三频信标接收机处理软件研制及应用

毕会春

（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

三频信标接收机处理软件研制及应用

毕会春

（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

三频信标接收机是研究电离层的重要设备，数据处理软件单元是三频信标接收机必不可少的部分。文章根据三频信标接收机处理软件单元的需求进行分析，给出理论依据，列出处理软件计算TEC的流程设计和软件模块；再对编制的软件进行详细测试，给出测试结果，对比指标要求说明软件功能实现的正确性。最后指出三频信标接收机的优缺点和更多应用。

电离层；三频信标；软件；TEC

在无线电通讯日益发展的今天，电离层是影响通讯传输和效率的关键问题之一。了解电离层的结构变化和物理机制是无线通信和大气科学中不可忽视的一个重要课题[1-2]。建立电离层信息系统是当前电离层研究的一个方向。无论是在GPS应用的Klobuchar改进型，还是欧洲Gatileo定位应用的NeQuick模型，虽然都是全球模型，但却缺少中国的实际观测数据，因此在中国建立电离层观测站显得尤为重要[3-5]。经历史记录观测表明，地震的发生与电离层的扰动存在关联[6-9]。三频信标接收机是研究电离层扰动的重要设备。为对中国部分的电离层有更好的研究了解，地震局在温州大学成立了三频信标观测站，并立项进行三频信标的研制[10-11]。

三频信标接收机由硬件部分和软件部分组成，软件部分运行在系统计算机上，负责下载卫星轨道根数和编制计算观测计划、控制数字采集接收卫星信号并进行存储，对卫星数据进行多普勒信号提取和重建电离层TEC等参数。因此，软件部分是三频信标接收机正常工作必不可少的部分。

1 核心算法：差分多普勒测TEC

差分多普勒(Doppler)技术是一种测量电离层总电子含量的方法，它由测量电离层电波射线的线积分计算。差分多普勒微分技术是基于卫星与地面台站之间的电波相位路径的改变，或是由于电离层的影响，地面台站接收到的卫星信号频率发生偏移。

由卫星接收机接收的信号，在大尺度电离层结构下，其仰角大于 5度是，传播路径可视为直线。电离层的等离子体频率可表示为：

其中eN为电子密度，e为电荷，m为电子质量（Kg），0ε为介电系数（F/m），将e=-1.602×10-19库仑，m=9.109×10-31Kg，0ε=8.854×10-12代入可得

当电磁波在电离层中传播是，其折射系数n可表示成

当电磁波频率f>>等离子体频率fp时，可将折射系数n以二项式展开趋近如下式：

电磁波接收站接收的电磁波相位（rφ）和电磁波发射站发射的电磁波相位（sφ）之间的的关系式为

其中ω为角频率，L为接收站至发射站的光学距离。电磁波相位对时间的变化为

所以多普勒频移Δf为：

前一项为卫星运动所引起的频移，后一项为电离层所引起的频移。为得到电离层对电磁波传播所引起的影响项，卫星发射两个同相不同频的电磁波，，为参考频率，这样可以消去第一项所引起的频移。则在时间t的差分多普勒频移可表示为：

两边积分得

其中)(tΦ为可测量的差分多普勒频移相对量，0Φ为未知的相位积分常数或初始相位值。电离层的全电子含量TEC定义为电子密度沿传播路径的积分，所以全电子含量TEC可表示为

2 需求分析和软件设计

软件需求分析：

（1）实现卫星轨道自动预报。能够自动下载卫星轨道根数，自动计算预报卫星轨道，实现能24小时无人值守系统正常运行。

（2）差分多普勒提取，电离层电子密度自动解算，重建电离层TEC参数。

（3）卫星三频通道频谱显示，数据处理结果成图显示。

（4）处理结果自动发送到指定ftp服务器，进行数据自动备份保存。

（5）相对TEC分辨能力0.1TEC。

根据需求分析，三频信标接收机软件单元部分可分为五部分：①运行控制程序（mdbrManage）；②轨道预报程序（mdbrPassPlan）；③数据采集程序（mdbrUhdObs）；④数据分析软件（mdbrTecAnalysis）；⑤以及轨道根数自动下载程序（mdbrGetNorad）。软件各单元程序模块框图关系如图1。

运行控制程序（mdbrManage）为三频接收系统的数字控制程序，开机后会自动启动,然后调用其他程序来完成卫星信号的接收和后续的资料收集和处理过程。系统计算机开机后，运行运行控制软件（mdbrManage），该软件会调用轨道预报程序（mdbrPassPlan）以及数据采集程序（mdbrUhdObs），自动编制观测计划并进行数据采集。运行控制程序使用Python语言编写，运行在Linux操作系统下，其程序调用流程如图2。

轨道根数自动下载程序（mdbrGetNorad）用于从网络自动下载卫星轨道根数。

卫星轨道预报程序（mdbrPassPlan）是根据地面接收站信息（地理经度、纬度、高度）、卫星轨道根数和时间，计算观测周期期间途经接收站的卫星数量、名称、时间、方位和频率等信息，供运行控制软件使用。卫星轨道预报使用python语言编写，运行在Linux操作系统下。

数据分析软件（mdbrTecAnalysis）软件则进行资料处理与分析, 并保存所得结果。数据分析软件将读取接收到的卫星数据，使用差分多普勒技术，提取多普勒频移信息，同时给出频点强度。同时使用地面接收站和卫星轨道信息，重建电离层总电子数量和S4参数。电离层信息重建软件使用python语言编写，运行在Linux操作系统下。

数据采集程序读取把数字采集单元采集的数据进行备份存储和管理；同时把数据分析软件给出的处理结果进行备份存储和管理。最后根据要求，把电离层层析结果上传到规定存储地方。数据采集程序使用python语言编写，运行在Linux操作系统下。

软件单元程序模块框图如图1所示：

图1　软件各单元程序模块框图关系

图2　运行控制程序调用流程图

图3　程序执行过程中文档调用关系图

轨道预报程序由python语言编写，它接收接收机所处位置的经度、纬度、时间、高度和卫星频率偏置情况（在satellite_param.dat中），计算预报接下来的卫星数量、名称、日期、卫星俯仰角以及出现的时间等信息，生成轨道根数和飞行预报文件，若接收机锁定卫星，则运行下面数据采集程序，直到卫星飞离接收机接收信号范围，数据进入存储硬件中，若运行数据分析文件，则可生成直观的运行结果图。

程序执行过程中文档调用关系如图3，其中Norad.dat为轨道根数文件，由轨道根数文件自动下载程序生成，包含测站需要观测卫星的二行根数参数。

Pass.pln为观测计划文件，由轨道预报程序（mdbrPassPlan）生成，包含卫星升起落下时间。

YYYY-MM-DDHHMM-flight.dat为卫星飞行预报文件，由轨道预报程序（mdbrPassPlan）生成，包含卫星飞行时刻、方位、俯仰、距离、速度以及星下点位置等信息。每个卫星的跟踪弧段都会有一个文件，如2014-11-24T20h04m_ COSMOS2407_flight.dat，表示COSMOS 2407在2014年11月24日20时04分开始的一个跟踪弧段

YYYY-MM-DDHHMM-flight-vhf.dat和 YYYY-MMDDHHMM-flight-uhf.dat为信号记录文件由数据采集程序生成，包含卫星信号记录数据，为二进制格式。每个卫星的每一跟踪弧段，都会记录有数据文件。如2014-11-24T20h04m_ COSMOS2407_vhf.dat，表示COSMOS 2407在2014年11月24日20时04分跟踪弧段，记录的150MHz信号。

Scan-oooo.tec为相对电离层文件由数据分析软件生成，包含观测卫星跟踪弧段的观测结果。文件格式为：

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 测试结果与分析

下面分别给出卫星COSMOS 2407，COSMOS 2414在佘山站的观测数据用数据处理软件单元运行得出的结果（图4和图5）。每个图中有6个图，分别是卫星的飞行距离，方位/俯仰轨迹，信号频谱图，相对电离层图，以及相对电离层残差图。

图4　软件处理COSMOS 2407数据结果图

图5　软件处理COSMOS 2414数据结果图

从图中可以清楚的看到卫星经过时，收到卫星各种参数的变化和，第一个图可看出卫星经过接收机时，卫星距离结收机的距离为从大到小变化，在卫星讲过接收机正上方时，距离最小。第二个图显示卫星在天上运动时，卫星相对于接收机的方位/俯仰轨迹，因卫星是周期性飞行，所以显示其方位/俯仰轨迹为类椭圆形。第三个图显示接收到的 150M信号频率变化，因信号经传播出现耗损，天空中也存在许多干扰信号，所以150MHz卫星信号显示不明显，几乎被干扰信号所淹没，图四则能清晰显示出400MHz的频率变化，从主可以看出由卫星的运动所引起的多普勒频移现象，图五为由卫星信号反演得到的电离层电子含量（TEC），图六为解算出的相对电离层残差，总体上小于0.01TEC，满足相对TEC的分辨能力为0，1TEC的要求。

4 结束语

三频信标软件处理单元是三频信标接收机必不可少的部分，能直观的显示出三维电离层图像，经处理得出的数据文件还可以进一步处理，得出实时的电离层含量浓度的动态分布图，在通信和地震预测等领域有广泛的应用。但由于其本身的技术特点，无法得到全球的电子密度分布情况。

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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

毕会春（1987－），男，河北石家庄人，桂林电子科技大学硕士研究生，研究方向为电离层扰动研究。