电离层闪烁对GNSS信号影响的相位屏仿真方法

建立了利用相位屏模型实现的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)闪烁仿真方法.仿真包括随机相位屏的产生和抛物波方程求解.相位屏产生中,通过将零均值的Gauss白噪声通过特定滤波器(根据闪烁功率谱密度函数设计)的方法产生二维随机相位分布;抛物波方程求解中,通过分步法求解抛物波方程获得接收机处的卫星信号复振幅.上述过程考虑了信号倾斜传播路径、不均匀体特征参量等因素, 这些因素可由实测数据估计获得.利用中国低纬地区典型闪烁事件期间的GNSS观测数据提取闪烁相关参量, 并用于闪烁仿真.从信号强度时间序列、幅度相位统计特性、谱特征等多个方面, 对仿真和实测结果进行比较.结果表明, 建立的GNSS信号闪烁仿真方法可以有效复现电离层闪烁影响下的GNSS信号, 仿真信号符合理论变化规律, 且与实测数据结果具有一致性.由此表明了建立的GNSS信号闪烁仿真方法的有效性.     

斜入射下电离层闪烁对GEO SAR成像影响分析

本文基于多相位屏理论,研究了电离层闪烁对GEO SAR成像的影响。首先针对电离层各向异性的特点,修正了各向异性电子密度起伏的功率谱,并重新推导了斜入射条件下随机介质中的电磁波传播方程,改进了传统的基于垂直入射和各向同性电离层条件下的多相屏仿真方法,然后结合典型GEO SAR参数,分析了电离层闪烁对GEO SAR成像的影响。最后,通过Monte Carlo仿真,给出了不同电离层电子密度起伏条件下GEO SAR进行合成孔径处理的最优积累时间。分析结果表明,相同GEO SAR系统配置下,电离层闪烁的起伏越大,合成时间越长,GEO SAR成像质量越差,甚至会出现无法聚焦的情况。      

星载合成孔径雷达二维闪烁相位误差校正方法研究

分析了电离层闪烁效应对低频段星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)方位向分辨率的影响, 并基于二维相位屏方法生成了距离向空变的闪烁相位误差.传统的相位梯度自聚焦(Phase Gradient Autofocus, PGA)方法难以适用于二维空变相位误差校正, 而本文基于闪烁相位误差在距离向具有连续性的特点, 在一定规则基础上将整幅图像划分为若干个子孔径, 对每个子孔径图像利用PGA方法进行相位误差估计, 再将得到的各子孔径相位误差进行插值运算, 从而得到整幅图像的闪烁相位误差.仿真结果表明:相比于传统PGA方法, 子孔径PGA方法可以有效解决二维空变闪烁相位误差对图像方位向分辨率的影响, 校正后的图像得到很好的恢复, 方位向分辨率明显提高.     

电离层闪烁对星载P波段SAR的影响分析

电离层闪烁会破坏星载合成孔径雷达(SAR)回波信号之间的相关性,使其成像性能下降。已有的工作都是假设已知电离层电子密度的扰动开展的,但是目前的测量手段无法直接获取该参量。该文利用海口观测站超高频(UHF)频段太阳活动高年和中等年份的实测数据,分析电离层闪烁的变化特征,并基于相位屏理论,给出一种利用闪烁指数评估电离层闪烁对星载P波段SAR系统影响效应的方法。结果表明：电离层闪烁在低纬地区主要发生在夜间,且在两分季高发;太阳活动高年,全年约有3.8%的时间会发生电离层闪烁现象;对于P波段SAR系统来说,弱闪烁使得方位向冲激响应函数(IRF)的主瓣宽度和副瓣增益增大,分辨率下降;中等强度闪烁使得方位向冲激响应函数发生严重的扰动,副瓣增益增大到主瓣的水平,主瓣中心也发生平移,可能使得系统无法直接成像。     

相位屏法仿真海洋湍流激光传输特性有效性

海洋湍流是制约水下激光通信应用的重要因素之一,相对于大气湍流,海洋湍流在较短距离内即可达到强起伏,针对强湍流传输特性及数值仿真的可靠性验证具有重要意义。基于大气湍流传输特性理论公式,利用大气湍流参数等效表达海洋湍流的方法给出了弱起伏到强起伏条件下海洋湍流传输特性的理论计算公式。针对相位屏法在海洋湍流仿真中的应用,给出了选取相位屏间距、网格尺寸和网格数目的基本要求,并数值仿真了海洋湍流不同参数条件下的传输特性,与理论计算结果进行了对比。结果表明:基于相位屏法得到的光强一阶矩传输特性参量与解析结果较为一致,但是在强闪烁条件下数值仿真光强闪烁特性与理论结果偏差较大。     

电离层电波传播相位污染校正

电离层电波传播相位污染使天波超视距雷达（OTHR）接收的回波信号谱扩展。采用合成孔径雷达（SAR）成像中的相位梯度算法（PGA）来校正相位污染，PGA算法要求所处理的各个分辨单元（这里包括方位和距离单元）具有相同的相位误差，但当对于电离怪空间变化剧烈，或OTHR距离和方位分辨率比较粗时，相邻单元的相位污染不完全相同，这里PGA方法不适用。针对这种情况，考虑相位变化不可能非常剧烈。可用低次多项式表示时，采用最小熵搜索方法，分别校正各单元的电离层相位污染。最后采用我国录取的OTHR实测数据验证，表明这两方法的校正效果良好。     

电离层闪烁对GNSS信号影响的相位屏仿真方法

获得闪烁相关电离层不均匀体参数是建立闪烁预测模型的基础. 针对长期历史数据为单站观测的情况,提出利用闪烁谱拟合方法,通过最大似然估计（maximum likelihood estimation, MLE）获得多个闪烁相关参数的最优估计,并利用Monte Carlo方法对谱参数MLE结果进行分析. 结果表明：利用单指数谱模型可以获得谱参数的无偏最优估计,估计参数的90%置信度范围可以覆盖真实值;利用双指数谱模型可以获得谱参数的近似无偏最优估计,绝大部分估计参数的90%置信度范围可以覆盖真实值;两种模型估计的统计结果均符合预定分布. 利用实测数据对本文方法进行进一步验证,估计参数的统计分析结果符合预期分布,验证了该方法的有效性;仿真数据和实测数据分析结果同时还表明,该方法可适用于中等及强闪烁情况. 本文方法为利用长期历史数据建立闪烁预测模型提供了重要实现途径.

     

大尺度电离层相位起伏的初步分析

在导出了相位起伏的观测值与电脑层电子密度谱的关系式的基础上，通过经典谱分析指出：整个功率谱是和个高斯谱组成，其包络仍是幂律谱，平均谱指数为０．６３。     

基于最小熵星载合成孔径雷达电离层效应校正

分析了电离层闪烁效应对低频段星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)方位向分辨率的影响,并基于相位屏方法进行了仿真研究.结果表明,随着电离层闪烁强度的增强,方位向分辨率逐渐降低,当处于强闪烁条件下时,方位向分辨率严重降低,甚至无法成像.利用最小熵方法对加入电离层闪烁效应误差的一副相控阵L波段合成孔径雷达(Phased Array L-Band Synthetic Aperture Radar,PALSAR)图像进行了校正,仿真试验结果表明,最小熵方法可有效校正电离层闪烁效应造成的方位向分辨率恶化的影响,校正后图像方位向分辨率得到了很好的恢复,接近原始无误差图像方位向分辨率,图像质量明显提高.     

应用武汉电离层斜向返回探测系统测量回波相位

电离层作为时空随机变化介质,除了规则变化外还存在着不规则结构和随机变化,即电离层不稳定性,其直接影响是经过电离层传播的电波产生相位随机起伏.利用垂测仪和信标接收机测量精确相位数据的各种方法已被广泛应用,而应用具有大范围电离层探测能力的高频天波超视距雷达测量回波相位的方法还没有文献提出.文中提出了一种从相位编码脉冲压缩体制电离层探测雷达测量的电离层信道双时响应中提取相位数据的理论.此理论被成功地应用于自行研制的武汉电离层斜向返回探测系统中,探测获得了有效的回波相位数据.     

电离层闪烁模型中的不均匀体强度建模

不均匀体强度模型是电离层闪烁建模的重要组成部分.参考国外电离层闪烁建模的思路, 利用海口地区2003年至2008年的GPS闪烁观测数据建立了中国低纬地区电离层闪烁不均匀体强度模型, 并对模型精度进行了分析.利用2003年至2008年海口地区GPS闪烁数据进行的模型精度分析表明, 模型误差为无偏正态分布, 误差方差为0.44.利用2013年海口地区和广州地区GPS闪烁数据进行的模型精度分析表明, 模型误差基本保持无偏的正态分布特征, 误差方差为0.42.利用国外模型进行同样的精度分析, 其误差均值为0.33, 方差为0.99, 且为有偏分布.由此表明, 建立的闪烁强度模型在中国低纬地区具有良好的适用性.     

海南地区电离层闪烁监测及初步统计分析

介绍了中国在极区的电离层闪烁观测研究工作, 通过对Sodankylä和Tromsø两个观测站2004年3月至2008年9月期间的电离层闪烁观测数据的统计分析, 给出了太阳活动低年该地区电离层闪烁的变化特征:随着太阳活动程度的降低, 闪烁事件明显减少; 由于极区与低纬地区电离层闪烁产生机制不同, 极区闪烁形态主要表现为相位闪烁, 幅度闪烁很少; 极区闪烁不只是发生在地方时的晚上, 白天也会有闪烁出现; 并且, 极区闪烁对季节没有明显的依赖关系, 可发生在任何季节; 但是, 极区闪烁事件对地磁活动存在明显的响应.     

基于GNSS的武汉区域电离层TEC建模

为研究适用于区域电离层总电子含量(total electron content, TEC)建模的方法和估计策略,对传统单层假设下的几种建模方法和估计策略进行了比较分析. 基于我国中纬度武汉地区17个连续运行参考站的数据进行TEC建模,建模方法分别采用4×3阶多项式模型、2阶多项式模型、4阶球谐级数模型,估计策略使用分段常数估计策略和分段线性估计策略. 在传统单层假设的基础上,本文还提出了三层电离层TEC模型,该模型可以分别给出底部电离层、峰高电离层和顶部电离层的TEC. 研究结果表明,几种模型的天顶方向总电子含量拟合效果和欧洲轨道确定中心公布的电离层格网地图均具有较好的一致性,其中4阶球谐级数模型和分段线性估计策略效果最佳. 通过三层电离层模型,可以得到TEC与电离层高度之间的关系,多层电离层模型对空间目标监视和低轨卫星航天测控具有重要应用价值.     

昆明站电离层闪烁形态与海口站的对比分析

对昆明站和海口站2004年1～12月的GPS电离层闪烁形态进行了对比分析.结果表明,昆明站的闪烁频率和强度均弱于海口站,其闪烁发生的时间比海口站晚大约一小时,昆明站将近90%的闪烁事件发生在观测站以南,仅个别事件发生在北向,而海口站闪烁事件发生在南向的不到70%.这充分体现了昆明站的地域特性及赤道异常区电离层不规则结构发展特性.     

极区电离层闪烁特征初步分析

介绍了中国在极区的电离层闪烁观测研究工作,通过对Sodankyl(a)和Tromsφ两个观测站2004年3月至2008年9月期间的电离层闪烁观测数据的统计分析,给出了太阳活动低年该地区电离层闪烁的变化特征:随着太阳活动程度的降低,闪烁事件明显减少;由于极区与低纬地区电离层闪烁产生机制不同,极区闪烁形态主要表现为相位闪烁,幅度闪烁很少;极区闪烁不只是发生在地方时的晚上,白天也会有闪烁出现;并且,极区闪烁对季节没有明显的依赖关系,可发生在任何季节;但是,极区闪烁事件对地磁活动存在明显的响应.     

太阳活动对赤道电离层闪烁影响的初步研究

利用赤道地区瓦尼莫(Vanimo)站太阳活动高年到低年(2000-2009) L波段电离层闪烁数据,分析了闪烁随太阳活动从高年到低年的形态特征,统计研究了太阳黑子数与闪烁发生率相关性,并初步探讨了太阳活动影响闪烁的机制。统计研究结果表明:太阳活动中、高年期间,闪烁发生率有明显的季节、月、地方时变化规律;低年闪烁表现平静,以弱闪烁为主,且无明显规律;太阳黑子对闪烁发生率表现出一定调制作用,随着黑子数从高年到低年的减少,闪烁发生率呈下降趋势,中、强闪烁表现的更为突出。说明太阳活动对中、强闪烁的影响比弱闪烁更明显,但其影响机制仍须大量统计分析和理论研究的进一步揭示。     

基于强扰动理论的蜂窝结构等效电磁模型研究

提出了一种基于强扰动理论的宽频带内蜂窝结构的等效电磁模型.在雷达工作频段2～18 GHz范围内,通过传输反射法提取了蜂窝结构的等效电磁参数,进而对基于强扰动理论的等效模型进行了修正,建立了宽频带内蜂窝结构的等效电磁模型,并在不同情况下详细分析了等效模型的准确性.仿真结果表明：在蜂窝孔径较小时,所提出的等效模型能够较为准确地预测蜂窝结构的等效电磁参数,对于较大的蜂窝孔径,等效模型依然能够准确预测频率较低时的等效电磁参数,而随着频率的升高,蜂窝结构等效电磁参数随频率的变化趋势较低频时发生改变,需要进一步修正强扰动理论中的相关项部分.     

电离层闪烁对跟踪测量的影响分析及规避策略

针对某南方卫星测控站测控信号频繁被干扰的情况展开研究。首先介绍国内外对电离层闪烁原理及监视预警方面的研究成果,然后分析电离层闪烁的时空效应原理,通过计算对比电离层强闪烁监测预报数据和卫星测控站的实时观测数据,发现电离层闪烁与卫星测控站跟踪测量信号的幅度、相位抖动以及接收机失锁之间的相关性,最后提出相应的规避策略,期望为后续测控设备的电离层闪烁防护预警研究提供一定的借鉴和参考。     

磁扰和磁静期间南极McMurdo地区电离层闪烁统计特征的对比分析

利用南极McMurdo站（地理经纬度（166.73°E,77.88°S）,地磁纬度80°S）2011-2014年电离层闪烁观测数据,对比分析了磁扰和磁静期间电离层闪烁发生率的周日分布、季节分布,以及随太阳活动变化的统计特征.结果表明:磁扰和磁静期间电离层闪烁的周日分布均在磁中午附近和磁子夜后出现峰值,而磁扰期的闪烁发生率显著高于磁静期,并且闪烁发生范围向低纬和高纬方向扩展;春秋季电离层闪烁发生率明显高于夏冬季,每年的2、3月份和9、10月份高发,冬季6月份发生率最低;磁扰期的季节性特征比磁静期更为明显,且闪烁发生范围、发生频率均明显大于磁静期;太阳活动对电离层闪烁的影响十分显著,随着太阳活动的增强,闪烁发生的范围和发生频率均明显增大.该研究结果有助于了解极区电离层闪烁的整体分布情况,将为极区电离层闪烁建模以及闪烁预报提供支持,对极区通信、导航定位等有着重要的应用价值.     

加热电离层生成不均匀体的理论及模拟研究

针对均匀和平面分层电离层背景,分别建立了描述大功率高频(HF)泵波加热电离层产生不均匀体的物理模型,从理论上解释了加热过程中不均匀体的生成主要是有质动力和热压力共同作用的结果.基于均匀电离层背景下加热电离层生成不均匀体的理论,通过数值模拟得到了加热导致电子密度不均匀体的空间分布.模拟结果表明,电子密度扰动在泵场方向上的特征长度为1km量级,在垂直于泵波电场方向上的特征长度为10～20m;这与电离层加热实验观测到的不均匀体纵向特征长度一般为千米量级、横向特征长度一般为10m量级的结论是相符的.另外,数值模拟得到的电子密度"空洞"和"稠团"的交替分布,可以解释加热过程产生的无线电波自聚焦效应.