对运动引起的频移和电离层电子密度引起的频移。将卫星信标信号的频率、卫星运动的速度、电离层TEC值带入式(1)，计算得到不同频点的多普勒频移结果如图9所示，从上到下依次为VHF、UHF和L频点信号的多普勒频移。
信号幅度的变化主要考虑电离层吸收引起的衰减和链路传播造成的损耗。将卫星信标信号的频率、卫星和接收机的位置、电离层TEC值带入式(2)，计算得到不同频点的信号幅度衰减结果如图10所示，从上到下依次为VHF、UHF和L频点信号的幅度衰减值。
步骤5：将三频信标信号在穿越电离层信道到达地面时的信号幅度和相位的变化写成文本文件，输入到连接三频信标接收机的卫星信道模拟器，用作星-地链路三频信标电离层TEC测量方法仿真验证的输入。
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