專利名稱：一種電離層閃爍監(jiān)測方法及電離層閃爍監(jiān)測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及基于靜止氣象衛(wèi)星信號的一種電離層 閃爍監(jiān)測方法及電離層閃爍監(jiān)測儀。
背景技術(shù)：
電離層是日地空間環(huán)境和地球空間的重要組成部分，電離層電子密度的不均勻 性，可以引起介電常數(shù)和折射指數(shù)的隨機起伏。當(dāng)電磁波在這樣的介質(zhì)中傳播時，會引起傳 播路徑和傳播時間的改變，使得信號的振幅、相位以及在接收天線處射線到達角發(fā)生快速 起伏變化，導(dǎo)致信號衰落，這種現(xiàn)象被稱為電離層閃爍。對電離層閃爍的研究可以完善人們對地球空間以及日地空間環(huán)境的認(rèn)識，幫助人 們加強對空間環(huán)境的了解，更好地發(fā)展有預(yù)報意義的、綜觀的空間天氣模式，把物理的、經(jīng) 驗的、統(tǒng)計的知識結(jié)合在一起，最終形成一個能說明整個空間天氣發(fā)生、發(fā)展、對地效應(yīng)的 因果鏈模型。對發(fā)生在空間環(huán)境中的災(zāi)害性天氣事件進行更全面更科學(xué)的監(jiān)測、診斷、預(yù)測 和預(yù)報，預(yù)告人們?yōu)暮π允录陌l(fā)生時間、嚴(yán)重程度以及會造成怎樣的后果，減輕和避免空 間災(zāi)害性天氣對昂貴的高科技技術(shù)系統(tǒng)造成損失，為航天、通信、導(dǎo)航、資源、電力、生態(tài)、醫(yī) 學(xué)、科研、宇航安全和國防等部門提供區(qū)域性和全球性的背景與時變的環(huán)境模式。因此，對 電離層閃爍研究具有重要的意義。進行電離層閃爍監(jiān)測最理想的方法是由同步衛(wèi)星發(fā)出單色的信標(biāo)，在地面建立監(jiān) 測網(wǎng)的方式進行監(jiān)測，但由于專門由同步衛(wèi)星發(fā)出單色的信標(biāo)源成本太高，目前國內(nèi)外對 電離層閃爍的監(jiān)測方法主要是利用GPS信號及衛(wèi)星電視信號。由于不需要專門的信標(biāo)源， 利用GPS信號及衛(wèi)星電視信號進行電離層閃爍監(jiān)測可有效地降低監(jiān)測成本。但是，GPS信 號及衛(wèi)星電視信號的特點造成了其監(jiān)測手段不夠理想。GPS電離層閃爍監(jiān)測儀可監(jiān)測、分析 幅度閃爍和相位閃爍。由于GPS衛(wèi)星相對地球運動，其閃爍的變化同時包括了時間及空間 的因素，數(shù)據(jù)的處理相對較為復(fù)雜。利用衛(wèi)星電視信號的電離層閃爍監(jiān)測，由于電視信號本 身的相位變化比較復(fù)雜，一般只能對幅度閃爍進行監(jiān)測。因此，針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種處理簡單、監(jiān)測效果優(yōu)良的電離層閃 爍監(jiān)測方法及電離層閃爍監(jiān)測儀甚為必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種電離層閃爍監(jiān)測方法及 電離層閃爍監(jiān)測儀，該電離層閃爍監(jiān)測方法及電離層閃爍監(jiān)測儀是基于靜止氣象衛(wèi)星連續(xù) 信號進行監(jiān)測處理的，具有處理簡單、監(jiān)測效果優(yōu)良的特點。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)措施實現(xiàn)一種電離層閃爍監(jiān)測方法，包括有以下步驟(1)信標(biāo)檢測與確定，電離層閃爍監(jiān)測儀檢測天線接收的靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的連 續(xù)信號，將所述連續(xù)信號確定為電離層閃爍監(jiān)測儀監(jiān)測的信標(biāo)；
(2)工作信號接收，所述天線接收所述靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的信號；(3)高頻下變頻處理，對所述天線接收的信號進行高頻下變頻處理，以降低所述信 號的頻率；(4)第一中頻下變頻處理，經(jīng)高頻下變頻處理后的信號輸至第一中頻放大器進行 第一中頻下變頻處理，在該步驟(4)中，所述第一中頻放大器設(shè)置可以是不帶自動增益控制的中頻放大 器，所述第一中頻下變頻處理可以不帶自動增益控制；(5)信號幅度及相位信息采集，對所述第一中頻下變頻處理后的信號進行信號幅 度信息采集及相位信息采集，并將所述信號幅度及位信息輸至數(shù)字信號處理器處理，其中 包括(51)信號幅度信息采集，所述第一中頻下變頻處理后的信號的一路輸至檢波器檢 波后，輸至第一 A/D轉(zhuǎn)換器作模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，作為信號幅度信息輸至數(shù)字信號處理器，及(52)信號相位信息采集，所述第一中頻下變頻處理后的信號的另一路輸至第二中 頻放大器進行第二中頻下變頻處理，經(jīng)所述第二中頻下變頻處理后的信號輸至鑒相器鑒相 后，輸至第二 A/D轉(zhuǎn)換器作模/數(shù)轉(zhuǎn)換后作為信號相位信息輸至所述數(shù)字信號處理器；(6)獲取信號幅度及相位閃爍信息，所述數(shù)字信號處理器對輸入的所述信號幅度 信息及所述信號相位信息進行處理獲得信號幅度及相位閃爍信息，并輸至計算機；(7)閃爍參數(shù)計算，所述計算機根據(jù)所述信號幅度閃爍信息和所述信號相位閃爍 信息分別進行幅度閃爍強度和相位標(biāo)準(zhǔn)差的計算，并輸出或者顯示所述幅度閃爍強度和相 位標(biāo)準(zhǔn)差。優(yōu)選的，上述步驟(1)中，具體為所述檢測靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的連續(xù)信號是遙測 信號，并以所述遙測信號作為電離層閃爍監(jiān)測儀監(jiān)測的信標(biāo)。另一優(yōu)選的，上述步驟(6)中，所述獲取信號幅度及相位閃爍信息具體包括(61)獲取信號幅度閃爍信息，對所述信號幅度信息進行幅度閃爍信息處理獲取信 號幅度閃爍信息，并輸至所述計算機；及(62)獲取信號相位閃爍信息，對輸入的信號依次進行解調(diào)數(shù)據(jù)源碼、再生被調(diào)制 信號、復(fù)現(xiàn)信號的原始相位處理，獲得信號的原始相位信息，然后將所述信號的原始相位信 息與所述輸入的信號相位信息進行比較，剔除被調(diào)制信號的成分，獲取信號相位閃爍信息 并輸至所述計算機。以上的，上述信標(biāo)為靜止氣象衛(wèi)星的業(yè)務(wù)遙測信號，所述天線的接收頻率為 1705. 2MH。進一步的，上述第一中頻下變頻處理的頻率是152. 5M。進一步的，上述數(shù)字處理器設(shè)置為現(xiàn)場可遍程門陣列(FPGA)處理器，所述數(shù)字處 理器芯片為EP2C35F44C8芯片。一種電離層閃爍監(jiān)測儀，包括設(shè)置有天線、高頻放大器、第一中頻放大器、第二中 頻放大器、檢波器、第一 A/D轉(zhuǎn)換器、鑒相器、第二 A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器和計算機，所述第一中頻放大器設(shè)置有第一輸出端和第二輸出端，所述數(shù)字信號處理器設(shè)置 有信號幅度信息輸入端和信號相位信息輸入端，該電離層閃爍監(jiān)測儀的監(jiān)測信標(biāo)為靜止氣象衛(wèi)星的連續(xù)信號，并通過監(jiān)測衛(wèi)星信號獲得電離層閃爍信號，所述天線接收靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的信號，所述天線聯(lián)接于所述高頻放大器輸入端，所述高頻放大器輸出端與所述第一中頻放大器輸入端聯(lián)接，所述第一中頻放大器的第一輸出端與所述檢波器輸入端聯(lián)接，所述檢波器輸出端 與所述第一 A/D轉(zhuǎn)換器輸入端聯(lián)接，所述第一 A/D轉(zhuǎn)換器輸出端與所述數(shù)字信號處理器的信號幅度信息輸入端聯(lián)接，所述第一中頻放大器的第二輸出端與所述第二中頻放大器輸入端聯(lián)接，所述第二 中頻放大器輸出端與所述鑒相器輸入端聯(lián)接，所述鑒相器輸出端與所述第二 A/D轉(zhuǎn)換器輸入端聯(lián)接，所述第二 A/D轉(zhuǎn)換器輸出端與所述數(shù)字信號處理器的信號相位信息輸入端聯(lián)接，所述數(shù)字信號處理器輸出端與所述計算機聯(lián)接。優(yōu)選的，上述數(shù)字信號處理器設(shè)置有信號幅度信息處理單元和信號相位信息處理 單元，所述信號幅度信息處理單元設(shè)置有幅度閃爍信息處理單元，所述幅度閃爍信息處 理單元輸入端與所述第一 A/D轉(zhuǎn)換器輸出端聯(lián)接，所述幅度閃爍信息處理單元輸出端與所 述計算機聯(lián)接；所述信號相位信息處理單元包括解調(diào)數(shù)據(jù)源碼單元、再生被調(diào)制信號單元、復(fù)現(xiàn) 信號的原始相位單元和剔除被調(diào)制信號成分單元，所述剔除被調(diào)制信號成分單元設(shè)置有第 一輸入端和第二輸入端，所述解調(diào)數(shù)據(jù)源碼單元輸入端、所述剔除被調(diào)制信號成分單元的第一輸入端與所 述第二 A/D轉(zhuǎn)換器輸出端聯(lián)接，所述解調(diào)數(shù)據(jù)源碼單元輸出端與所述再生被調(diào)制信號單元 輸入端聯(lián)接，所述再生被調(diào)制信號單元輸出端與所述復(fù)現(xiàn)信號的原始相位單元輸入端聯(lián)接，所述復(fù)現(xiàn)信號的原始相位單元輸出端與所述剔除被調(diào)制信號成分單元的第二輸 入端聯(lián)接，所述剔除被調(diào)制信號成分單元輸出端與所述計算機聯(lián)接。以上的，上述數(shù)字信號處理器設(shè)置為現(xiàn)場可遍程門陣列(FPGA)處理器，所述處理 器芯片為EP2C35F44C8芯片。以上的，上述電離層閃爍監(jiān)測儀的監(jiān)測信標(biāo)為靜止氣象衛(wèi)星的業(yè)務(wù)遙測信號，所 述天線為接收頻率為1705. 2MH的天線，所述第一中頻放大器為工作頻率152. 5M的中頻放 大器。本發(fā)明的一種電離層閃爍監(jiān)測方法，包括有以下步驟(1)信標(biāo)檢測與確定，電離 層閃爍監(jiān)測儀檢測天線接收的靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的連續(xù)信號，將連續(xù)信號確定為電離層閃 爍監(jiān)測儀監(jiān)測的信標(biāo)；(2)工作信號接收，天線接收所述靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的信號；(3)高 頻下變頻處理，對天線接收的信號進行高頻下變頻處理，以降低信號的頻率；(4)第一中頻 下變頻處理，經(jīng)高頻下變頻處理后的信號輸至第一中頻放大器進行第一中頻下變頻處理； (5)信號幅度及相位信息采集，對第一中頻下變頻處理后的信號進行信號幅度信息采集及 相位信息采集，并將信號幅度及位信息輸至數(shù)字信號處理器處理，其中包括(51)信號幅 度信息采集，第一中頻下變頻處理后的信號的一路輸至檢波器檢波后，輸至第一 A/D轉(zhuǎn)換器作模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，作為信號幅度信息輸至數(shù)字信號處理器，及(52)信號相位信息采集，第 一中頻下變頻處理后的信號的另一路輸至第二中頻放大器進行第二中頻下變頻處理，經(jīng)第 二中頻下變頻處理后的信號輸至鑒相器鑒相后，輸至第二 A/D轉(zhuǎn)換器作模/數(shù)轉(zhuǎn)換后作為 信號相位信息輸至數(shù)字信號處理器；(6)獲取信號幅度及相位閃爍信息，數(shù)字信號處理器 對輸入的信號幅度信息及信號相位信息進行處理獲得信號幅度及相位閃爍信息，并輸至計 算機；(7)閃爍參數(shù)計算，計算機根據(jù)信號幅度閃爍信息和信號相位閃爍信息分別進行幅 度閃爍強度和相位標(biāo)準(zhǔn)差的計算，并輸出或者顯示幅度閃爍強度和相位標(biāo)準(zhǔn)差。該電離層 閃爍監(jiān)測方法，通過利用靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的連續(xù)信號作為信標(biāo)，與GPS信號比較，由于是 靜止氣象衛(wèi)星信號，故其閃爍的變化只包含時間因素，因此，信號的處理簡單。與衛(wèi)星電視 信號比較，由于靜止氣象衛(wèi)星連續(xù)信號的碼速率較低，對于風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星其業(yè)務(wù)遙測 信號的碼速率僅為2K，且實際上精確可知，因此可以通過復(fù)現(xiàn)信號的原始相位，剔除調(diào)制信 號的成份，得到相位閃爍信息，效果接近單色信標(biāo)源的水平。因此，該電離層閃爍監(jiān)測方法 具有處理簡單、效果優(yōu)良的特點。本發(fā)明的一種電離層閃爍監(jiān)測儀，包括設(shè)置有天線、高頻放大器、第一中頻放大 器、第二中頻放大器、檢波器、第一 A/D轉(zhuǎn)換器、鑒相器、第二 A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器和 計算機，第一中頻放大器設(shè)置有第一輸出端和第二輸出端，數(shù)字信號處理器設(shè)置有信號幅 度信息輸入端和信號相位信息輸入端，而該電離層閃爍監(jiān)測儀的監(jiān)測信標(biāo)為靜止氣象衛(wèi)星 的連續(xù)信號，并可以通過監(jiān)測衛(wèi)星信號獲得電離層閃爍信號，天線接收靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射 的信號，天線聯(lián)接于高頻放大器輸入端，高頻放大器輸出端與第一中頻放大器輸入端聯(lián)接， 第一中頻放大器的第一輸出端與檢波器輸入端聯(lián)接，檢波器輸出端與第一 A/D轉(zhuǎn)換器輸入 端聯(lián)接，第一 A/D轉(zhuǎn)換器輸出端與數(shù)字信號處理器的信號幅度信息輸入端聯(lián)接，第一中頻 放大器的第二輸出端與第二中頻放大器輸入端聯(lián)接，第二中頻放大器輸出端與鑒相器輸入 端聯(lián)接，鑒相器輸出端與第二 A/D轉(zhuǎn)換器輸入端聯(lián)接，第二 A/D轉(zhuǎn)換器輸出端與數(shù)字信號處 理器的信號相位信息輸入端聯(lián)接，數(shù)字信號處理器輸出端與計算機聯(lián)接。該電離層閃爍監(jiān) 測儀，通過利用靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的連續(xù)信號作為信標(biāo)，與GPS信號比較，由于是靜止氣象 衛(wèi)星信號，故其閃爍的變化只包含時間因素，因此，數(shù)字信號處理器的處理簡單。與衛(wèi)星電 視信號比較，由于靜止氣象衛(wèi)星連續(xù)信號的碼速率較低，對于風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星其業(yè)務(wù)遙 測信號的碼速率僅為2K，且實際上精確可知，因此可以通過數(shù)字信號處理器復(fù)現(xiàn)信號的原 始相位，剔除調(diào)制信號的成份，得到相位閃爍信息，效果接近單色信標(biāo)源的水平。因此，該電 離層閃爍監(jiān)測儀具有數(shù)據(jù)處理簡單、監(jiān)測效果優(yōu)良的特點。


結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述，但附圖中的內(nèi)容不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限 制。圖1是本發(fā)明一種電離層閃爍監(jiān)測方法的示意圖；圖2是圖1中的一種電離層閃爍監(jiān)測方法的的數(shù)字信號處理器的處理過程示意 圖；圖3是本發(fā)明一種電離層閃爍監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3中的一種電離層閃爍監(jiān)測儀的數(shù)字信號處理器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式結(jié)合以下實施例對本發(fā)明作進一步描述。實施例1本發(fā)明的一種電離層閃爍監(jiān)測方法如圖1所示，包括下列步驟(1)信標(biāo)檢測與確定，電離層閃爍監(jiān)測儀檢測天線接收的靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的連續(xù)信號，將所述連續(xù)信號確定為電離層閃爍監(jiān)測儀監(jiān)測的信標(biāo)。由于靜止氣象衛(wèi)星對地相 對靜止，因此，選擇靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的信號作為電離層閃爍監(jiān)測儀監(jiān)測的信標(biāo)，其最大的 優(yōu)勢是可以對監(jiān)測區(qū)域進行連續(xù)的監(jiān)測，獲取監(jiān)測區(qū)域準(zhǔn)確的閃爍時間變化規(guī)律和氣候統(tǒng) 計數(shù)據(jù)。選擇靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的連續(xù)信號作為信標(biāo)，不需要為了對電離層閃爍監(jiān)測而在 在衛(wèi)星上單獨設(shè)置特殊的設(shè)備使衛(wèi)星發(fā)射信標(biāo)源，因此，成本較低廉。由于遙測信號的碼速 率較低便于后續(xù)的處理分析，故以選擇靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的遙測信號作為信標(biāo)效果更佳。(2)工作信號接收，天線接收靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的信號。電離層閃爍監(jiān)測儀的天線 設(shè)置在地面，以接收衛(wèi)星發(fā)射的遙測信號。衛(wèi)星發(fā)射的信號穿過電離層時，電離層不規(guī)則結(jié) 構(gòu)會引起信號幅度和相位的變化，變化后的信號被地面的天線接收。由于對于特定的衛(wèi)星， 其所發(fā)射的原始信號是可以預(yù)知的，因此，可以通過計算獲得信號的原始相位。通過將信號 到達地面時的幅度和相位與信號的原始相位比較處理，就可以獲得電離層閃爍的幅度和相 位信息。(3)高頻下變頻處理，對天線接收的信號進行高頻下變頻處理以降低信號的頻率。 衛(wèi)星發(fā)射的信號要經(jīng)過很長的距離才能到達地面，因此，為了保證信號能夠有效到達地面， 衛(wèi)星信號發(fā)射時都經(jīng)過了兩次或者多次上變頻處理。故，天線接收到的信號的頻率往往很 高，不便于處理。該步驟對天線接收的信號進行高頻下變頻處理，能夠降低信號的頻率，便 于后續(xù)的處理。(4)第一中頻下變頻處理，經(jīng)過高頻下變頻處理后的信號輸至第一中頻放大器進 行第一中頻下變頻處理。第一中頻放大器可以設(shè)置為不帶自動增益控制的中頻放大器，第 一中頻下變頻處理可以不帶自動增益控制。通常變頻放大器帶有自動增益控制功能，但本 發(fā)明中的第一中頻放大器不帶自動增益控制，第一中頻下變頻處理的信號攜帶有幅度隨機 起伏信息，故第一中頻下變頻處理后的信號的幅度信息仍然保持天線接收時的幅度狀態(tài)。 使得信號的幅度信息更加明顯。(5)信號幅度及相位信息采集，對第一中頻下變頻處理后的信號進行信號幅度信 息采集及相位信息采集，并將信號幅度及相位信息輸入數(shù)字信號處理器處理，其中包括(51)信號幅度信息采集，所述第一中頻下變頻處理后的信號一路輸至檢波器檢波 后，輸入第一 A/D轉(zhuǎn)換器作模/數(shù)轉(zhuǎn)換后作為信號幅度信息輸至數(shù)字信號處理器；及(52)信號相位信息采集，所述第一中頻下變頻處理后的信號另一路輸至第二中頻 放大器進行第二中頻下變頻處理，經(jīng)所述第二中頻下變頻處理后的信號輸至鑒相器經(jīng)所述 鑒相器鑒相后，輸入第二 A/D轉(zhuǎn)換器作模/數(shù)轉(zhuǎn)換后作為信號相位信息輸至所述數(shù)字信號 處理器。(6)獲取信號幅度及相位閃爍信息，數(shù)字信號處理器對輸入的信號幅度信息及信 號相位信息進行處理獲得信號幅度及相位閃爍信息，并輸至計算機。具體過程，如圖2所示，其中包括(61)獲取信號幅度閃爍信息，對所述信號幅度信息進行幅度閃爍信息處理獲取信號幅度閃爍信息，并輸至所述計算機；及(62)獲取信號相位閃爍信息，對輸入的信號依次進行解調(diào)數(shù)據(jù)源碼、再生被調(diào)制 信號、復(fù)現(xiàn)信號的原始相位處理，獲得信號的原始相位信息，然后，將所述信號的原始相位 信息與所述輸入的信號相位信息進行比較，剔除被調(diào)制信號的成分，獲取信號相位閃爍信 息，并將所述信號相位閃爍信息輸至所述計算機。(7)閃爍參數(shù)計算，計算機根據(jù)信號幅度閃爍信息和信號相位閃爍信息分別進行 幅度閃爍強度和相位標(biāo)準(zhǔn)差的計算，并輸出或者顯示幅度閃爍強度和相位標(biāo)準(zhǔn)差。本發(fā)明提供的一種電離層閃爍監(jiān)測方法，利用靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的連續(xù)信號作為 信標(biāo)，與GPS信號比較，由于是靜止氣象衛(wèi)星信號，故其閃爍的變化只包含時間因素，因此， 信號的處理簡單。與衛(wèi)星電視信號比較，由于靜止氣象衛(wèi)星連續(xù)信號的碼速率較低，且實 際上精確可知，因此可以通過復(fù)現(xiàn)信號的原始相位，剔除調(diào)制信號的成份，得到相位閃爍信 息，效果接近單色信標(biāo)源的水平。因此，該電離層閃爍監(jiān)測方法具有處理簡單、效果優(yōu)良的 特點。實施例2本發(fā)明的一種電離層閃爍監(jiān)測方法，包括下列步驟(1)信標(biāo)檢測與確定，電離層閃爍監(jiān)測儀檢測天線接收的靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的連 續(xù)信號為風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星的業(yè)務(wù)遙測信號，并將該業(yè)務(wù)遙測信號確定為電離層閃爍監(jiān)測 儀監(jiān)測的信標(biāo)。風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星(FY2)系列是我國自主研制的靜止氣象衛(wèi)星，目前已經(jīng)實現(xiàn)雙 星FY2-C和FY2-D組網(wǎng)觀測，C星定位于東經(jīng)123. 5度赤道上空距地大約36000公里的地 球同步軌道上，D星定位于東經(jīng)105度赤道上空距地大約36000公里的地球同步軌道上。 當(dāng)風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星的信號穿越電離層時，電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)會引起信號幅度和相位的變 化。如果能測量到信號到達地面時的幅度和相位，并知道信號的原始相位，就可以獲得電離 層閃爍的幅度和相位信息。風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星的下行信號包括原始云圖、展寬云圖、業(yè)務(wù)遙測、工程遙測、測 距信號等，本實施例選用了風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星的業(yè)務(wù)遙測信號作為電離層閃爍監(jiān)測儀監(jiān)測 的信標(biāo)。由于業(yè)務(wù)遙測信號是一個連續(xù)不間斷的信號，該信號在衛(wèi)星發(fā)射時采用二次調(diào)制 的方式，將2Kbps碼速率的數(shù)據(jù)以DPSK的方式調(diào)制到的32KHz的副載波，再將副載波以PM 方式調(diào)制到頻率為1702. 5MHz的載波中，其頻譜成分簡單穩(wěn)定，比較適合進行電離層閃爍 監(jiān)測。(2)工作信號接收，電離層閃爍監(jiān)測儀的天線接收風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星發(fā)射的業(yè)務(wù) 遙測信號。由于風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星發(fā)射的業(yè)務(wù)遙測信號的頻率為1702. 5MHz,因此，天線的接 收頻率于此對應(yīng)也設(shè)置為1702. 5MHz。(3)高頻下變頻處理，對天線接收的信號進行高頻下變頻處理以降低信號的頻率。(4)第一中頻下變頻處理，經(jīng)過高頻下變頻處理后的信號輸至第一中頻放大器進 行第一中頻下變頻處理，第一中頻下變頻處理選取的頻率是152. 5M。第一中頻放大器的頻率設(shè)置為152. 5M且第一中頻放大器設(shè)置為不帶自動增益控制的中頻放大器，經(jīng)第一中頻下變頻處理的信號攜帶有幅度隨機起伏信息。第一中頻下變頻處理選取152. 5M的頻率，是為了使電離層閃爍監(jiān)測儀能夠與風(fēng) 云二號氣象衛(wèi)星的展寬云圖接收機共用相同的天線、高頻及第一中頻通道。目前，風(fēng)云二號 氣象衛(wèi)星的展寬云圖接收站遍布全國，其頻率為1687. 5M，比遙測信號的頻率小15M，目前 廣泛使用的展寬云圖接收機的第一中頻為137. 5M，因此，將第一中頻下變頻處理的頻率選 在152. 5M，就可以實現(xiàn)電離層閃爍監(jiān)測儀與風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星的展寬云圖接收機共用前端 的通道。有利于降低監(jiān)測成本。(5)信號幅度及相位信息采集，對第一中頻下變頻處理后的信號進行幅度信號幅 度信息采集和相位信息采集，并將信號幅度和相位信息輸入數(shù)字信號處理器處理，其中包 括(51)信號幅度信息采集，所述第一中頻下變頻處理后的信號一路輸至檢波器經(jīng)檢 波器檢波后，輸入第一 A/D轉(zhuǎn)換器作模/數(shù)轉(zhuǎn)換后作為信號幅度信息輸至數(shù)字信號處理器； 及(52)信號相位信息采集，所述第一中頻下變頻處理后的信號另一路輸至第二中頻 放大器進行第二中頻下變頻處理，經(jīng)所述第二中頻下變頻處理后的信號輸至鑒相器經(jīng)所述 鑒相器鑒相后，輸入第二 A/D轉(zhuǎn)換器作模/數(shù)轉(zhuǎn)換后作為信號相位信息輸至所述數(shù)字信號 處理器。(6)獲取信號幅度及相位閃爍信息，數(shù)字信號處理器對輸入的信號幅度信息及信 號相位信息進行處理獲得信號幅度及相位閃爍信息并將信號幅度及相位閃爍信息輸至計 算機。數(shù)字信號處理器由現(xiàn)場可遍程門陣列(FPGA，F(xiàn)ieldProgrammable Gate Array)處理 器實現(xiàn)，采用的芯片型號可以為EP2C35F44C8。具體過程，包括(61)獲取信號幅度閃爍信息，對所述信號幅度信息進行幅度閃爍信息處理獲取信 號幅度閃爍信息，并將所述信號幅度閃爍信息輸至所述計算機；及(62)獲取信號相位閃爍信息，對輸入的信號依次進行解調(diào)數(shù)據(jù)源碼、再生被調(diào)制 信號、復(fù)現(xiàn)信號的原始相位處理，獲得信號的原始相位信息，然后，將所述信號的原始相位 信息與所述輸入的信號相位信息進行比較，剔除被調(diào)制信號的成分，獲取信號相位閃爍信 息，并將所述信號相位閃爍信息輸至所述計算機。(7)閃爍參數(shù)的計算，計算機根據(jù)信號幅度閃爍信息和信號相位閃爍信息分別進 行幅度閃爍強度和相位標(biāo)準(zhǔn)差的計算，并輸出或者顯示幅度閃爍強度和相位標(biāo)準(zhǔn)差。本實施例的一種電離層閃爍監(jiān)測方法，利用風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星的業(yè)務(wù)遙測信號進 行電離層閃爍監(jiān)測有二個主要優(yōu)點第一，與GPS信號比較，由于是靜止氣象衛(wèi)星信號，其 閃爍的變化只包含時間因素；第二，與衛(wèi)星電視信號比較，由于遙測信號的碼速率僅為2K， 且實際上精確可知，因此可以通過復(fù)現(xiàn)遙測信號的原始相位，剔除調(diào)制信號的成份，得到相 位閃爍信息?？梢?，利用風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星的業(yè)務(wù)遙測信號進行電離層閃爍監(jiān)測同時具有利用 GPS信號及衛(wèi)星電視信號監(jiān)測的優(yōu)點，效果接近單色信標(biāo)源的水平。且電離層閃爍監(jiān)測儀能 與風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星的展寬云圖接收機共用相同的天線、高頻及第一中頻通道，有利于降低監(jiān)測成本。實施例3本發(fā)明的一種電離層閃爍監(jiān)測儀，如圖3所示，通過監(jiān)測衛(wèi)星信號獲得電離層閃爍信息，電離層閃爍監(jiān)測儀的監(jiān)測信標(biāo)為靜止氣象衛(wèi)星的連續(xù)信號。該電離層閃爍監(jiān)測儀 包括設(shè)置有天線10、高頻放大器20、第一中頻放大器30、第二中頻放大器40、檢波器50、第 一 A/D轉(zhuǎn)換器60、鑒相器70、第二 A/D轉(zhuǎn)換器80、數(shù)字信號處理器90和計算機100。第一中頻放大器30設(shè)置有第一輸出端31和第二輸出端32，數(shù)字信號處理器90設(shè) 置有信號幅度信息輸入端901和信號相位信息輸入端902。天線10接收衛(wèi)星發(fā)射的信號，天線10與高頻放大器20輸入端聯(lián)接，高頻放大器 20輸出端與第一中頻放大器30輸入端聯(lián)接，第一中頻放大器30的第一輸出端31與檢波 器50輸入端聯(lián)接，檢波器50輸出端與所述第一 A/D轉(zhuǎn)換器60輸入端聯(lián)接，第一 A/D轉(zhuǎn)換 器60輸出端與數(shù)字信號處理器90的信號幅度信息輸入端901聯(lián)接，第一中頻放大器30的第二輸出端32與第二中頻放大器40輸入端聯(lián)接，第二中頻 放大器40輸出端與鑒相器70輸入端聯(lián)接，鑒相器70輸出端與第二 A/D轉(zhuǎn)換器80輸入端 聯(lián)接，第二 A/D轉(zhuǎn)換器80輸出端與數(shù)字信號處理器90的信號相位信息輸入端902聯(lián)接，數(shù) 字信號處理器90輸出端與所述計算機100聯(lián)接。其工作原理是天線10接收靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射到地面的信號，天線10接收的信號 輸送至高頻放大器20，通過高頻放大器20將信號的頻率降低。經(jīng)高頻放大器20處理后的 信號輸至第一中頻放大器30進行第一中頻下變頻處理，經(jīng)第一中頻放大器30處理后的信 號攜帶有幅度隨機起伏信息。該信號一路輸至檢波器50經(jīng)檢波器50檢波后，輸入第一 A/ D轉(zhuǎn)換器60作模/數(shù)轉(zhuǎn)換后作為信號幅度信息輸至數(shù)字信號處理器90。第一中頻放大器 30處理后的信號另一路輸至第二中頻放大器40進行第二中頻下變頻處理，經(jīng)第二中頻下 變頻處理后的信號輸至鑒相器70經(jīng)鑒相器鑒相后，輸入第二 A/D轉(zhuǎn)換器80作模/數(shù)轉(zhuǎn)換 后作為信號相位信息輸至數(shù)字信號處理器90。數(shù)字信號處理器90對輸入的信號幅度信息 及信號相位信息進行處理獲得信號幅度及相位閃爍信息并將信號幅度及相位閃爍信息輸 至計算機100。數(shù)字信號處理器90由現(xiàn)場可遍程門陣列(FPGA，F(xiàn)ield Programmable GateArray) 處理器實現(xiàn)，數(shù)字信號處理器90采用型號為EP2C35F44C8的可編程芯片。數(shù)字信號處理 器90包括信號幅度閃爍信息獲取單元91和信號相位閃爍信息獲取單元92。如圖4所示， 信號幅度閃爍信息獲取單元91設(shè)置有幅度閃爍信息處理單元911，幅度閃爍信息處理單元 911輸入端與所述第一 A/D轉(zhuǎn)換器60輸出端聯(lián)接，幅度閃爍信息處理單元911輸出端與所 述計算機100聯(lián)接。信號相位閃爍信息獲取單元92包括解調(diào)數(shù)據(jù)源碼單元921、再生被調(diào)制信號單元 922、復(fù)現(xiàn)信號的原始相位單元923和剔除被調(diào)制信號成分單元924，剔除被調(diào)制信號成分 單元設(shè)置有第一輸入端9241和第二輸入端9242。解調(diào)數(shù)據(jù)源碼單元921輸入端、剔除被 調(diào)制信號成分單元924的第一輸入端9241與第二 A/D轉(zhuǎn)換器80輸出端聯(lián)接，數(shù)據(jù)源碼單 元921輸出端與再生被調(diào)制信號單元922輸入端聯(lián)接，再生被調(diào)制信號單元922輸出端與 復(fù)現(xiàn)信號的原始相位單元923輸入端聯(lián)接，復(fù)現(xiàn)信號的原始相位單元923輸出端與剔除被 調(diào)制信號成分單元924的第二輸入端9242聯(lián)接，剔除被調(diào)制信號成分單元924輸出端與計算機100聯(lián)接。第二 A/D轉(zhuǎn)換器80的輸出信號經(jīng)解調(diào)數(shù)據(jù)源碼單元921、再生被調(diào)制信號 單元922、復(fù)現(xiàn)信號的原始相位單元923處理后，復(fù)現(xiàn)信號的原始相位。剔除被調(diào)制信號成 分單元924的第一輸入端9241和第二輸入端9242分別輸入信號相位信息和復(fù)現(xiàn)的信號原 始相位信息，通過剔除被調(diào)制信號成分單元924處理后，可以獲得電離層的閃爍相位信息。數(shù)字信號處理器90將處理出來的相位及幅度隨機起伏信息通過USB接口送到數(shù)據(jù)處理計算機100，由數(shù)據(jù)處理計算機100完成對數(shù)據(jù)的進一步分析處理、計算幅度及相位 的閃爍指數(shù)、數(shù)據(jù)顯示及存儲等。本發(fā)明提供的一種電離層閃爍監(jiān)測儀，利用靜止氣象衛(wèi)星 發(fā)射的連續(xù)信號作為信標(biāo)，與GPS信號比較，由于是靜止氣象衛(wèi)星信號，故其閃爍的變化只 包含時間因素，因此，數(shù)字信號處理器的處理簡單。與衛(wèi)星電視信號比較，由于靜止氣象衛(wèi) 星連續(xù)信號的碼速率較低，且實際上精確可知，因此可以通過數(shù)字信號處理器90復(fù)現(xiàn)信號 的原始相位，剔除調(diào)制信號的成份，得到相位閃爍信息，效果接近單色信標(biāo)源的水平。因此， 該電離層閃爍監(jiān)測儀具有數(shù)據(jù)處理簡單、監(jiān)測效果優(yōu)良的特點。實施例4本發(fā)明的一種電離層閃爍監(jiān)測儀，其結(jié)構(gòu)與實施例3相同，不同之處在于，該實施 例中的電離層閃爍監(jiān)測儀的監(jiān)測信標(biāo)選擇為風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星的業(yè)務(wù)遙測信號，天線10 的接收頻率為1705. 2MH，第一中頻放大器30的工作頻率是152. 5M。由于業(yè)務(wù)遙測信號是一個連續(xù)不間斷的信號，該信號在衛(wèi)星發(fā)射時采用二次調(diào)制 的方式，將2Kbps碼速率的數(shù)據(jù)以DPSK的方式調(diào)制到的32KHz的副載波，再將副載波以PM方 式調(diào)制到頻率為1702. 5MHz的載波中，其頻譜成分簡單穩(wěn)定，比較適合進行電離層閃爍監(jiān)測。由于風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星發(fā)射的遙測信號的頻率為1702. 5MHz,因此，天線10的接 收頻率于此對應(yīng)也設(shè)置為1702. 5MHz。第一中頻放大器30選取152. 5M的頻率，是為了使該電離層閃爍監(jiān)測儀能夠與風(fēng) 云二號氣象衛(wèi)星的展寬云圖接收機共用相同的天線、高頻及第一中頻通道。目前，風(fēng)云二號 氣象衛(wèi)星的展寬云圖接收站遍布全國，其頻率為1687. 5M，比遙測信號的頻率小15M，目前 廣泛使用的展寬云圖接收機的第一中頻為137. 5M，因此，將第一中頻放大器30的頻率選在 152. 5M，就可以實現(xiàn)電離層閃爍監(jiān)測儀與風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星的展寬云圖接收機共用前端的 通道。有利于降低監(jiān)測成本。本實施例的一種電離層閃爍監(jiān)測儀，選擇風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)遙測信號作為信 標(biāo)。具有以下優(yōu)點，第一，與GPS信號比較，由于是靜止氣象衛(wèi)星信號，其閃爍的變化只包 含時間因素；第二，與衛(wèi)星電視信號比較，由于遙測信號的碼速率僅為2K，且實際上精確可 知，因此可以通過復(fù)現(xiàn)遙測信號的原始相位，剔除調(diào)制信號的成份，得到相位閃爍信息。該 電離層閃爍監(jiān)測儀利用風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星的業(yè)務(wù)遙測信號進行電離層閃爍監(jiān)測同時具有 利用GPS信號及衛(wèi)星電視信號監(jiān)測的優(yōu)點，效果接近單色信標(biāo)源的水平。且電離層閃爍監(jiān) 測儀能與風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星的展寬云圖接收機共用相同的天線、高頻及第一中頻通道，有 利于該監(jiān)測儀的推廣并且有利用降低監(jiān)測成本。最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對本發(fā)明保護 范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明作了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理 解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實質(zhì)和 范圍。
權(quán)利要求
一種電離層閃爍監(jiān)測方法，其特征在于包括有以下步驟(1)信標(biāo)檢測與確定，電離層閃爍監(jiān)測儀檢測天線接收的靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的連續(xù)信號，將所述連續(xù)信號確定為電離層閃爍監(jiān)測儀監(jiān)測的信標(biāo)；(2)工作信號接收，所述天線接收所述靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的信號；(3)高頻下變頻處理，對所述天線接收的信號進行高頻下變頻處理，以降低所述信號的頻率；(4)第一中頻下變頻處理，經(jīng)高頻下變頻處理后的信號輸至第一中頻放大器進行第一中頻下變頻處理；(5)信號幅度及相位信息采集，對所述第一中頻下變頻處理后的信號進行信號幅度信息采集及相位信息采集，并將所述信號幅度及位信息輸至數(shù)字信號處理器處理，其中包括(51)信號幅度信息采集，所述第一中頻下變頻處理后的信號的一路輸至檢波器檢波后，輸至第一A/D轉(zhuǎn)換器作模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，作為信號幅度信息輸至數(shù)字信號處理器，及(52)信號相位信息采集，所述第一中頻下變頻處理后的信號的另一路輸至第二中頻放大器進行第二中頻下變頻處理，經(jīng)所述第二中頻下變頻處理后的信號輸至鑒相器鑒相后，輸至第二A/D轉(zhuǎn)換器作模/數(shù)轉(zhuǎn)換后作為信號相位信息輸至所述數(shù)字信號處理器；(6)獲取信號幅度及相位閃爍信息，所述數(shù)字信號處理器對輸入的所述信號幅度信息及所述信號相位信息進行處理獲得信號幅度及相位閃爍信息，并輸至計算機；(7)閃爍參數(shù)計算，所述計算機根據(jù)所述信號幅度閃爍信息和所述信號相位閃爍信息分別進行幅度閃爍強度和相位標(biāo)準(zhǔn)差的計算，并輸出或者顯示所述幅度閃爍強度和相位標(biāo)準(zhǔn)差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電離層閃爍監(jiān)測方法，其特征在于所述步驟(1)中，具體為所述檢測靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的連續(xù)信號是遙測信號，并以所 述遙測信號作為電離層閃爍監(jiān)測儀監(jiān)測的信標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電離層閃爍監(jiān)測方法，其特征在于所述步驟(6)中，所述獲 取信號幅度及相位閃爍信息具體包括(61)獲取信號幅度閃爍信息，對所述信號幅度信息進行幅度閃爍信息處理獲取信號幅 度閃爍信息，并輸至所述計算機；及(62)獲取信號相位閃爍信息，對輸入的信號依次進行解調(diào)數(shù)據(jù)源碼、再生被調(diào)制信號、 復(fù)現(xiàn)信號的原始相位處理，獲得信號的原始相位信息，然后將所述信號的原始相位信息與 所述輸入的信號相位信息進行比較，剔除被調(diào)制信號的成分，獲取信號相位閃爍信息并輸 至所述計算機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的電離層閃爍監(jiān)測方法，其特征在于所述信標(biāo)為靜 止氣象衛(wèi)星的業(yè)務(wù)遙測信號，所述天線的接收頻率為1705. 2MH。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電離層閃爍監(jiān)測方法，其特征在于所述第一中頻下變頻處 理的頻率是152. 5M。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電離層閃爍監(jiān)測方法，其特征在于所述數(shù)字處理器設(shè)置為 現(xiàn)場可遍程門陣列(FPGA)處理器，所述數(shù)字處理器芯片為EP2C35F44C8芯片。
7.一種電離層閃爍監(jiān)測儀，其特征在于包括設(shè)置有天線、高頻放大器、第一中頻放大器、第二中頻放大器、檢波器、第一 A/D轉(zhuǎn)換器、鑒相器、第二 A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器和 計算機，所述第一中頻放大器設(shè)置有第一輸出端和第二輸出端，所述數(shù)字信號處理器設(shè)置有信 號幅度信息輸入端和信號相位信息輸入端，所述天線接收靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的信號，所述天線聯(lián)接于所述高頻放大器輸入端，所 述高頻放大器輸出端與所述第一中頻放大器輸入端聯(lián)接，所述第一中頻放大器的第一輸出端與所述檢波器輸入端聯(lián)接，所述檢波器輸出端與所 述第一 A/D轉(zhuǎn)換器輸入端聯(lián)接，所述第一 A/D轉(zhuǎn)換器輸出端與所述數(shù)字信號處理器的信號幅度信息輸入端聯(lián)接， 所述第一中頻放大器的第二輸出端與所述第二中頻放大器輸入端聯(lián)接，所述第二中頻 放大器輸出端與所述鑒相器輸入端聯(lián)接，所述鑒相器輸出端與所述第二 A/D轉(zhuǎn)換器輸入端聯(lián)接，所述第二 A/D轉(zhuǎn)換器輸出端與所述數(shù)字信號處理器的信號相位信息輸入端聯(lián)接， 所述數(shù)字信號處理器輸出端與所述計算機聯(lián)接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電離層閃爍監(jiān)測儀，其特征在于所述數(shù)字信號處理器設(shè)置有信號幅度信息處理單元和信號相位信息處理單元， 所述信號幅度信息處理單元設(shè)置有幅度閃爍信息處理單元，所述幅度閃爍信息處理單 元輸入端與所述第一 A/D轉(zhuǎn)換器輸出端聯(lián)接，所述幅度閃爍信息處理單元輸出端與所述計 算機聯(lián)接；所述信號相位信息處理單元包括解調(diào)數(shù)據(jù)源碼單元、再生被調(diào)制信號單元、復(fù)現(xiàn)信號 的原始相位單元和剔除被調(diào)制信號成分單元，所述剔除被調(diào)制信號成分單元設(shè)置有第一輸 入端和第二輸入端，所述解調(diào)數(shù)據(jù)源碼單元輸入端、所述剔除被調(diào)制信號成分單元的第一輸入端與所述第 二 A/D轉(zhuǎn)換器輸出端聯(lián)接，所述解調(diào)數(shù)據(jù)源碼單元輸出端與所述再生被調(diào)制信號單元輸入 端聯(lián)接，所述再生被調(diào)制信號單元輸出端與所述復(fù)現(xiàn)信號的原始相位單元輸入端聯(lián)接， 所述復(fù)現(xiàn)信號的原始相位單元輸出端與所述剔除被調(diào)制信號成分單元的第二輸入端 聯(lián)接，所述剔除被調(diào)制信號成分單元輸出端與所述計算機聯(lián)接。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的電離層閃爍監(jiān)測儀，其特征在于所述數(shù)字信號處理器 設(shè)置為現(xiàn)場可遍程門陣列(FPGA)處理器，所述處理器芯片為EP2C35F44C8芯片。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的電離層閃爍監(jiān)測儀，其特征在于所述電離層閃爍監(jiān)測 儀的監(jiān)測信標(biāo)為靜止氣象衛(wèi)星的業(yè)務(wù)遙測信號，所述天線為接收頻率為1705. 2MH的天線， 所述第一中頻放大器為工作頻率152. 5M的中頻放大器。
全文摘要
一種電離層閃爍監(jiān)測方法及監(jiān)測儀，監(jiān)測方法包括采用靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射的連續(xù)信號作為信標(biāo)；天線接收衛(wèi)星信號；對信號進行高頻下變頻處理；第一中頻下變頻處理；信號幅度和相位信息采集，并將信號幅度和相位信息輸入數(shù)字信號處理器處理；數(shù)字信號處理器處理獲取信號幅度及相位閃爍信息并輸至計算機；計算機進行閃爍參數(shù)的計算。監(jiān)測儀包括天線、高頻放大器、第一中頻放大器、第二中頻放大器、檢波器、第一A/D轉(zhuǎn)換器、鑒相器、第二A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器和計算機。具有處理簡單、監(jiān)測效果優(yōu)良的特點。
文檔編號G01S19/01GK101806911SQ20101000116
公開日2010年8月18日 申請日期2010年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月14日
發(fā)明者單海濱, 張效信, 張榮楷, 曹靜, 王勁松, 翁俊鏗 申請人:國家衛(wèi)星氣象中心;廣州氣象衛(wèi)星地面站