针对太阳射电爆发干扰导航通信事件的快速预警系统的制作方法

文档序号:13984906
针对太阳射电爆发干扰导航通信事件的快速预警系统的制作方法
本发明属于卫星运行监控领域,具体涉及一种基于空间高能观测及星间通信技术针对太阳射电爆发干扰导航通信事件的快速预警技术,适用于太阳射电爆发干扰卫星信号事件的预警、预报工作。
背景技术
:太阳是距离地球最近的恒星,在传递给地球光和热的同时,其活动也在各个方面影响着人类的生产、生活,以及人类依存度越来越高的技术体系。人类目前主要依赖无线电波来进行星地-空通信,频率范围从数MHz直至数十GHz。国际上广泛使用的全球卫星导航定位系统(GPS、GLONASS、北斗等),通过多颗卫星为地面设备提供定位、授时等服务,在军事、科考、海洋油气田钻探等领域发挥着巨大的作用。导航卫星的发射功率一般只有十几瓦到几十瓦左右,所使用的频段,一般在L和S频段。当导航电波到达地面时,接收到的信号功率大约只有-130dBm左右,其强度非常微弱,因此,地面上的接收信号很容易受到周围环境的干扰。排除人为的蓄意干扰外,自然界中导航卫星信号的主要干扰源有两种,一种是当GPS信号穿过电离层时,电离层中的小尺度不规则体引起无线电波的散射,造成导航信号强度和相位快速的无规则起伏和波动,这种现象称之为电离层闪烁;另一种是来自太阳射电的直接干扰。太阳射电暴期间,太阳射电辐射(无线电)会突然大幅度增加,如果爆发的频段覆盖了导航信号的频率,就会对GPS造成不同程度的射电干扰,主要表现为信噪比下降。观测表明,强太阳射电爆发能显著干扰导航电波的接收,严重时能造成接收机失锁、甚至完全中断,使得应用系统失去导航、定位、授时等基本功能。因此,包括美国GPS和我国北斗系统在内的太阳射电噪声干扰问题一直是影响卫星导航系统性能的重要影响因素。太阳射电爆发的辐射强度会达到宁静时(约100S.F.U.,1S.F.U.=10-22w/Hzm2)的数十倍,甚至数千倍。以2012年3月5日的爆发为例,在1.0和2.0GHz频点的辐射强度分别达到501812和18958S.F.U.(见图2)射电暴影响GPS的流量最小阈值一般认为在4000S.F.U.左右,2006年12月太阳日面爆发了一系列事件,其中在12月日和13日有两次较强的L波段太阳射电爆发。图3-4是L1、L2两个GPS通信频点的太阳射电流量、载噪比变化、单站所能收到的GPS卫星数量以及全球地面站失锁和定位误差等情况,发现两频点射电流量的变化与载噪比呈很好的正相关性。利用已有观测频点数据统计不同频率点太阳活动的流量异常与GPS信号失锁时间的关系,不难发现在1415MHz频率上的太阳射电流量异常与GPS导航信号失锁关联性最大,这与GPS工作频段有密切关系,结果如图5所示。图6明显看出,此次射电暴期间,我国的昆明、台湾、武汉、北京等GPS台站发生明显失锁现象,而且多个台站、多颗GPS卫星信号完全中断长达6分钟,射电暴期间,多个台站锁定的卫星数目小于4颗,使得GPS实时定位服务完全失效;我们对日本野边山射电望远镜(NobeyamaRadioPolarimeters)在23周峰年(2000-2005)极大期6年间观测到的太阳射电爆发进行过粗略统计。在观测到456个爆发中,流量高于1000S.F.U.的有75个,在低频段(1.0、2.0和3.75GHz)流量高于1000S.F.U.的共计37个。考虑到NORP每天观测9小时,如按24小时计算,在峰年极大期间,年均发生可能影响GPS的爆发的数量大约是16个。这不论从强度和频度来看,都是相当可观的,可见太阳射电爆发是卫星导航通信必然的影响因素之一。技术实现要素:本发明提供了一种基于空间高能观测及星间通信技术针对太阳射电爆发干扰导航通信事件的快速预警系统,主要适用于从多个能段对太阳爆发事件进行观测,通过不同能段流量的异常预警在微波频段太阳爆发对卫星导航、通信信号带来的影响。本发明针对太阳射电爆发干扰导航通信事件的快速预警系统包括集成于监测卫星上的发射装置、集成于导航通信卫星上的接收装置、信号增益调节装置,信号增益调节装置集成于导航通信卫星上,其中集成于监测卫星上的发射装置由一个以上的带有放大电路的X射线探测器、信号处理系统、信号发射器、发射天线依次连接组成,集成于导航通信卫星上的接收装置由接收天线、信号接收器连接组成;发射天线与接收天线连接,信号接收器与信号增益调节装置连接。所述信号处理系统包括ADC模数转换器、核心处理器,核心处理器包括数据采集模块、判断模块,ADC模数转换器通过数据采集模块与判断模块连接,带有放大电路的X射线探测器与ADC模数转换器连接,判断模块与信号发射器连接;数据采集模块控制ADC模数转换器采集探测到的一个以上能段X射线的流量;判断模块用于判断一个以上能段X射线的开始抬升时刻,在该时刻驱动信号发射器通过发射天线向集成于导航通信卫星上的接收装置发送预警信息。所述一个以上带有放大电路的X射线探测器的能段范围为10KeV-1MeV。所述判断模块中内置阈值,将ADC模数转换器采集到的流量强度与该阈值进行比较,判断X射线是否进入了抬升阶段,判断方案为设置一个长度为L的先进先出队列,连续L个采样值均为增加时,即判断为进入了抬升阶段。本发明技术理论分析:1、太阳射电爆发信号对各个波段无线通信信号的影响情况分析太阳射电爆发引入的噪声在通信系统中可以看作是一个外界叠加进入接收机系统的噪声,如果该噪声小于原有系统的噪声,则该干扰处于系统噪声以下,被“淹没”在了原系统噪声里,对信噪比影响很小。但如果大于或者等于原有系统噪声,则原系统噪声将会有所上升,在这里推算一个常温条件(290K)工作的通信系统的系统噪声温度相当于多少太阳流量值,以确定当太阳射电爆发流量密度超过该值时会潜在影响通信系统。假设一个通信系统的工作带宽是BHz,其工作温度为T(单位:开尔文)则外界给接收机带来噪声功率为:P=kTB(1)其中k为波尔兹曼常数:k=1.3806505×10-23;各种随机噪声F(单位:W/m2)进入天线引入的噪声功率为:其中G是天线增益,单位dB;λ为观测波长,单位:m;设为接收机等效的太阳活动流量,单位SFU1S.F.U=10-22W/m2/HzF=B*Feq(3)联立解得:则Feq=8π*kT/(Gλ2)(与带宽无关!)(6)Fsfu=8π*kT/(Gλ2)*1022(7)或Fsfu=8π*kT*f2/(G*c2)*1022(8)从式(7)和式(8)中得到接收系统外部噪声流量密度折算为等效太阳射电流量密度为与天线增益G成反比,与工作波长λ的平方成反比,或者与工作频率f的平方成正比。这就意味着:1、在天线增益G越高,其系统噪声流量密度折算为等效太阳射电流量密度水平就越低,越小的太阳射电爆发,越容易引起外部噪声的上升,例如普通的手持式设备(小天线)受到的影响要小于大型地面站设备(大天线);2、同样增益G的天线如果工作针对不同的频率,更低频率的通信系统,外部噪声流量密度折算为的太阳射电等效流量密度更低,为此在太阳射电爆发时候,更低的射电流量更容易引起外界噪声的增加,所以低频段的通信更容易受到影响;3、对同一天线,由于其天线辐射方向图的不同,可能天线指向与太阳夹角之间变化时,受到的影响也不同;综上,我们统计了几种典型的通信方式(10GHz以下)及其天线形式的接收机噪声等效太阳流量:1、短波通信(Short-waveCommunication):频率范围3MHz-30MHz,要经电离层的反射才能到达接收设备,该通信频段的太阳射电信号一般都被电离层阻挡,不能达到地球表面,为此几乎不会受到太阳射电爆发信号的影响很小;2、微波通信(MicrowaveCommunication):使用频率为300MHz-3THz的电磁波进行的通信;包括地面微波接力通信、对流层散射通信、卫星通信、空间通信及工作于微波波段的移动通信;其中,我们日常使用最多的通信手机一般工作于GSM频段(900-950MHz和1800MHz),CDMA频段(820-900MHz),一般手机天线采用微带天线模式,天线增益G为3-8dB左右,以G最大波束对准太阳通过公式3-11,外界噪声折算为等效太阳流量在1100SFU-1300SFU(<1GHz)和3400SFU(1.8GHz)左右,同时手机通信基站一般采用喇叭天线,增益G在12-18dBi之间,以G最大波束对准太阳通过公式3.11,外界噪声折算为等效太阳流量最小在600SFU左右,但是我们一般在使用手机时候,手机和基站天线最大波束一般不对准太阳,太阳射电爆发信号通过天线进入接收机的功率其实是很小的,为此手机通信信号受到太阳射电爆发这种影响可能性很小;另外我们日常生活中使用较多的wifi,蓝牙(Bluetooth)工作于2.4-2.485GHz,其主要针对的是固定设备、移动设备和楼宇局域网之间的短距离数据交换,一般受到太阳射电辐射的可能性很小,且传输距离短,发射功率较之于太阳射电流量强,也一般不会受到太阳射电爆发的影响;对于深空通信,其目标为空间中的卫星、宇航飞船、空间站等设备,其通信方式决定其太阳射电信号可能会通过其天线进入其系统,其使用频率主要划分如下:表1用于深空研究的无线电划分表通过公式(8)的分析,接收系统外部噪声折算为等效太阳流量为与天线增益G成反比,与工作波长λ的平方成反比,或者与工作频率f的平方成正比。对于5GHz-10GHz通信信号,接收机噪声折算到等效太阳流量都超过19000SFU以上,10GHz以上通信频率的信号,接收机噪声折算到等效太阳流量都超过50000SFU以上,根据Nobeyama太阳射电天文台的统计:近10年来在5GHz以上几个监测频段(9.4GHz,17GHz,35GHz)中太阳射电爆发流量超过25000SFU的事件是没有的,说明太阳射电爆发在该5GHz以上超过阈值事件的概率很小,太阳射电爆发事件对5GHz以上深空通信影响也不大。但是对于S波段(2-3GHz)通信信号,具有一定的影响。对于主要工作于L-S频段导航通信系统,也是地空之间的通信,主要的一些导航系统的工作频率如下表:表2各导航系统不同频段的工作频率经统计,在太阳活动峰年超过1SFU的太阳射电爆发大概在年均49.31次左右,而在太阳宁静年超过1SFU的太阳射电爆发大概在年均7.03次左右如图7所示;第24太阳周(2010年开始)以来,多次太阳射电强爆发分别在1GHz2GHz3.75GHz9.4GHz17GHz各点频的流量情况(数据来源日本野边山太阳射电天文台:http://solar.nro.nao.ac.jp/norp/html/event/)表3第24太阳周(2010年开始)以来的强射电爆统计表综上,我们发现X波段在太阳射电爆发期间几乎不会受到任何影响,而L-S波段内的导航通信信号是最容易受到太阳射电爆发事件影响的。为此我们选定X波段(8-9GHz)作为太空监测卫星的信号发射载荷工作波段。从信号质量方面计算如下:GNSS接收机系统的信号捕获、载波跟踪和数据解调的性能均取决于接收机中每一个相关性的输出的SNIR。假设总的干扰可以建模为统计平稳过程,且干扰或有用信号的频谱可以近似为某一带宽上的一条直线是,相关器的输出SNIR如下:其中:τ是本地产生的复制码相对于所接收到信号的真是的TOA时延;θ是复制载波信号相对于所接收到信号相位的载波相位;T是相关器的积分时间;Cs是接收到的有用信号功率(单位:W);N0是白噪声的功率谱密度(单位:W/Hz);R{·}表示括号内函数的实部;Ss(f)是归一化为无穷带宽上的单位频段内信号的功率谱密度;Hτ(f)是卫星信号发射机的传输函数;HR(f)是接收机滤波器的传输函数;Cι是接收机收到的干扰信号功率(单位:W);Sι(f)是归一化为无穷带宽上的单位频段内的干扰信号功率谱密度;对应于太阳射电爆发,该数值对应于精密流量望远镜测得的太阳爆发流量密度乘以此时的天线有效面积;在卫星通信中,一般采用载波功率与噪声功率密度之比(载噪比)来表征所接收的GNSS信号质量,如果在无干扰的情况下,噪声为高斯白噪声;在无干扰时,上式可以写作:在没有受到干扰的情况下,最好的载噪比输出为:式中:是使输出SNIR最大的值;当存在干扰和白噪声时的等效信噪比为:令:Q为系统的抗干扰品质因素,和接收机内部滤波器性能及码元速率有关:其中,Rc为码元发生器的扩频码速率,以每秒码片数来确定,则上式化简为:Cs/N0是接收机内所接收信号在无干扰情况下的信噪比;Cι/Cs是接收机内干扰与接收信号功率之比;将上式转化为dB-Hz为单位:其中:(CsN0)dB=10lg(Cs/N0)(dB-Hz)(ClCs)dB=10lg(ClCs)(dB)对于太阳射电爆发引入的干扰信号功率为PSRB,其频谱特征为宽带不平坦频谱,基本上可以覆盖导航通信频段,引入功率为整个导航通信频段内的太阳射电流量的积分:其中,fluxsolar为太阳爆发时候的功率谱密度,该数值是大于式(7)计算得到的等效流量的值,Ae为天线有效面积,B是整个太阳爆发信号的带宽和信道带宽两者之间取小者,则(15)式可以写成:可以看出在接收机一定的情况下,即系统的抗干扰品质因素Q和码元速率Rc一定的情况下,载噪比的下降,取决于太阳爆发功率带内总功率与接收到有用信号功率之比;当太阳流量功率谱密度fluxsolar上升(即射电爆发)时,信噪比的即受到影响,发生下降。如果此时能调整、增加卫星通信信号的发射功率Cs,则可以抵消这种由于太阳射电爆发带来的影响。在太阳射电流量归于宁静后,则将信号增益模块的设置归于宁静模式,减少功耗。2、在X射线观测方面可预警的理论分析X射线是太阳观测的重要波段,在太阳耀斑爆发时大部分会有,我们统计了第24太阳活动周内,耀斑爆发时X射线流量上升和射电流量上升之间的关系如下:根据太阳爆发过程中X射线能谱指数(spectralindex)δx和射电能谱δr之间的差异,两者虽然均符合幂律谱特征,但是射电频谱在爆发过程中变得更趋于平缓,为此在多频段(射电和高能)爆发流量过程中,X射线上升较之于射电流量快,更早达到峰值,如图8所示;同时根据AdrianaV.R.Silva等人通过对多次太阳耀斑爆发时刻的观测,总结X射线能谱δx和射电能谱δr在impulsive和Non-impulsive两种爆发之间的差异,δx均大于δr如表4所示:表4太阳耀斑爆发中HXRX-Ray和微波频段不同谱指数之间的关系表Spectralindex全部impulsiveNon-impulsiveδx5.8±0.85.9±0.95.7±0.6δr4.8±1.05.1±0.93.7±0.6δx-δr1.0±1.00.8±1.02.0±0.7另外从观测角度也证实了微波爆发峰值-X射线爆发峰值之间的时间差。根据T.Kawate,N.Nishizuka对第23太阳活动周多次典型太阳耀斑爆发X射线流量峰值到17GHz射电流量峰值之间的时间差,发现和上述谱指数研究符合,即射电流量峰值与X射线峰值之间存在时间滞后;同时我们将L\S波段两个监测频点峰值时间与X射线开始时间做了比较,也发现时间滞后在3-30分钟之间,如下表所示:表5第23太阳活动周多次典型活动中X射线活动时间与射电相关流量时间的关系那么从耀斑爆发开始到射电流量超过干扰通信的阈值就也存在时间差,我们统计了第24太阳活动周多次太阳活动时X射线开始上升即耀斑开始爆发时刻到射电爆发极强时刻之间的时间差有如下分布:表6.第24太阳活动周多次太阳活动时X射线开始上升到射电爆发极强时刻之间的时间差通过上述分析和统计,在剧烈太阳射电爆发达到极强值之前均有X射电的流量异常,通过该流量异常点,可以作为太阳射电爆发干扰卫星通信信号的预警点,如图9所示;综上两点分析,本发明系统通过两部分工作对太阳射电爆发干扰卫星通信事件进行预报,包括:太阳X射线观测及星间通信快速预报两部分,同时通过星间通信信息,对导航、通信信号的发射功率进行调整。其中,太阳X射线探测主要通过在轨卫星携带的高能射线探测器有效载荷完成的,该载荷主要探测10KeV-1MeV能段的太阳辐射;星间通信快速信号由信号发射器和导航通信卫星上集成的信号接收器来完成,该发射-接收机采用太阳射电爆发影响较小的X(8-9GHz)波段作为通信信号收发频段,避免太阳射电爆发带来的影响;其关键在于:1、根据已有的研究文献,太阳耀斑活动时,X射线流量上升到射电爆发达到最大值之间存在时间差,从2分钟到1小时不等,为此可以将X射线流量的上升点作为太阳射电爆的一个预警点;2、同时对X-射线流量的采集数据采取先进先出队列(FIFO)存储方式,建立长度为L的FIFO队列,在判断到连续N个采集样本均有上升趋势时,即驱动发送预警预警信息;3、将预警信号采用星间通信的方式进行快速传递,同时在导航、通信卫星接收到这样的预警信号后通过信号增益调节装置调整增大导航、通信信号的发射功率,达到减少太阳射电爆发对通信链路的信噪比影响导致的下降;4、根据式(8)的推导,通信频率越高太阳射电爆发产生的干扰信号越小,为此采用8-9GHz频段作为通信信号。本发明的有益效果是:采用太阳高能观测+星间快速预警的方式,可以获得更加准确和快速的将预警信息广播发送给可能受影响的导航、通信等卫星,通过该信息驱动信号增益调节装置提高增益,增加导航、通信信号的发射功率,达到减少太阳射电爆发对通信链路的信噪比影响导致的下降,有效的改善信号载噪比受影响情况。附图说明图1本发明系统的结构示意图;图2是2012年3月5日L波段太阳强射电爆发图;其中图A、B为太阳射电爆发时产生的左右两个旋向信号;图3是2006年12月6日ZHU-WAASGPS地面站L1频点载噪比下降及可见星数随太阳活动变化情况,左图为载噪比下降,右图为可见星数随太阳活动变化;图4是2006年12月6日太阳射电活动全球GPS测地站失锁情况和定位误差,A图为失锁情况,B图为定位误差;图5是不同频率太阳射电活动与导航卫星信号失锁之间的关联性;图6是2006年12月13日射电暴期间,我国境内和澳大利亚部分GPS台站锁定卫星数随时间的变化,A图为中国,B图为澳大利亚;图7是太阳活动峰年和宁静不同流量的爆发发生概率统计;图8是太阳耀斑爆发中X射线和射电流量谱指数之间的变化差异图;图9是利用X射线流量异常进行预警的示意图。具体实施方式实施例1:如图1所示,本基于空间高能观测及星间通信技术针对太阳射电爆发干扰导航通信事件的快速预警系统,其包括集成于监测卫星上的发射装置、集成于导航通信卫星上的接收装置、集成于导航通信卫星上信号增益调节装置,其中集成于监测卫星上的发射装置由多个带有放大电路的X射线探测器、信号处理系统、信号发射器、发射天线依次连接组成,集成于导航通信卫星上的接收装置由接收天线、信号接收器连接组成;发射天线与接收天线连接,信号接收器与信号增益调节装置连接。首先,监测卫星承担对太阳X射线探测和预警信息发布的功能,其中多个带有放大电路的X射线探测器,探测10Kev-1Mev的太阳X射线流量数据;信号处理系统包括ADC模数转换器、核心处理器,核心处理器包括数据采集模块、判断模块,ADC模数转换器通过数据采集模块与判断模块连接,带有放大电路的X射线探测器与ADC模数转换器连接,判断模块与信号发射器连接;数据采集模块控制ADC模数转换器采集探测到的多个能段X射线的流量;判断模块用于判断多个能段X射线的开始抬升时刻,在该时刻驱动信号发射器通过发射天线向集成于导航通信卫星上的接收装置发送预警信息。信号处理系统负责采集X射线探测器的数据,对探测数据进行模数转换,然后传递到核心处理器中进行处理,在核心处理器中集成了长度为L的先进先出队列,对L个数据中的任意连续N个数值(程序可设)进行判断,从前往后如果具有连续的增量,则可确定此时X射线流量发生异常,X射线爆发已经开始;然后在上述对X射线爆发的判断确定后,判断模块驱动信号发射器通过发射天线发射预警信号,告知相关导航、通信卫星即将发生的太阳射电爆发;其次,导航通信卫星上集成了接收天线、信号接收器以及信号增益调节装置,其中接收天线和信号接收器用于接收X射线监测卫星发来的预警信息,在收到预警信息后即刻驱动信号增益调节装置提高发射信号功率,以降低太阳射电爆发产生噪声对信噪比的影响。当前第1页1 2 3 
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