本實(shí)用新型屬于衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)控領(lǐng)域，涉及基于輔助天線消除太陽射電爆發(fā)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)干擾的系統(tǒng)，適用于預(yù)警太陽射電爆發(fā)干擾導(dǎo)航通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

太陽是距離地球最近的恒星，在傳遞給地球光和熱的同時(shí)，其活動(dòng)也在各個(gè)方面影響著人類的生產(chǎn)、生活，以及人類依存度越來越高的技術(shù)體系。

人類目前主要依賴無線電波來進(jìn)行星地-空通信，頻率范圍從數(shù)MHz直至數(shù)十GHz。國(guó)際上廣泛使用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GPS、GLONASS、北斗等)，通過多顆衛(wèi)星為地面設(shè)備提供定位、授時(shí)等服務(wù)，在軍事、科考、海洋油氣田鉆探等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射功率一般只有十幾瓦到幾十瓦左右，所使用的頻段，一般在L和S頻段。當(dāng)導(dǎo)航電波到達(dá)地面時(shí)，接收到的信號(hào)功率大約只有-130dBm左右，其強(qiáng)度非常微弱，因此，地面上的接收信號(hào)很容易受到周圍環(huán)境的干擾。排除人為的蓄意干擾外，自然界中導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的主要干擾源有兩種，一種是當(dāng)GPS信號(hào)穿過電離層時(shí)，電離層中的小尺度不規(guī)則體引起無線電波的散射，造成導(dǎo)航信號(hào)強(qiáng)度和相位快速的無規(guī)則起伏和波動(dòng)，這種現(xiàn)象稱之為電離層閃爍；另一種是來自太陽射電的直接干擾。太陽射電暴期間，太陽射電輻射(無線電)會(huì)突然大幅度增加，如果爆發(fā)的頻段覆蓋了導(dǎo)航信號(hào)的頻率，就會(huì)對(duì)GPS造成不同程度的射電干擾，主要表現(xiàn)為信噪比下降。觀測(cè)表明，強(qiáng)太陽射電爆發(fā)能顯著干擾導(dǎo)航電波的接收，嚴(yán)重時(shí)能造成接收機(jī)失鎖、甚至完全中斷，使得應(yīng)用系統(tǒng)失去導(dǎo)航、定位、授時(shí)等基本功能。因此，包括美國(guó)GPS和我國(guó)北斗系統(tǒng)在內(nèi)的太陽射電噪聲干擾問題一直是影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的重要影響因素。

太陽射電爆發(fā)的輻射強(qiáng)度會(huì)達(dá)到寧靜時(shí)(約100S.F.U.，1S.F.U.＝10^-22w/Hz m²)的數(shù)十倍，甚至數(shù)千倍。以2012年3月5日的爆發(fā)為例，在1.0和2.0GHz頻點(diǎn)的輻射強(qiáng)度分別達(dá)到501812和18958S.F.U.(如下圖2)

射電暴影響GPS的流量最小閾值一般認(rèn)為在4000S.F.U.左右，2006年12月太陽日面爆發(fā)了一系列事件，其中在12月日和13日有兩次較強(qiáng)的L波段太陽射電爆發(fā)。圖3-4是L1、L2兩個(gè)GPS通信頻點(diǎn)的太陽射電流量、載噪比變化、單站所能收到的GPS衛(wèi)星數(shù)量以及全球地面站失鎖和定位誤差等情況，發(fā)現(xiàn)兩頻點(diǎn)射電流量的變化與載噪比呈很好的正相關(guān)性。

利用已有觀測(cè)頻點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不同頻率點(diǎn)太陽活動(dòng)的流量異常與GPS信號(hào)失鎖時(shí)間的關(guān)系，不難發(fā)現(xiàn)在1415MHz頻率上的太陽射電流量異常與GPS導(dǎo)航信號(hào)失鎖關(guān)聯(lián)性最大，這與GPS工作頻段有密切關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。

圖6明顯看出，此次射電暴期間，我國(guó)的昆明、臺(tái)灣、武漢、北京等GPS臺(tái)站發(fā)生明顯失鎖現(xiàn)象，而且多個(gè)臺(tái)站、多顆GPS衛(wèi)星信號(hào)完全中斷長(zhǎng)達(dá)6分鐘，射電暴期間，多個(gè)臺(tái)站鎖定的衛(wèi)星數(shù)目小于4顆，使得GPS實(shí)時(shí)定位服務(wù)完全失效

我們對(duì)日本野邊山射電望遠(yuǎn)鏡(Nobeyama Radio Polarimeters)在23周峰年(2000-2005)極大期6年間觀測(cè)到的太陽射電爆發(fā)進(jìn)行過粗略統(tǒng)計(jì)。在觀測(cè)到456個(gè)爆發(fā)中，流量高于1000S.F.U.的有75個(gè)，在低頻段(1.0、2.0和3.75GHz)流量高于1000S.F.U.的共計(jì)37個(gè)。考慮到NORP每天觀測(cè)9小時(shí)，如按24小時(shí)計(jì)算，在峰年極大期間，年均發(fā)生可能影響GPS的爆發(fā)的數(shù)量大約是16個(gè)。這不論從強(qiáng)度和頻度來看，都是相當(dāng)可觀的，可見太陽射電爆發(fā)是衛(wèi)星導(dǎo)航通信必然的影響因素之一。

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BDS)是中國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，建成后的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)將可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)并兼具短報(bào)文通信能力。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的建立，將大大促進(jìn)我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，形成完善的國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行業(yè)的廣泛應(yīng)用。同時(shí)，打破我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用在軍事領(lǐng)域?qū)?guó)外的依賴和束縛，促進(jìn)軍事能力的發(fā)展具有重要的意義?；诒倍废到y(tǒng)的應(yīng)用是以北斗的穩(wěn)定、可靠為前提的，其中空間環(huán)境的影響因素不能忽略。與太陽高能粒子輻射的影響不同，太陽射電暴主要影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的傳播段，太陽射電爆發(fā)以強(qiáng)噪聲信號(hào)形式光速傳播，在強(qiáng)耀斑爆發(fā)后約八分鐘到達(dá)衛(wèi)星軌道瞬間在通信鏈路上造成噪聲增強(qiáng)，大大提前于太陽高能粒子的到達(dá)時(shí)間。

天線輻射方向圖(radiation pattern)是描述天線方向性能的函數(shù)，它代表天線輻射特性(場(chǎng)強(qiáng)振幅、相位、極化)與空間角度之間的關(guān)系，并以圖形的方式直觀的表達(dá)出來；從輻射方向圖中能夠快速獲得天線的主要參數(shù)，包括：主瓣寬度，旁瓣電平，方向系數(shù)等。

黃文耿等人在通過統(tǒng)計(jì)國(guó)外內(nèi)的GPS站的情況發(fā)現(xiàn)，2006年12月13日事件中，對(duì)以下幾個(gè)IGS(International GPS Service)標(biāo)準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析：澳大利亞NIUE臺(tái)站(地理坐標(biāo)為：19.1°S 169.9°E)中國(guó)境內(nèi)的HAIN站(地理坐標(biāo)為：19.4°N，109.1°E)、GUAZ站(地理坐標(biāo)為：23.1°N，108.3°E)的閃爍指數(shù)S₄進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)；此次事件持續(xù)時(shí)間段為UTC時(shí)間：02:14-02:57，最強(qiáng)流量時(shí)刻發(fā)生在02:40，當(dāng)時(shí)的太陽高度角，NIUE臺(tái)站應(yīng)高于GUAZ站4°以上(同時(shí)考慮到此時(shí)太陽處于南回歸線附近)，根據(jù)GPS地面站天線結(jié)構(gòu)，主瓣應(yīng)該是指向正上方天空，所以同樣的太陽射電爆發(fā)功率GUAZ地面站較之于NIUE地面站的入射功率受到天線方向圖的作用，而更小。

為此在考察的幾個(gè)地面站中NIUE臺(tái)站的閃爍指數(shù)到達(dá)了強(qiáng)閃爍級(jí)別(S4>0.6)，而HAIN站的閃爍指數(shù)只是在中等閃爍級(jí)別；為此文章得到結(jié)論：日下點(diǎn)附近的GPS站收到太陽射電爆發(fā)的影響要比遠(yuǎn)日點(diǎn)大。這就是天線方向圖造成。

目前，針對(duì)衛(wèi)星地面站受到該類干擾暫時(shí)只有預(yù)警、事后分析、標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)無效等方案，如果能夠在地面站系統(tǒng)中加入信號(hào)處理單元，可以減少該種干擾的影響，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型目的是提供一種基于輔助天線消除太陽射電爆發(fā)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)干擾的系統(tǒng)，主要適用于L波段太陽射電劇烈爆發(fā)干擾導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的消除；該系統(tǒng)建立的重要意義在于：可以在不改變?cè)孛嬲鞠到y(tǒng)接收機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下，只需增加若干輔助設(shè)備即可快速消除太陽強(qiáng)射電爆發(fā)這一隱性的潛在干擾源。

本實(shí)用新型基于輔助天線消除太陽射電爆發(fā)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)干擾的系統(tǒng)包括地面站主天線、輔助天線系統(tǒng)、3個(gè)以上濾波器、3個(gè)以上可控移相器、合路器、計(jì)算機(jī)，地面站主天線、輔助天線系統(tǒng)分別通過濾波器與可控移相器連接，3個(gè)以上可控移相器的輸出端與合路器的輸入端連接，合路器與計(jì)算機(jī)連接。

其中，所述輔助天線系統(tǒng)由兩架以上天線構(gòu)成，各天線的輸出端分別與相應(yīng)的可控移相器輸入端相連；地面站主天線負(fù)責(zé)對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收；計(jì)算機(jī)通過控制線輸出對(duì)可控移相器進(jìn)行控制達(dá)到數(shù)控相移的目的，同時(shí)在計(jì)算機(jī)中通過計(jì)算獲取目前太陽位置，計(jì)算出相移控制因子的數(shù)值。

控制方案在于：通過地面站主天線、輔助天線系統(tǒng)構(gòu)建天線陣，同時(shí)通過對(duì)各天線信號(hào)的加權(quán)形成針對(duì)太陽為“零點(diǎn)”的天線陣方向圖，根據(jù)天線陣加權(quán)原理，在太陽射電源的來波方向就形成一個(gè)陷波點(diǎn)，削弱了太陽射電爆發(fā)信號(hào)的影響，同時(shí)由于空中導(dǎo)航衛(wèi)星分布較為均勻，則將其主天線波束對(duì)準(zhǔn)其余未受影響的空域。

天線陣指向原理

假設(shè)一個(gè)由N個(gè)相同陣元構(gòu)成的線性天線列陣，陣元間距為d(通常以波長(zhǎng)作為單位來度量)。令第一個(gè)陣元作為整個(gè)陣列的相位參考點(diǎn)，根據(jù)幾何關(guān)系。針對(duì)來波方向?yàn)棣?且符合遠(yuǎn)場(chǎng)條件)的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)(見圖7)：

該距離差所產(chǎn)生的N、N+1天線接收信號(hào)的相位差為：

或其中，λ為射電信號(hào)波長(zhǎng)，f頻率，c為光速；

對(duì)于一個(gè)處于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)觀測(cè)點(diǎn)的輻射電場(chǎng)強(qiáng)度隨入射角正弦值sinθ(假設(shè)各陣各向同性)的變化為：

其中k＝2π/λ，λ為工作波長(zhǎng)。

根據(jù)等差數(shù)列求和公式：

陣列天線場(chǎng)強(qiáng)的方向圖為:

根據(jù)三角函數(shù)性質(zhì)|E(sinθ)|的最大值，發(fā)生于θ＝0°時(shí)：

則N個(gè)陣元直線列陣的歸一化方向圖為：

歸一化列陣的輻射方向圖由下式給出：

通過每個(gè)陣元通過調(diào)節(jié)與之相鄰的陣元相位差kdsinθ₀來實(shí)現(xiàn)：

根據(jù)L’Hopital法則，當(dāng)分子、分母均為0時(shí)，天線陣增益為最大值即輻射方向圖中主瓣和旁瓣波束方向所在，此時(shí)滿足：

解得，這些方向在：

根據(jù)天線陣波束合成原理：天線陣的方向圖等于單個(gè)陣元方向圖乘以陣因子(見圖8)，為此只要在正在陣因子中設(shè)置好零點(diǎn)位置，則天線陣的方向圖中必定會(huì)有此零點(diǎn)，利用天線陣方向圖中設(shè)計(jì)零點(diǎn)，就可以做到消除某個(gè)特定方向無線電干擾的目的。

如果劇烈太陽射電爆發(fā)信號(hào)從上述這些方向進(jìn)入接收系統(tǒng)，則天線增益較之于其他角度高，根據(jù)影響公式：

其中P_SRB為太陽爆發(fā)信號(hào)功率，但如果其從g(θ)＝0時(shí)，該影響是最小的；即天線陣的輻射方向圖的零點(diǎn)角度，令：

即：

n＝1,2,...且n≠N,2N

求解得到多個(gè)零點(diǎn)方向角為：

n＝1,2,...且n≠N,2N

為此從上述推導(dǎo)可以得出：在劇烈太陽射電爆發(fā)時(shí)，如果主天線和輔助天線之間進(jìn)行有效的加權(quán)，則將零點(diǎn)“對(duì)準(zhǔn)太陽”，即太陽射電爆發(fā)信號(hào)入射角方向的天線陣增益為：g(θ)為較大負(fù)值時(shí)，則根據(jù)影響公式中的P_SRB被g(θ)增益揚(yáng)中衰減，則上式中：

受到太陽射電爆發(fā)的影響最小。

但是，作為干擾源的太陽，其一直在運(yùn)動(dòng)，固定天線陣很難在準(zhǔn)確的時(shí)間正好將“零點(diǎn)”對(duì)準(zhǔn)正在射電爆發(fā)的太陽，為此需要對(duì)

式進(jìn)行加權(quán)，有效的調(diào)整零點(diǎn)位置，即：

其中，f(θ)＝kdsinθ，w_n為加權(quán)參數(shù)。

如果天線陣中有來自1-i方向的無線電干擾需要抑制，且i<N時(shí),可以得到一組方程組：

轉(zhuǎn)化為矩陣形式為：

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：可以在不改變?cè)孛嬲鞠到y(tǒng)接收機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下，只需增加若干輔助設(shè)備即可快速消除太陽強(qiáng)射電爆發(fā)這一隱性的潛在干擾源；采用增加輔助天線系統(tǒng)的方案，可以在合成方向圖上形成一個(gè)零點(diǎn)，通過將該零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)構(gòu)建太陽方向，為此太陽射電爆發(fā)信號(hào)將由于該零點(diǎn)的作用而大大衰減，進(jìn)而減小爆發(fā)信號(hào)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的影響。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為2012年3月5日L波段太陽強(qiáng)射電爆發(fā)圖；其中圖A、B為太陽射電爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的左右兩個(gè)旋向信號(hào)；

圖3為2006年12月6日ZHU-WAAS GPS地面站L1頻點(diǎn)載噪比下降及可見星數(shù)隨太陽活動(dòng)變化情況，左圖為載噪比下降，右圖為可見星數(shù)隨太陽活動(dòng)變化；

圖4為2006年12月6日太陽射電活動(dòng)全球GPS測(cè)地站失鎖情況和定位誤差，A圖為失鎖情況，B圖為定位誤差；

圖5為不同頻率太陽射電活動(dòng)與導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)失鎖之間的關(guān)聯(lián)性；

圖6為2006年12月13日射電暴期間，我國(guó)境內(nèi)和澳大利亞部分GPS臺(tái)站鎖定衛(wèi)星數(shù)隨時(shí)間的變化，A圖為中國(guó)，B圖為澳大利亞。

圖7為天線陣指向一個(gè)入射角度為θ的射電源示意圖；

圖8為天線陣元方向圖(黑線)、陣元因子(綠線)和天線陣方向圖(藍(lán)線)的關(guān)系；

圖9為30°方向上進(jìn)行抑制，70°和-60°上固定增益陣元因子圖；

圖10為30°方向上進(jìn)行抑制，70°和-60°上固定增益陣元因子圖；

圖11為30°方向上進(jìn)行抑制，70°和-60°上固定增益陣元因子圖；

圖中：1-地面站主天線，2-輔助天線；3-濾波器；4-可控移相器；5-合路器；6-計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面通過附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型保護(hù)范圍不局限于所述內(nèi)容，如無特殊說明的均為常規(guī)設(shè)備及按常規(guī)方法實(shí)施和控制。

如圖1所示，基于輔助天線消除太陽射電爆發(fā)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)干擾的系統(tǒng)包括地面站主天線1、輔助天線系統(tǒng)、3個(gè)濾波器3、3個(gè)可控移相器4、合路器5、計(jì)算機(jī)6，地面站主天線、輔助天線系統(tǒng)分別通過濾波器與可控移相器連接，3個(gè)可控移相器的輸出端與合路器的輸入端連接，合路器與計(jì)算機(jī)連接，地面站主天線負(fù)責(zé)對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收，輔助天線系統(tǒng)由2架輔助天線2構(gòu)成，各天線的輸出端分別與相應(yīng)的可控移相器輸入端相連；可控移相器的輸出端與合路器的輸入端相連。

在算法方面，通過主輔天線構(gòu)建天線陣，同時(shí)通過對(duì)各天線信號(hào)的加權(quán)形成針對(duì)太陽為“零點(diǎn)”的天線陣方向圖，根據(jù)天線陣加權(quán)原理，在太陽射電源的來波方向就形成一個(gè)陷波點(diǎn)，削弱了太陽射電爆發(fā)信號(hào)的影響，同時(shí)由于空中導(dǎo)航衛(wèi)星分布較為均勻，則可以將其主天線波束對(duì)準(zhǔn)其余未受影響的空域。

L波段太陽射電爆發(fā)信號(hào)源空間尺度的計(jì)算：

太陽活動(dòng)在低頻無線電上的觀測(cè)數(shù)據(jù)反映了太陽活動(dòng)等離子體拋射物CME在日地空間傳播過程中，重要的物理特性。CME中等離子體發(fā)射頻率與等離子體密度之間有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系：

其中N_e為等離子體密度，q_e為等離子體單個(gè)離子的帶電荷數(shù)，m_e為等離子體單個(gè)離子的質(zhì)量。隨著等離子體從太陽上拋射出來，其密度隨著遠(yuǎn)離太陽的距離而降低，不同太陽高度對(duì)應(yīng)等離子密度符合下面經(jīng)典公式：

n_e(R)＝n_e0f(R)；

其中

參數(shù)n_e0為太陽表面的等離子體密度數(shù)。為太陽直徑，R為等離子體離開太陽的距離。隨著CME物質(zhì)遠(yuǎn)離太陽，其發(fā)射出來的無線電頻率也在隨之降低，為此太陽物理界一致認(rèn)為地基太陽射電望遠(yuǎn)鏡所能觀測(cè)到的無線電爆發(fā)頻率越低，CME物質(zhì)離我們就越近。

因?yàn)樘柋l(fā)干擾通信形式為同頻干擾，即f_eq與導(dǎo)航信號(hào)的頻率相同時(shí)才形成干擾，為此我們令：

解算得到此時(shí)的R大概在0.25個(gè)太陽半徑考慮左右對(duì)稱，抑制角度為1個(gè)太陽角徑+2倍L波段太陽爆發(fā)高度＝1.5倍太陽半徑＝45角分。

抑制強(qiáng)度：根據(jù)最大L波段太陽射電爆發(fā)強(qiáng)度30-40dB，抑制強(qiáng)度應(yīng)該大于40dB。

根據(jù)式，我們可以建立如下一個(gè)三個(gè)元陣的二元方程：首先，方程1：對(duì)于干擾的來波方向θ_i，需要削弱信號(hào)：

其次，方程2：對(duì)于有信號(hào)來波方向θ_D1，需要信號(hào)增益為g1：

其次，方程2：對(duì)于有信號(hào)來波方向θ_D2，需要信號(hào)增益為g2：

整理為矩陣形式為：

其中K為在頻率為1.57GHz(B1點(diǎn))上計(jì)算得到；天線之間的間隔d為B1點(diǎn)的1/2波長(zhǎng)。

由于太陽一直在天空中運(yùn)動(dòng)，為此在此事件中，需要實(shí)時(shí)計(jì)算出θ_i的值，即θ_i(t)，可以根據(jù)太陽的運(yùn)動(dòng)軌跡方程計(jì)算出，對(duì)該零點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

通過上述方程求得三個(gè)加權(quán)參數(shù)即：w₁，w₂，w₃，然后經(jīng)控制卡對(duì)模擬移相器進(jìn)行控制。

令太陽的高度角為30°，對(duì)其方向進(jìn)行抑制，對(duì)70°和60°方向增益分別為0.8、1，即：

解得權(quán)值為：

畫出天線陣因子圖如圖9：

我們?cè)倏疾?.2GHz(B2)時(shí)候，按上述主輔天線排布(d為d為B1點(diǎn)的1/2波長(zhǎng)時(shí))相應(yīng)的移相器需要的加權(quán)參數(shù)為和：

畫出天線陣因子圖如圖10：

1.27GHz(B3)時(shí)候，按上述主輔天線排布(d為d為B1點(diǎn)的1/2波長(zhǎng)時(shí))相應(yīng)的移相器需要的加權(quán)參數(shù)為和：

(見圖11)。