三頻信標接收機處理軟件研制及應用

畢會春

（桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004）

三頻信標接收機處理軟件研制及應用

畢會春

（桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004）

三頻信標接收機是研究電離層的重要設備，數(shù)據(jù)處理軟件單元是三頻信標接收機必不可少的部分。文章根據(jù)三頻信標接收機處理軟件單元的需求進行分析，給出理論依據(jù)，列出處理軟件計算TEC的流程設計和軟件模塊；再對編制的軟件進行詳細測試，給出測試結果，對比指標要求說明軟件功能實現(xiàn)的正確性。最后指出三頻信標接收機的優(yōu)缺點和更多應用。

電離層；三頻信標；軟件；TEC

在無線電通訊日益發(fā)展的今天，電離層是影響通訊傳輸和效率的關鍵問題之一。了解電離層的結構變化和物理機制是無線通信和大氣科學中不可忽視的一個重要課題[1-2]。建立電離層信息系統(tǒng)是當前電離層研究的一個方向。無論是在GPS應用的Klobuchar改進型，還是歐洲Gatileo定位應用的NeQuick模型，雖然都是全球模型，但卻缺少中國的實際觀測數(shù)據(jù)，因此在中國建立電離層觀測站顯得尤為重要[3-5]。經(jīng)歷史記錄觀測表明，地震的發(fā)生與電離層的擾動存在關聯(lián)[6-9]。三頻信標接收機是研究電離層擾動的重要設備。為對中國部分的電離層有更好的研究了解，地震局在溫州大學成立了三頻信標觀測站，并立項進行三頻信標的研制[10-11]。

三頻信標接收機由硬件部分和軟件部分組成，軟件部分運行在系統(tǒng)計算機上，負責下載衛(wèi)星軌道根數(shù)和編制計算觀測計劃、控制數(shù)字采集接收衛(wèi)星信號并進行存儲，對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行多普勒信號提取和重建電離層TEC等參數(shù)。因此，軟件部分是三頻信標接收機正常工作必不可少的部分。

1 核心算法：差分多普勒測TEC

差分多普勒(Doppler)技術是一種測量電離層總電子含量的方法，它由測量電離層電波射線的線積分計算。差分多普勒微分技術是基于衛(wèi)星與地面臺站之間的電波相位路徑的改變，或是由于電離層的影響，地面臺站接收到的衛(wèi)星信號頻率發(fā)生偏移。

由衛(wèi)星接收機接收的信號，在大尺度電離層結構下，其仰角大于 5度是，傳播路徑可視為直線。電離層的等離子體頻率可表示為：

其中eN為電子密度，e為電荷，m為電子質量（Kg），0ε為介電系數(shù)（F/m），將e=-1.602×10-19庫侖，m=9.109×10-31Kg，0ε=8.854×10-12代入可得

當電磁波在電離層中傳播是，其折射系數(shù)n可表示成

當電磁波頻率f>>等離子體頻率fp時，可將折射系數(shù)n以二項式展開趨近如下式：

電磁波接收站接收的電磁波相位（rφ）和電磁波發(fā)射站發(fā)射的電磁波相位（sφ）之間的的關系式為

其中ω為角頻率，L為接收站至發(fā)射站的光學距離。電磁波相位對時間的變化為

所以多普勒頻移Δf為：

前一項為衛(wèi)星運動所引起的頻移，后一項為電離層所引起的頻移。為得到電離層對電磁波傳播所引起的影響項，衛(wèi)星發(fā)射兩個同相不同頻的電磁波，，為參考頻率，這樣可以消去第一項所引起的頻移。則在時間t的差分多普勒頻移可表示為：

兩邊積分得

其中)(tΦ為可測量的差分多普勒頻移相對量，0Φ為未知的相位積分常數(shù)或初始相位值。電離層的全電子含量TEC定義為電子密度沿傳播路徑的積分，所以全電子含量TEC可表示為

2 需求分析和軟件設計

軟件需求分析：

（1）實現(xiàn)衛(wèi)星軌道自動預報。能夠自動下載衛(wèi)星軌道根數(shù)，自動計算預報衛(wèi)星軌道，實現(xiàn)能24小時無人值守系統(tǒng)正常運行。

（2）差分多普勒提取，電離層電子密度自動解算，重建電離層TEC參數(shù)。

（3）衛(wèi)星三頻通道頻譜顯示，數(shù)據(jù)處理結果成圖顯示。

（4）處理結果自動發(fā)送到指定ftp服務器，進行數(shù)據(jù)自動備份保存。

（5）相對TEC分辨能力0.1TEC。

根據(jù)需求分析，三頻信標接收機軟件單元部分可分為五部分：①運行控制程序（mdbrManage）；②軌道預報程序（mdbrPassPlan）；③數(shù)據(jù)采集程序（mdbrUhdObs）；④數(shù)據(jù)分析軟件（mdbrTecAnalysis）；⑤以及軌道根數(shù)自動下載程序（mdbrGetNorad）。軟件各單元程序模塊框圖關系如圖1。

運行控制程序（mdbrManage）為三頻接收系統(tǒng)的數(shù)字控制程序，開機后會自動啟動,然后調(diào)用其他程序來完成衛(wèi)星信號的接收和后續(xù)的資料收集和處理過程。系統(tǒng)計算機開機后，運行運行控制軟件（mdbrManage），該軟件會調(diào)用軌道預報程序（mdbrPassPlan）以及數(shù)據(jù)采集程序（mdbrUhdObs），自動編制觀測計劃并進行數(shù)據(jù)采集。運行控制程序使用Python語言編寫，運行在Linux操作系統(tǒng)下，其程序調(diào)用流程如圖2。

軌道根數(shù)自動下載程序（mdbrGetNorad）用于從網(wǎng)絡自動下載衛(wèi)星軌道根數(shù)。

衛(wèi)星軌道預報程序（mdbrPassPlan）是根據(jù)地面接收站信息（地理經(jīng)度、緯度、高度）、衛(wèi)星軌道根數(shù)和時間，計算觀測周期期間途經(jīng)接收站的衛(wèi)星數(shù)量、名稱、時間、方位和頻率等信息，供運行控制軟件使用。衛(wèi)星軌道預報使用python語言編寫，運行在Linux操作系統(tǒng)下。

數(shù)據(jù)分析軟件（mdbrTecAnalysis）軟件則進行資料處理與分析, 并保存所得結果。數(shù)據(jù)分析軟件將讀取接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，使用差分多普勒技術，提取多普勒頻移信息，同時給出頻點強度。同時使用地面接收站和衛(wèi)星軌道信息，重建電離層總電子數(shù)量和S4參數(shù)。電離層信息重建軟件使用python語言編寫，運行在Linux操作系統(tǒng)下。

數(shù)據(jù)采集程序讀取把數(shù)字采集單元采集的數(shù)據(jù)進行備份存儲和管理；同時把數(shù)據(jù)分析軟件給出的處理結果進行備份存儲和管理。最后根據(jù)要求，把電離層層析結果上傳到規(guī)定存儲地方。數(shù)據(jù)采集程序使用python語言編寫，運行在Linux操作系統(tǒng)下。

軟件單元程序模塊框圖如圖1所示：

圖1　軟件各單元程序模塊框圖關系

圖2　運行控制程序調(diào)用流程圖

圖3　程序執(zhí)行過程中文檔調(diào)用關系圖

軌道預報程序由python語言編寫，它接收接收機所處位置的經(jīng)度、緯度、時間、高度和衛(wèi)星頻率偏置情況（在satellite_param.dat中），計算預報接下來的衛(wèi)星數(shù)量、名稱、日期、衛(wèi)星俯仰角以及出現(xiàn)的時間等信息，生成軌道根數(shù)和飛行預報文件，若接收機鎖定衛(wèi)星，則運行下面數(shù)據(jù)采集程序，直到衛(wèi)星飛離接收機接收信號范圍，數(shù)據(jù)進入存儲硬件中，若運行數(shù)據(jù)分析文件，則可生成直觀的運行結果圖。

程序執(zhí)行過程中文檔調(diào)用關系如圖3，其中Norad.dat為軌道根數(shù)文件，由軌道根數(shù)文件自動下載程序生成，包含測站需要觀測衛(wèi)星的二行根數(shù)參數(shù)。

Pass.pln為觀測計劃文件，由軌道預報程序（mdbrPassPlan）生成，包含衛(wèi)星升起落下時間。

YYYY-MM-DDHHMM-flight.dat為衛(wèi)星飛行預報文件，由軌道預報程序（mdbrPassPlan）生成，包含衛(wèi)星飛行時刻、方位、俯仰、距離、速度以及星下點位置等信息。每個衛(wèi)星的跟蹤弧段都會有一個文件，如2014-11-24T20h04m_ COSMOS2407_flight.dat，表示COSMOS 2407在2014年11月24日20時04分開始的一個跟蹤弧段

YYYY-MM-DDHHMM-flight-vhf.dat和 YYYY-MMDDHHMM-flight-uhf.dat為信號記錄文件由數(shù)據(jù)采集程序生成，包含衛(wèi)星信號記錄數(shù)據(jù)，為二進制格式。每個衛(wèi)星的每一跟蹤弧段，都會記錄有數(shù)據(jù)文件。如2014-11-24T20h04m_ COSMOS2407_vhf.dat，表示COSMOS 2407在2014年11月24日20時04分跟蹤弧段，記錄的150MHz信號。

Scan-oooo.tec為相對電離層文件由數(shù)據(jù)分析軟件生成，包含觀測衛(wèi)星跟蹤弧段的觀測結果。文件格式為：

time(s) 400MHz(pow freq) 150MHz(pow freq) TEC(TECu) STD_TEC (Total 7967 lines

0,1.30481,10091.2,60.9789,3784.13,0.0186212, 0.00876039

3 測試結果與分析

下面分別給出衛(wèi)星COSMOS 2407，COSMOS 2414在佘山站的觀測數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)處理軟件單元運行得出的結果（圖4和圖5）。每個圖中有6個圖，分別是衛(wèi)星的飛行距離，方位/俯仰軌跡，信號頻譜圖，相對電離層圖，以及相對電離層殘差圖。

圖4　軟件處理COSMOS 2407數(shù)據(jù)結果圖

圖5　軟件處理COSMOS 2414數(shù)據(jù)結果圖

從圖中可以清楚的看到衛(wèi)星經(jīng)過時，收到衛(wèi)星各種參數(shù)的變化和，第一個圖可看出衛(wèi)星經(jīng)過接收機時，衛(wèi)星距離結收機的距離為從大到小變化，在衛(wèi)星講過接收機正上方時，距離最小。第二個圖顯示衛(wèi)星在天上運動時，衛(wèi)星相對于接收機的方位/俯仰軌跡，因衛(wèi)星是周期性飛行，所以顯示其方位/俯仰軌跡為類橢圓形。第三個圖顯示接收到的 150M信號頻率變化，因信號經(jīng)傳播出現(xiàn)耗損，天空中也存在許多干擾信號，所以150MHz衛(wèi)星信號顯示不明顯，幾乎被干擾信號所淹沒，圖四則能清晰顯示出400MHz的頻率變化，從主可以看出由衛(wèi)星的運動所引起的多普勒頻移現(xiàn)象，圖五為由衛(wèi)星信號反演得到的電離層電子含量（TEC），圖六為解算出的相對電離層殘差，總體上小于0.01TEC，滿足相對TEC的分辨能力為0，1TEC的要求。

4 結束語

三頻信標軟件處理單元是三頻信標接收機必不可少的部分，能直觀的顯示出三維電離層圖像，經(jīng)處理得出的數(shù)據(jù)文件還可以進一步處理，得出實時的電離層含量濃度的動態(tài)分布圖，在通信和地震預測等領域有廣泛的應用。但由于其本身的技術特點，無法得到全球的電子密度分布情況。

[1] 王椿年,尹元昭譯.電離層波理論[M].北京:科學出版社, 1983.

[2] 徐彤.中低緯電離層模型及其異常現(xiàn)象相關研究[D].西安:西安電子科技大學,2009:1-8.

[3] Klobuchar J A.Ionospheric Time Delay Algorithm for signal frequency GPS users[J].IEEE transactions on aerospace and electronic systems,1987,23(3):325-331.

[4] Interface Control Working Group(ICWG).IS-GPS-200E: Navstar GPS space segment/navigation user interfaces[S]. USA:joint program office,2010.

[5] 張強,趙齊樂.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)Klobuchar模型精度評估[J].武漢大學學報(信息科學版),2014,39(2):142-146.

[6] Cussac T,Clair M A,Guerard P U,et al.The Demeter microsatellite and ground segment[J].Planet Space Sci, 2006,(54):413-427.

[7] 趙國澤,陳小斌,蔡駿,等.電磁衛(wèi)星和地震預測[J].地球物理學進展,2007,22(3):667-673.

[8] 朱榮.從衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)提取地震電離層前兆信息的初探[D].北京:中國地震局地球物理研究所,2007.

[9] 尼魯帕爾·買買吐孫,張永仙.地震電磁衛(wèi)星電離層擾動研究進展綜述[J].地震,2012,32(1):103-116.

[10] 趙海生,許正文.三頻衛(wèi)星信標測量 TEC方法探討及數(shù)值模擬[J].裝備環(huán)境工程,2010,7(4):9-13.

[11] 黃飛,郭鵬,王偉華,等.ITS33s三頻信標技術與電離層探測初步研究[J].中國科學院上海天文臺年刊,2013,(34): 102-113.

The development and application on tri-band beacon receiver data processing software

Tri-bang beacon receiver is the import equipment to study ionosphere,and the data processing software unit is a crucial part of the tri-band beacon receiver.This article first to analyze the requirements of tri-band beacon receiver software unit, giving the theoretical basis,providing the data processing software process design and software modules for calculating TEC.Then testing the software in detail and giving the test results,illustrate the correctness of software by contrast index requirements.Finally,it points out the advantages and disadvantages of tri-band beacon receiver and more applications.

Ionosphere;tri-band beacon;software;TEC

TN92

A

1008-1151(2015)07-0013-04

2015-06-13

畢會春（1987－），男，河北石家莊人，桂林電子科技大學碩士研究生，研究方向為電離層擾動研究。