[发明专利]一种基于多频段多星座卫星信号的电离层层析成像测量仪及其观测方法

权利要求书

1.一种基于多频段多星座卫星信号的电离层层析成像测量仪，其特征在于：包括数据综合处理单元、与数据综合处理单元电连接的低轨卫星信标电离层测量部件、GNSS卫星信号电离层测量部件、数据存储单元、电源单元和数据显控单元；

所述数据综合处理单元包括三维时变多尺度电离层电子密度层析成像单元和多频段宽尺度电离层不均匀体结构参数反演单元；

所述低轨卫星信标电离层测量部件包括VHF、UHF、L多频段天线、低轨卫星信号射频模块、低轨卫星信号中频处理模块、低轨卫星电离层数据处理模块；

所述GNSS卫星信号电离层测量部件包括GNSS天线、GNSS卫星信号接收测量模块、TEC和闪烁指数计算模块；

三维时变多尺度电离层电子密度层析成像单元包括低轨卫星信标和中高轨GNSS数据融合处理模块、三维时变层析成像映射矩阵构建模块和多分辨率电离层层析反演模块；

低轨卫星信标和中高轨GNSS数据融合处理模块对低轨卫星信标和中高轨GNSS卫星信号接收得到的数据进行融合处理，将TEC积分变换成矩阵形式，基于电离层总电子含量的离散化表征方法，将中高轨GNSS卫星和低轨卫星信标的观测数据融合生成投影矩阵，从而获得局域高密度的投影数据；

三维时变层析成像映射矩阵构建模块采用变换技术，选择适当的映射矩阵，将电离层电子密度的时空分布离散化；映射矩阵的构造方法就是由经典或物理模型构成的正交基函数，借助在水平和垂直方向上构造映射矩阵，转换成多维基函数的线性组合；

多分辨率电离层层析反演模块根据反演区域可用的投影数据的数量和分布灵活给出层析结构的尺度，投影数据密度大则重构中小尺度的电离层结构，数据稀疏则反演重构大尺度的电离层电子密度分布图，第一级反演结果尺度最大，第二级则在第一级的结果上再次反演，以此逐级类推，使得电离层层析结构的尺度逐级递减，图像逐级精细；

多频段宽尺度电离层不均匀体结构参数反演单元包括基于电离层特征参量时空变化的大尺度电离层扰动重构模块和基于闪烁信号功率谱分析的小尺度电离层不均匀体参数反演模块；

基于电离层特征参量时空变化的大尺度电离层扰动重构模块基于测量仪提取的电离层TEC和闪烁指数数据，在时间和空间上进行差分计算，得到电离层ROTI和TEC的水平梯度电离层扰动参量，重现电离层大尺度扰动结构强度和空间分布随时间的演化；大尺度电离层扰动重构模块同时利用地面接收台链、网协同观测，提取电离层大尺度行进式扰动LS-TID信息，包括幅度、周期和水平相速度参量；

基于闪烁信号功率谱分析的小尺度电离层不均匀体参数反演模块基于同一时刻不同卫星的电离层闪烁观测信息，结合电离层不均匀体经验模型的参数信息，反演获得电离层不均匀体谱指数、漂移速度和不均匀体强度参数。

2.根据权利要求1所述基于多频段多星座卫星信号的电离层层析成像测量仪，其特征在于：VHF、UHF、L多频段天线三个波段都采用有源正交馈电的正交偶极子天线，极化方式为圆极化，包括滤波器、合路器、低噪放和电源模块，天线阵子接收的射频信号经各频段滤波器和低噪放后，进入合路器，经合路器合成后输出。

3.根据权利要求1所述基于多频段多星座卫星信号的电离层层析成像测量仪，其特征在于：低轨卫星信号射频模块包括接收通道、频综部分和控制电路，把天线输出的四频段信号转换为1.7MHz的中频信号，其中，接收通道完成下变频；频综部分为各个通道提供本振信号，同时为中频处理模块提供参考时钟信号；控制电路负责与中频处理模块通信，接收中频处理模块发送过来的控制命令，然后完成各项控制功能。

4.根据权利要求1所述基于多频段多星座卫星信号的电离层层析成像测量仪，其特征在于：低轨卫星信号中频处理模块包括信号调理电路和FPGA芯片，中频处理模块首先对三个通道的中频信号进行调理，然后通过AD芯片把中频信号转换为数值信号，数字中频信号输入到FPGA芯片进行滤波和同步，然后输出到DSP芯片进一步完成信号的捕获处理，同时中频处理模块控制射频模块完成各项控制功能。

5.根据权利要求1所述基于多频段多星座卫星信号的电离层层析成像测量仪，其特征在于：低轨卫星电离层数据处理模块通过获取中频处理模块50Hz的采样率实时输出三个频段信号的信号强度和相位，获取低轨卫星信标的电离层总电子含量TEC。