[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

说明书

本发明公开了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，该测量仪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。本发明所公开基于多频段多星座卫星信号的电离层层析成像测量仪，将中高轨和低轨卫星信号测量相结合，提高了电离层电子密度的测量精度；将多种GNSS卫星导航系统相结合，扩展了卫星观测路径，给出更为精确的TEC分布；将多频段卫星信号相结合，实现了多频段宽尺度电离层闪烁和不均匀体参量的综合测量。

技术领域

本发明属于电离层探测技术领域，特别涉及该领域中的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。

背景技术

准确探测电离层变化对优化短波通信、卫星通信、卫星导航、测控监视等诸多无线电信息系统具有重要支撑作用。在诸多电离层的特征参量中，电离层电子密度是其中最为关键的探测参数，探测并获取其时空变化对卫星通信、卫星导航、空间天气等领域具有重要的理论意义和应用价值。传统的电离层电子密度探测主要依赖数字测高仪、斜向探测仪等有源探测手段，存在电磁环境污染、占地面积大、维护成本高等不足。

随着卫星技术的发展，基于卫星信号已成为电离层探测技术领域的一个重要的发展方向。为了获得电离层电子密度时空分布的精细结构，美国伊利诺大学的Austen等人在1986年革命性提出了电离层层析成像(Computerized Tomography，CT)的思想，即通过卫星发射信标信号结合地面台链接收的方式实现对电离层电子密度的快速精确成像，该技术目前已在国际上获得了广泛的关注和应用。

目前，电离层被动式无源探测主要依赖GPS卫星信号以实现对电离层的大范围、连续测量。但是由于GPS卫星轨道高、一次过顶三至四小时以上，不满足电离层静态假设条件，难以实现电离层电子密度高精度层析测量；且GPS卫星仅为L频段信号，测量频段相对较高，在测量电离层闪烁和不均匀体时存在较大的局限性。

随着大量导航卫星、通信卫星、科学探测卫星的在轨运行，利用卫星信号被动测量电离层成为一种趋势和潮流，而融合不同高度、不同频段卫星测量，实现大范围、长期连续、高精度电离层测量的设备正成为未来发展的方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种能够同时接收低轨LEO卫星和多星座中高轨MEO、GEO卫星VHF、UHF和L频段卫星信号的电离层层析成像测量仪及其观测方法。

本发明采用如下技术方案：

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，其改进之处在于：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。

进一步的，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；