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，數據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，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的正確性。最后指出三頻信標接收機的優缺點和更多應用。

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據，因此在中國建立電離層觀測站顯得尤為重要[3-5]。經歷史記錄觀測表明，地震的發生與電離層的擾動存在關聯[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計算機上，負責下載衛星軌道根數和編制計算觀測計劃、控制數字采集接收衛星信號并進行存儲，對衛星數據進行多普勒信號提取和重建電離層TEC等參數。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星信號頻率發生偏移。

由衛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（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）和電磁波發射站發射的電磁波相位（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，衛星發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）實現衛星軌道自動預報。能夠自動下載衛星軌道根數，自動計算預報衛星軌道，實現能24小時無人值守系統正常運行。

（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。

（3）衛星三頻通道頻譜顯示，數據處理結果成圖顯示。

（4）處理結果自動發送到指定ftp服務器，進行數據自動備份保存。

（5）相對TEC分辨能力0.1TEC。

根據需求分析，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數據采集程序（mdbrUhdObs）；④數據分析軟件（mdbrTecAnalysis）；⑤以及軌道根數自動下載程序（mdbrGetNorad）。軟件各單元程序模塊框圖關系如圖1。

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

軌道根數自動下載程序（mdbrGetNorad）用于從網絡自動下載衛星軌道根數。

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

數據分析軟件（mdbrTecAnalysis）軟件則進行資料處理與分析, 并保存所得結果。數據分析軟件將讀取接收到的衛星數據，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星軌道信息，重建電離層總電子數量和S4參數。電離層信息重建軟件使用python語言編寫，運行在Linux操作系統下。

數據采集程序讀取把數字采集單元采集的數據進行備份存儲和管理；同時把數據分析軟件給出的處理結果進行備份存儲和管理。最后根據要求，把電離層層析結果上傳到規定存儲地方。數據采集程序使用python語言編寫，運行在Linux操作系統下。

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　運行控制程序調用流程圖

圖3　程序執行過程中文檔調用關系圖

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

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

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

YYYY-MM-DDHHMM-flight.dat為衛星飛行預報文件，由軌道預報程序（mdbrPassPlan）生成，包含衛星飛行時刻、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據采集程序生成，包含衛星信號記錄數據，為二進制格式。每個衛星的每一跟蹤弧段，都會記錄有數據文件。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據分析軟件生成，包含觀測衛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

下面分別給出衛星COSMOS 2407，COSMOS 2414在佘山站的觀測數據用數據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數據結果圖

圖5　軟件處理COSMOS 2414數據結果圖

從圖中可以清楚的看到衛星經過時，收到衛星各種參數的變化和，第一個圖可看出衛星經過接收機時，衛星距離結收機的距離為從大到小變化，在衛星講過接收機正上方時，距離最小。第二個圖顯示衛星在天上運動時，衛星相對于接收機的方位/俯仰軌跡，因衛星是周期性飛行，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，因信號經傳播出現耗損，天空中也存在許多干擾信號，所以150MHz衛星信號顯示不明顯，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，從主可以看出由衛星的運動所引起的多普勒頻移現象，圖五為由衛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，經處理得出的數據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。

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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。