基于空地联测预警太阳射电爆发干扰卫星通信的系统的制作方法

本实用新型属于卫星运行监控领域，具体涉及一种太阳射电爆发干扰卫星信号事件的预警、预报系统。
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。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：本实用新型目的是提供一种基于空地联测预警太阳射电爆发干扰卫星通信的系统，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通信信号带来的影响。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SFU，1S.F.U＝10-22W/m2/Hz；F＝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；图7是从10MHz～20GHz带宽内不同通信方式噪声功率谱密度换算成等效太阳射电流量功率谱密度值(设工作于G＝10dB的天线)；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(8)，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(8)，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8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)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。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9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如下表所示：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10所示；综上两点分析，本实用新型目的是通过如下技术方案来实现的：本实用新型系统包括搭载于在轨卫星平台的高能射线探测器系统、陆基太阳射电望远镜、计算机，搭载于在轨卫星平台的高能射线探测器系统包括高能射线探测器、信号处理器、收发信机Ⅰ，高能射线探测器通过信号处理器与收发信机Ⅰ连接，收发信机Ⅰ通过陆基太阳射电望远镜与计算机连接，陆基射电望远镜采集的太阳射电流量数据通过总线传输至计算机。所述陆基太阳射电望远镜包括射电天线、模拟接收机系统、定标系统、收发信机Ⅱ、3个以上功率-电压转换器、数据采集器；射电天线通过定标系统与模拟接收机系统连接，模拟接收机系统通过功率-电压转换器与数据采集器连接，数据采集器通过总线与计算机连接，计算机与定标系统连接；收发信机Ⅱ作为陆基射电望远镜的一个子系统单独工作，其分别与收发信机Ⅰ、射电天线、计算机连接。所述模拟接收机系统包括第一级放大器、功分器、3个以上的隔离器、3个以上的滤波器Ⅰ、3个以上的第二级放大器、3个以上的滤波器Ⅱ；第一级放大器、功分器、隔离器、滤波器Ⅰ、第二级放大器、滤波器Ⅱ依次连接，滤波器Ⅱ与功率-电压转换器连接。所述定标系统包括微波开关、噪声源，噪声源与微波开关连接，射电天线通过微波开关与第一级放大器连接，计算机与微波开关连接并对其进行控制，选择定标、观测模式。所述滤波器Ⅰ和滤波器Ⅱ均为带通滤波器。所述陆基太阳射电望远镜通过自身集成的收发信机Ⅱ与空中高能射线探测器系统的收发信机Ⅰ进行通联，同时通联频段选择在X波段(8-9GHz)。本实用新型系统通过两部分测量数据对太阳射电爆发干扰卫星通信事件进行预报，包括：X射线和微波频段；其中，X射线主要通过搭载于在轨卫星平台的高能射线探测器系统有效载荷完成的，该载荷主要探测10KeV-100KeV能段的太阳辐射，同时该部分还具有通信收发机(收发信机)，采用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；高能射线探测器负责对太阳X射线流量进行探测，将探测数据发送到信号处理器，信号处理器通过数据强度的分析判断是否发生耀斑爆发，如遇情况通过收发信机Ⅰ将信号传回地面接收站，收发信机Ⅰ采用8-9GHz频段进行天地通联，避开容易受太阳射电爆发的L\S(1-4GHz)等波段。微波频段的太阳爆发辐射主要通过工作于L-S波段的陆基太阳射电望远镜完成，该望远镜具有精密观测、定标等功能；同时该系统集成了一个收发信机Ⅱ，采用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，同时也可以避免对太阳射电接收机部分的干扰；该部分工作于L\S两个波段负责对太阳射电流量进行监测，在发现流量异常时，发出预警信息。两部分采用星地通联的方式进行数据通报，例如：在某个能段发生流量异常时，采用通信收发机通知另一个子系统，可能会到来的太阳射电爆发。在联合预警方法方面，针对X射线爆发和射电爆发并不同步的物理本质，搭载于在轨卫星平台的高能射线探测器系统和陆基太阳射电望远镜均设置阈值信息互通机制，在某一系统观测到流量超过阈值时，即向另一系统发出信息，做好相关准备。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、陆基太阳射电望远镜是最直接的测量方式，但是预警时间较短，且容易受到无线电干扰，通过对L-S波段内多个点频流量的观测，对多个点频的观测数据分别进行总功率监测和定标，精度达到1S.F.U，同时旨在确定是否发生太阳射电爆发，为了避免无线电干扰，必须在多个点频均发生流量异常时才能确定太阳射电爆发；3、同时对于少部分射电流量上升早于X射线流量上升的事件，陆基和空间两个子系统均集成通信收发机，形成数据互通机制；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；本实用新型的有益效果是：采用两个不同能段的观测数据，可以获得更加准确和可靠的预警信息；同时利用其谱指数的不同获得预警时间，延长了预警的时效、提高了预警的效果。附图说明图1为本实用新型装置结构示意图；图2为本实用新型模拟接收机系统结构示意图；图3为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为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为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为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为10MHz～5GHz常温通信接收机带内噪底等效太阳射电流量值；图8为太阳活动峰年和宁静不同流量的爆发发生概率统计；图9为太阳耀斑爆发中X射线和射电流量谱指数之间的变化差异图；图10为利用X射线流量异常进行预警的示意图.图11为定标流程图示意图；图12为宁静太阳、冷空、噪声源和匹配终端的功率关系示意图。具体实施方式下面通过附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型保护范围不局限于所述内容，如无特殊说明的均为常规设备及按常规方法实施和控制。实施例1：如图1-2所示，本基于空地联测预警太阳射电爆发干扰卫星通信的系统包括搭载于在轨卫星平台的高能射线探测器系统、陆基太阳射电望远镜、计算机，搭载于在轨卫星平台的高能射线探测器系统包括高能射线探测器、信号处理器、收发信机Ⅰ，高能射线探测器通过信号处理器与收发信机Ⅰ连接，收发信机Ⅰ通过陆基太阳射电望远镜与计算机连接；该系统中搭载于在轨卫星平台的高能射线探测器系统、陆基太阳射电望远镜采用星地通联的方式进行数据通报，例如：在某个能段发生流量异常时，采用各自的收发信机通知另一个系统，可能会到来的太阳射电爆发。X射线探测部分主要通过搭载于在轨卫星平台的高能射线探测器系统有效载荷完成的，该载荷主要探测10KeV-300KeV能段的太阳辐射，同时该部分还具有数据发送载荷，采用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；通过数据发送载荷向导航地面站和陆基太阳射电望远镜发送预警信息。所述陆基太阳射电望远镜包括射电天线、模拟接收机系统、定标系统、收发信机Ⅱ、3个功率-电压转换器、数据采集器；射电天线通过定标系统与模拟接收机系统连接，模拟接收机系统通过功率-电压转换器与数据采集器连接，数据采集器与计算机连接，计算机与定标系统连接；收发信机Ⅱ分别与收发信机Ⅰ、射电天线、计算机连接；所述模拟接收机系统包括第一级放大器、功分器、3个的隔离器、3个的滤波器Ⅰ、3个的第二级放大器、3个的滤波器Ⅱ；第一级放大器、功分器、隔离器、滤波器Ⅰ、第二级放大器、滤波器Ⅱ依次连接，滤波器Ⅱ与功率-电压转换器连接，功率-电压转换器输出与数据采集器相连，数据采集器通过总线与计算机相连，传递数据；所述定标系统包括微波开关、噪声源，噪声源与微波开关连接，同时计算机与微波开关连接进行控制切换选择定标、观测两种模式；所述滤波器Ⅰ和滤波器Ⅱ均为带通滤波器。射电天线主要采用一个抛物面结构的赤道式主焦式天线，接收L波段(1.0GHz-1.8GHz)频段内太阳射电辐射流量，同时兼顾2.84GHz为中心频率±5MHz带宽内的太阳射电信号接收。主要指标:1、直径：4.5米；2、极化方式：双圆极化；3、工作带宽：1.0GHz-1.8GHz，2.84GHz±5MHz；4、天线增益：1.0GHz-1.8GHz段≥30dBi；2.84GHz±5MHz段≥35dBi；5、跟踪精度：1/10-1/15波束宽度；6、跟踪范围：赤经±120°，赤纬±30°；7、跟踪速度：地球自转速度+快动(30°/分)。模拟接收机系统采用宽带放大+多点频滤波选通无无线电干扰的窄带频段，4-10MHz之间根据无线电环境确定，通过第一级宽带低噪声放大器将信号进行初步放大，再采用窄带滤波器选通需要监测的频段，再通过第二级放大器对信号进行进一步放大，采用窄带滤波器选通需要监测的频段，然后通过功率-电压检波转换将信号功率转换为相应的电压信号，通过多通道数据采集器进行采集，并发送至上位机进行分析、存储。定标系统主要采用冷热负载即：“轮换太阳--冷空--噪声源--匹配负载”的方案定标，定标系统按常规定标方法进行控制，见图11、12；同时陆基太阳射电望远镜具有收发信机Ⅱ，采用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，同时也可以避免对太阳射电接收机部分的干扰；在发现监测能段流量异常时，通过收发信机Ⅱ向搭载于在轨卫星平台的高能射线探测器系统的监测卫星和导航地面站发出预警信息。当前第1页1 2 3