基于数据仿真验证三频信标TEC反演精度的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于数据仿真验证三频信标TEC反演精度的方法及系统，属于TEC测量技术领域，包括：(1)利用站星距与电离层背景信息仿真三种频率信号的多普勒频移；(2)利用高斯分布仿真相位观测噪音；(3)基于多普勒频移与相位观测噪音获取仿真的三种频率信号的差分多普勒相移；(4)基于仿真的三种频率信号的差分多普勒相移数据反演电离层TEC。本发明专利技术主要基于仿真技术来实现对电波在电离层中传播引起的多普勒频移的模拟，来实现利用三频信标技术反演高精度电离层TEC；通过仿真验证证明了三频信标反演高精度TEC的精度与可行性，对于中国地震局电磁试验卫星随后的工作具有重要指导意义。指导意义。指导意义。

【技术实现步骤摘要】
基于数据仿真验证三频信标TEC反演精度的方法及系统


[0001]本专利技术涉及TEC测量
，特别是涉及一种基于数据仿真验证三频信标TEC反演精度的方法及系统。

技术介绍

[0002]三频信标技术是一种新型的TEC测量技术，该技术是通过安装在低轨卫星上的三频信标发射机，向位于地面监测站的接收设备发射一组相位相干的无线电信号(VHF、UHF和L频段)，来获得大范围和高精度的电离层电子总含量、电子密度剖面等参数信息的一种新型高效的空间环境测量技术。
[0003]2018年，中国地震局成功发射了我国第一颗电磁试验卫星ZH
‑
1号。ZH
‑
1号上搭载有高精度磁强计，GNSS掩星接收机，三频信标发射机的等载荷，开启了我国自主探测空间地球物理场和各类电磁扰动信号的先河
[1]。自1964年阿拉斯加大地震有学者首次发现地震可以引起显著的电离层扰动起
[2]，地震可以引发电离层扰动已经成为共识。近些年出现了许多获取高分辨率电离层参数的方法：掩星反演方法
[3]，三频信标时延法
[4]，三频信标多普勒频移法
[5]等。
[0004]TEC可以反应电离层的主要特性，并且与在电离层中传播的无线电电波的时间延迟与相位延迟密切相关。因此电离层TEC信息可以广泛应用于导航定位及通信的电波信号修正等领域，同时我们也可以根据电波传播的时间延迟与相位延迟来反演电离层TEC。
[0005]三频信标技术是一种可以利用三种频率电波信号的传播频移反演得到高精度TEC的新兴技术。Austen等(1988)最早进行电离层层析成像技术(CIT)的研究，此后CIT技术成为卫星信标和地面接收站配套使用的探测手段
[1]。双频信标技术是指通过计算两个频率的差分时延或者多普勒频移，从而得出链路上的电子总含量(TEC)。采用三频信标技术时，同样的方法可以得出链路上的TEC，并且可以得到三组值。经相关的数学处理能够提高TEC的精度及可靠性。美国海军实验室的Bernhardt
[6]等人在灵活运用数论知识的基础上，进行了严格的数学推导，得出了TEC的算法。该算法一方面较大幅度提高了相位积分常数确定的精度，另一方面也使得相位积分常数的求解难度大大降低，对于三频信标技术的发展有着重大意义。美国首先将这一创新成果应用于军事和气象学的研究当中。2006年成功发射的COSMIC卫星上就搭载了三频信标发射机TBB，该项目与我国台湾地区合作建立了低纬电离层探测链，对低纬地区的电离层形态和扰动进行研究，可以有效监测地震高发区域的电离层结构变化
[7]。为此，中国地震局也进行了自己的星基电离层探测计划，2018年发射升空的张衡一号电磁试验卫星上也搭载有由中国电科22所研制的三频信标发射机。
[0006]但是由于一定的技术原因，该发射机未能正常工作。因此，如何基于我国目前的现状提出一种基于数据仿真验证三频信标TEC反演精度的方法，对于中国地震局电磁试验卫星随后的工作具有重要的指导意义。
[0007]相关文献如下：
[0008][1]张学民,申旭辉,赵庶凡,刘静,欧阳新艳,娄文宇,泽仁志玛,何建辉,钱庚.地
震电离层探测技术及其应用研究进展[J].地震学报,2016,38(03):356
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375.
[0009][2]Leonard R S,Barnes Jr R A.Observation of ionospheric disturbances following the Alaska earthquake[J].Journal of Geophysical Research,1965,70(5):1250
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[0010][3]林剑,吴云,刘经南.电离层GPS掩星反演技术研究[J].地球物理学报,2009,52(08):1947
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1953.
[0011][4]吴健.用三频卫星信标测量电离层天气新方法[J].中国科学A辑,2000,30(Z1):111
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114.DOI:10.3321/j.issn:1006
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[0012][5]赵海生,许正文,吴健,王占阁,刘琨,李娜,陈金松.三频信标高精度TEC测量新方法[J].空间科学学报,2011,31(02):201
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based systems for ionospheric tomography and scintillation region imaging[J].Paul A.Bernhardt；Carl L.Siefring,2006,41(5).
[0014][7]赵海生.三频信标电离层扰动探测及层析成像关键技术研究[D].杭州电子科技大学2010.

技术实现思路

[0015]本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于数据仿真验证三频信标TEC反演精度的方法，使其能为三频信标TEC反演精度提供一种有效的验证方法，证明三频信标反演高精度TEC的精度与可行性。
[0016]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0017]一种基于数据仿真验证三频信标TEC反演精度的方法，包括：
[0018](1)利用站星距与电离层背景信息仿真三种频率信号的多普勒频移；
[0019](2)利用高斯分布仿真相位观测噪音；
[0020](3)基于多普勒频移与相位观测噪音获取仿真的三种频率信号的差分多普勒相移；
[0021](4)基于仿真的三种频率信号的差分多普勒相移数据反演电离层TEC。
[0022]作为本专利技术进一步地改进，所述步骤(1)为：
[0023]利用已知的历元实时卫星坐标，测站坐标，得到历元站星距；然后利用站星距与IRI模型电离层背景信息仿真三种频率信号的多普勒频移；
[0024]相邻历元两信号链路之间的多普勒频移：
[0025][0026]其中，Δf为多普勒频移，右式第一项是卫星运动引起的多普勒频移，第二项是电离层引起的多普勒频移；第一项与信号频率f成正比，第二项与之成反比，利用差分消除第一项的影响；对相邻链路的距离s做差，得到Δs，以时间间隔1s作为时间增量Δt，则：
[0027][0028]同样的：
[0029][0030]分别得到三种频率信号的多普勒频移。
[0031]进一步地，所述步骤(2)为：
[0032]分别以1
°
，3
°
，6
°
的高斯分布的相位误差加入仿真的信号相位，模拟信号的接收误差；以实现利用高斯分布仿真相位观测噪音。
[0033]进一步地，所述步骤(3)为：
[0034]由多普本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数据仿真验证三频信标TEC反演精度的方法，其特征在于，包括：(1)利用站星距与电离层背景信息仿真三种频率信号的多普勒频移；(2)利用高斯分布仿真相位观测噪音；(3)基于多普勒频移与相位观测噪音获取仿真的三种频率信号的差分多普勒相移；(4)基于仿真的三种频率信号的差分多普勒相移数据反演电离层TEC。2.根据权利要求1所述的基于数据仿真验证三频信标TEC反演精度的方法，其特征在于，所述步骤(1)为：利用已知的历元实时卫星坐标，测站坐标，得到历元站星距；然后利用站星距与IRI模型电离层背景信息仿真三种频率信号的多普勒频移；相邻历元两信号链路之间的多普勒频移：其中，Δf为多普勒频移，右式第一项是卫星运动引起的多普勒频移，第二项是电离层引起的多普勒频移；第一项与信号频率f成正比，第二项与之成反比，利用差分消除第一项的影响；对相邻链路的距离s做差，得到Δs，以时间间隔1s作为时间增量Δt，则：同样的：分别得到三种频率信号的多普勒频移。3.根据权利要求1或2所述的基于数据仿真验证三频信标TEC反演精度的方法，其特征在于，所述步骤(2)为：分别以1
°
，3
°
，6
°
的高斯分布的相位误差加入仿真的信号相位，模拟信号的接收误差；以实现利用高斯分布仿真相位观测噪音。4.根据权利要求3所述的基于数据仿真验证三频信标TEC反演精度的方法，其特征在于，所述步骤(3)为：由多普勒频移和信号初始波长λ可以计算信号的波长变化量Δλ：基于站星距、波长变化量以及相位误差，可获...

【专利技术属性】
技术研发人员：林剑，
申请(专利权)人：应急管理部国家自然灾害防治研究院，
类型：发明
国别省市：