基于软件无线电技术的gps电离层闪烁仿真系统

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1、第二章电离层闪烁概率分布模型第二章电离层闪烁概率分布模型Nakagami-m模型和Gaussian模型是最常用的闪烁信号概率分布模型，后文在生成闪烁信号时需要用到闪烁信号服从的概率分布模型，为此，本文首先验证闪烁信号是否服从上述两个模型所描述的概率分布。2.1电离层闪烁概述电离层闪烁是指无线电信号穿越电离层时信号幅度和相位的快速随机起伏现象，相应地，闪烁分为幅度闪烁和相位闪烁。闪烁会导致穿越电离层的通信出现误码和信号畸变，从而影响导航和通信系统的可靠性和精度。根据闪烁的分类，幅度闪烁和相位闪烁又各有其特点。幅度闪烁造成信号衰落，严重时可使信号电平降低到接

2、收机锁定阈值之下，引起接收机失锁[1][2]。相位闪烁则使信号频率起伏，当频率起伏大于锁相环带宽时，造成锁相环失锁，系统将不能工作[3]。幅度闪烁发生时不一定对应有相位闪烁发生，而相位闪烁一定伴随着幅度闪烁。低纬地区以幅度闪烁为主，而极区以相位闪烁为主。由于大部分国家和地区处于中低纬地区，所以研究工作侧重于对幅度闪烁的研究，而相位闪烁的相关研究较少。现有研究表明，电离层闪烁的产生和分布还具有一定的统计规律，它与地方时、季节、地理位置、太阳活动水平以及信号工作频率等因素有关。闪烁一般发生在日落后至午夜这段时间内，持续时间从几分钟到数个小时，春秋分附近为高发

3、季节，磁赤道和极区是高发区域。太阳活动高年闪烁频发而且容易出现强闪烁，太阳活动低年则相反。闪烁能破坏超高频及L频段的卫星通讯和全球定位系统，导致地面接收到的信号信噪比降低，使信号捕获跟踪困难，甚至减少可用来定位的卫星数[4]，也能造成156MHz~415MHz长距离跟踪雷达信号严重的扰动，还对UHF雷达追踪目标的捕获性能产生大的影响[5]。我国广东、广西、福建、海南、台湾及南海地区均处于磁赤道异常区的北驼峰附近，在全球范围内是电离层闪烁出现最频繁、影响最严重的地区之一[6]。出于对电波传播应用的考虑，也有必要加强对闪烁仿真过程的研究。3基于软件无线电技术

4、的GPS电离层闪烁仿真系统电离层闪烁会导致地面接收到的信号信噪比降低，使信号捕获跟踪困难，甚至减少可用来定位的卫星的数目，从而降低卫星导航系统的定位精度[4]。电离层闪烁起伏的峰值在1dB到20多个dB的范围内，持续时间从几分钟到数个小时。2.1电离层闪烁概率分布模型电离层闪烁信号的幅度和相位概率分布分别服从Nakagami-m模型和Gaussian模型，本章对此结论进行了分析验证。电离层闪烁引起的信号幅度变化服从Nakagami-m模型分布，其概率密度函数为：2mrm2m−12f(r)=eΓ(m)Ω−(m/Ω)rm(2.1)其中，r为信号衰减的幅度，Ω

5、=E[R2]为信号的平均功率，R为信号幅度，Γ(m)为Gamma函数，mΩ112==≥，决定曲线的形状。当m=1时，该Var[R]S4222分布退化为瑞利分布[7][8]。相位闪烁服从零均值高斯分布，其概率密度函数为[9]：2(x−µ)1−f(x)=e，其中µ=0。(2.2)2σ22πσ2.2闪烁数据分析电离层闪烁的研究方法可分为理论和实验两种，闪烁理论主要有相位屏、抛物型方程法、路径积分法等，而实验方法则更为直接和简便。随着GPS应用的发展，利用GPS进行电离层观测已经成为最主要的实验方法之一。本节的主要工作是对广州、海口、昆明等多个GPS观测站不同时

6、段接收到的闪烁数据进行统计分析，验证了闪烁信号所服从的概率分布。现在以2004年10月3日广州站接收到的第28号GPS卫星的数据为例，给出了概率模型分析验证的方法和过程（数据采集的时间长度为2小时，采样频率为20Hz，之所以采用了20Hz的采样频率是因为电离层闪烁频谱的频率分量小于10Hz）。4第二章电离层闪烁概率分布模型2.1闪烁的时域分析数据处理过程中，需要进行消趋势滤波[10]。消趋势滤波是指消除信号中有规律的变化成分或者部分，保留无规则或随机的分量或部分，即消除非平稳过程中的趋势项。由于电离层闪烁是随机的、不规则的变化，因此对测量到的原始信号相位

7、值进行消趋势滤波以滤除相位观测值中随时间变化的规则分量是必需的，否则将很难观测到电离层闪烁的真正变化。对较长时间段的数据进行消趋滤波并不能完全消除多普勒频率的影响，而对闪烁相位来说，多普勒频率的积分是消趋之后相位的主要基础分量，因此整体并不是一个单调变化的曲线。但高通滤波之后，相位中的多普勒频率积分成分被滤除掉。图2.1显示的是在一段时间内的相位变化，全部观测时间内的相位变化如图2.2所示：图2.1相位变化局部视图5基于软件无线电技术的GPS电离层闪烁仿真系统图2.22小时相位闪烁观测结果如上图所示，经过消趋势和高通滤波，可以看出本次闪烁发生过程过程中相

8、位闪烁的强度较小，相位闪烁值在[-0.50.5]rad的范围内。为了便于数据分析