基于天基GNSS掩星探测技术的电离层闪烁研究

论文摘要

电离层闪烁会导致无线电信号的周跳甚至失锁,从而对全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）的导航定位、星地通讯以及区域通信等产生非常严重的影响。基于我国雷达、北斗导航系统（Beidou Navigation Satellite System）的快速发展以及我国南方区域正处于磁赤道异常北驼峰区域的现状,该地区电离层闪烁及时有效的监测和预警对我国的国防建设、南海渔业、海上航运等生产生活活动显得极为重要。因此我国有必要大力发展南方乃至全球的电离层闪烁观测技术,推动电离层闪烁监测、预警和预报等空间天气研究。迄今为止,国内外已有大量电离层闪烁探测手段,其中,天基GNSS掩星接收机探测技术具有全球覆盖、高垂直分辨率、高精度、全天候和长期稳定等优点,是目前最主要的电离层闪烁探测方式之一,应当是我国发展的重点。我国于2013年研制并投入使用的GNSS掩星探测仪（GNSS occultation sounder,GNOS）搭载于风云三号C星（FY3C）,其通过掩星临边观测获取了大量GPS电离层闪烁数据,为电离层闪烁预报、电离层闪烁概率发生模型等空间天气研究提供了重要支撑。基于FY3C-GNOS,我国于2017年研制并发射了搭载于FY3D卫星上的新一代GNOS,实现了GPS（Global Positioning System）与北斗（Beidou Nvigation Satellite System,BDS）双系统兼容的闪烁观测以及电离层闪烁观测数量的大幅度提升。本文详细介绍了电离层闪烁的探测原理以及研究现状,并围绕FY3C/FY3D-GNOS载荷,对其硬件设计实现、地面仿真系统设计、电离层闪烁产品反演精度验证、电离层闪烁产品应用等展开了详细讨论,并对FY3C/FY3D-GNOS电离层产品的应用前景作出展望。本文开展的主要工作如下:1.系统介绍了电离层的介质特性及其电子密度不规则结构的表征方法,分析其对卫星通信、卫星导航、雷达等系统的电离层闪烁效应。综述国内外电离层闪烁探测方法,结合FY3C/FY3D-GNOS掩星探测仪,重点分析了天基GNSS掩星探测电离层闪烁时全球覆盖、高精度、全天候和长期稳定的技术特点和优势。2.通过设计控制解算DSP以及基带处理FPGA实现了GNOS载荷的硬件功能,其中,在基带处理FPGA环节,本工作创新性地采用基于匹配滤波器和FFT频率搜索的捕获方法以及变带宽环路设计,解决了由于掩星事件持续时间很短,快速准确捕获GNSS信号并高质量输出数据的困难以及星上高动态效应产生的一系列问题,是本次载荷设计中的技术亮点。3.自主设计了基于Cornell模型的电离层闪烁地面仿真系统,完成了FY3C/FY3D-GNOS载荷功能和性能的测试。该仿真软件可灵活配置闪烁时间、数据更新周期以及模型参数,从而得到闪烁影响下GNSS信号幅度衰落及相位波动序列,通过Spirent公司的双频GPS信号模拟器生成受到电离层闪烁效应影响的GPS L1和L2以及BDS B1和B2双频信号,利用GNOS掩星探测仪进行接收、处理,结果表明,FY3C/FY3D-GNOS电离层闪烁探测精度符合要求。4.为在轨验证FY3C-GNOS电离层闪烁的探测精度,首次采用交叉验证方法将FY3C-GNOS在轨运行期间获得的最大电离层闪烁指数S4max与同类型天基COSMIC掩星项目所观测到的S4max数据进行匹配以及误差分析,在匹配过程中,除常规时空匹配外,还首次将两者掩星射线的方向性纳入匹配条件。分析表明两者数值差异的平均误差和标准差都小于0.01以及0.1。该量级的统计误差特性验证了FY3C-GNOS电离层闪烁产品的可靠性和精度,同时证明了不同电离层GNSS掩星探测项目间具备无偏性、长期一致性和稳定性,为将来开展一系列综合和长期的电离层掩星数据应用分析奠定了基础。5.天基电离层掩星探测技术能够观测到全球电离层的各种变化以及各种现象引起的电离层效应。基于该技术特点,本文首次将FY3C-GNOS在轨期间观测的电离层闪烁指数应用于事件级磁暴以探索该产品在磁暴研究中应用的可行性。结果表明FY3C-GNOS的电离层闪烁数据能够有效反映出磁暴初相、磁暴主相、磁暴恢复相的电离层变化特征,与已有闪烁探测结果相一致,表明了其在研究各类电离层现象中的巨大潜力。

论文目录

摘要

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论文创新点

第1章绪论

1.1 电离层的形成及分层结构

1.2 电离层闪烁

1.3 国内外研究现状

1.4 FY3C/FY3D GNOS掩星探测仪

1.5 本文的研究内容

第2章 GNOS电离层掩星探测仪方案及闪烁探测研究

2.1 电离层掩星探测原理及反演方法

2.2 GNSS无线电掩星探测系统

2.3 GNOS掩星探测仪设计方案

2.3.1 控制解算DSP

2.3.2 基带处理FPGA

2.4 电离层闪烁指数探测方法

2.4.1 相干积累法

2.4.2 窄带功率与宽带功率相差法

2.4.3 基于FFT的电离层闪烁指数提取法

第3章 GNOS掩星探测仪地面测试电离层闪烁指数

3.1 场景设置

3.2 整机测试结果

3.3 S4指数测试结果

第4章 FY3C GNOS掩星探测仪在轨测试及与COSMIC数据的对比验证

4.1 电离层F层最大S4 指数的选取条件

4.2 FY3C以及COSMIC探测的数量及分布

max^F数据量变化'> 4.3 FY3C-GNOS以及COSMIC的S4_max^F数据量变化

4.4 空间天气条件

max^F数据匹配标准'> 4.5 FY3C与COSMIC的S4_max^F数据匹配标准

4.6 数据匹配对实例

4.7 数据对比结果统计

4.7.1 全天数据对比结果

4.7.2 夜间数据对比结果

4.7.3 白天数据对比结果

4.8 小结

第5章磁暴期间FY3C GNOS掩星探测仪观测到的电离层闪烁变化

5.1 2015年3月磁暴特性

5.2 磁暴中FY3C观测到的电离层闪烁情况分析

5.3 与已有的闪烁探测结果比较

5.4 掩星视线方向对S4 的影响

5.5 小结

第6章总结与展望

展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吴迪

导师: 孙越强

关键词: 风云三号星,掩星探测仪,载荷硬件设计,地面仿真系统设计,电离层闪烁探测,反演精度验证

来源: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

分类号: P228.4

DOI: 10.27562/d.cnki.gkyyz.2019.000016

总页数: 117

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