星载P波段SAR电离层效应双频校正研究

背景电离层及电离层闪烁效应对星载P波段合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)图像质量影响严重。文章针对不同信号载频、不同带宽的星载P波段SAR系统进行研究,点目标仿真结果表明,电离层效应影响程度与信号载频、带宽密切相关。通过双频方法精确测量的电离层总电子量(total electron content,TEC)对脉冲压缩匹配滤波器进行修正可实现电离层效应的校正,有效提高P波段SAR图像分辨率,得到高质量SAR图像。     

星载合成孔径雷达实时快视成像系统

给出了一种基于多数字信号处理(DSP)并行处理技术的星载合成孔径雷达(SAR)快视成像系统设计,比较了多种星载SAR成像算法.针对某星载SAR参数提出了优化的实时算法流程,系统实现了对L波段星载SAR距离向1/4降分辨率和方位向四视实时成像处理.通过仿真和实测数据,分析和验证了系统成像结果.     

基于相位扫描的GEO SAR多普勒中心频率高精度补偿方法

分析了地球自转和椭圆轨道对地球同步轨道星载合成孔径雷达(GEO SAR)多普勒中心频率的影响.在平台坐标系下推导出了二维偏航控制所需的偏航和俯仰角度的解析表达式;并结合GEO SAR偏航角度大、下视角变化范围小、平台转动难和稳定难等特点,提出了由小角度的二维相位扫描方法来完成GEO SAR多普勒中心频率的高精度补偿方法,实现了GEO SAR的偏航控制.仿真结果验证了该方法的有效性.     

星载合成孔径雷达系统仿真研究

论文在研究星载SAR原理和工作过程的基础上,提出了一种星载SAR系统数值仿真模型。模型充分考虑了卫星轨道参数,平台姿态参数,SAR传感器参数,目标特性、位置及运动,实现对星载SAR成像全过程的模拟仿真。并通过计算机仿真验证了模型的正确性。该模型可用于对各种SAR卫星成像能力及其处理的仿真。     

基于修正斜距模型的GEO SAR远地点的CS成像算法

针对地球同步轨道SAR（GEO SAR）卫星的轨道曲率大,若使用传统直线斜距模型,将不能正确地描述卫星处于远地点时场景目标的“近远近”斜距历程,建立了一种曲率为负的修正斜距模型. 该模型能够准确地描述远地点目标的斜距历程;基于该修正的斜距模型精确地推导了GEO SAR远地点回波信号的二维频谱表达式,并给出了一种适用于GEO SAR远地点成像的修正CS成像算法;在方位向成像处理时补偿随距离线性变化速度引起的空变相位,实现GEO SAR较宽的成像幅宽的聚焦处理. 并通过场景尺寸为100 km×100 km点阵的GEO SAR成像处理,验证了该基于修正斜距模型的CS成像算法的有效性.      

电离层延迟色散对星载SAR宽带信号的影响和补偿研究

在研究电离层对电磁波信号传输影响的基础上,重点分析了电离层延迟对星载SAR(合成孔径雷达)宽带信号的色散影响.电磁波经过电离层传输后,对不同频率的信号造成的时间延迟不同,所以宽带SAR信号经过电离层后会引起波形的畸变.详细推导了经过电离层传输后的雷达回波表达式,并且在该回波表达式的基础之上,提出了基于该色散信号的改进匹配滤波器.改进后的匹配滤波器可以成功地将受电离层色散效应影响的信号补偿为正常SAR回波信号.仿真证明了该补偿方法的正确性,从仿真结果中可以看出信号的色散效应在补偿之后得到了明显的消除.     

一种基于FrFT的三通道SAR动目标检测与成像算法

本文分析了运动目标对SAR成像的影响.首先,建立了三通道SAR对多个运动目标检测的模型,该模型利用DPCA技术进行动目标检测;然后提取检测出的动目标信息,并结合Fr FT对动目标运动参数进行估计,实现对动目标的定位、测速;最后根据估计出的参数修正参考函数对动目标进行成像.通过仿真实验验证了该算法的可行性.     

电离层闪烁下4路信号处理的载波锁相环

针对电离层闪烁导致的卫星导航接收机载波锁相环失锁问题,提出一种基于Kalman滤波器的4路信号处理载波锁相环. 该环路通过增加两路信号处理对锁相结果进行纠正,扩大了锁相环的相位牵引范围,同时根据信号实时载噪比自适应调节滤波系数,有效避免电离层闪烁时信号振幅衰落和相位突变引起的环路失锁. 通过仿真表明,这种锁相环可以在持续中强度和瞬时高强度的电离层闪烁下保持跟踪.      

低纬电离层闪烁对GPS观测值及其导航定位的影响

电离层闪烁对全球定位系统(GPS)的影响已经被认为是GPS现代化后面临的主要问题.利用低纬地区电离层闪烁监测接收机(18.34°N, 109.62°E)在2012-08-01～31的GPS闪烁数据和观测数据,开展了电离层闪烁对GPS观测值及单点定位的影响研究.研究结果表明,电离层闪烁可以导致GPS卫星信号发生衰减,最大衰减幅度达20 dB-Hz;相比于GPS L1观测值,电离层闪烁对GPS L2影响更大;电离层闪烁可导致周跳的发生,统计表明,每100个强电离层闪烁事件(S_40.5)可以导致21个周跳发生,而100个弱电离层闪烁事件(0.2S_4≤0.5)仅导致6个周跳发生;强电离层闪烁环境下,卫星信号会遭遇失锁现象,从而破坏卫星几何分布结构,导致GPS导航定位性能降低;相比正常的电离层环境,电离层闪烁活跃环境下的GPS单点定位精度降低了23%.     

星载SAR方位向频率与多普勒频率的差异及其对成像分辨率的影响

为研究一种典型双基地结构SAR的精细成像算法.通过精确的方位频率表达式,详细比较了多普勒频率与方位频率的区别和联系.以往在合成孔径成像处理中通常以成像单元的多普勒频率代替方位频率,对实际精细成像的方位分辨率影响不大,误差一般都在4%以内;但是,在大的斜视角、大的发射信号调频率、波长较长等参数条件下如果忽略2种频率的差异有可能引起高达10%甚至27%以上的方位分辨率误差.只有针对不同参数的SAR系统和不同的成像精度要求,才能确定是否可以用多普勒频率代替方位频率.仿真结果验证了本文方法的有效性.     

Storm-time ionospheric disturbances monitored by GPS beacon measurements

The Total Electron Content (TEC) during three great storms, from April to August 2000, was collected by means of a GPS receiver located in Jingzhou (30.4° N, 112.2° E). The time-latitude-dependent features of ionospheric storms are identified using TEC difference images based on the deviations of TEC during storm relative to quiet time. The responses of ionospheric TEC to magnetic storms were analyzed. The results show that: 1) In middle and low latitude, ionospheric storms effects are more apparent in local day time than at night: 2) Ionospheric storm effects are more dominant near the hump of the equatorial anomaly region than in other regions of TEC measurements; 3) The positive effects during the main phase of ionospheric storm may be caused by electric fields in low latitude; 4) During the recovery period of ionospheric storm, the negative phase of storm may be due to the perturbation of the neutral gas composition. Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China (49984001) Biography: Pei Xiao-hong (1977-), male, Master candidate, research direction: studying ionosphere on GPS beacons.     

Development of an ionospheric scintillation monitor using single frequency GPS receiver

Besides their intended use in radio navigation, global positioning system (GPS) satellite signals provide convenient radio beacons for ionospheric studies. Among other propagation phenomena, the ionosphere affects GPS signal propagation through amplitude scintillations that develop after radio waves propagation through ionospheric electron density irregularities. This paper outlines the design, testing, and results of a specialized GPS receiver to monitorL-band scintillations. The scintillation monitor system consists of a commercial GPS receiver development kit with its software designed to log signal strength and carrier phase from up to 12 channels at one sample per second rate. Other prime features of the monitor include the data compression transmission and processing. Here is the fact that they are inexpensive and compact and therefore can be readily proliferated. Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 49984001) Biography: Shu Di-fei (1973-), male, Master candidate, research direction: studying ionosphere on GPS beacons.     

Solar activity effects of the ionosphere: A brief review

Solar radiation, which varies over multiple temporal scales, modulates remarkably the evolution of the ionosphere. The solar activity dependence of the ionosphere is a key and fundamental issue in ionospheric physics, providing information essential to understanding the variations in the ionosphere and its processes. Selected recent studies on solar activity effects of the ionosphere are briefly reviewed in this report. This report focuses on (1) observations of solar irradiance at X-ray and extreme ultraviolet wavelengths and the outstanding problems of solar proxies, in the view of ionospheric studies, (2) new findings and improved representations of the features of the solar activity dependence of ionospheric key parameters and the corresponding physical processes, (3) possible phenomena in the ionosphere under extremely high and low solar activity conditions that are unique, as indicated by historical solar datasets and the deep solar minimum of solar cycle 23/24, and (4) statistical studies and model simulations of the ionosphere response to solar flares. The above-mentioned studies provide new clues for comprehensively explaining basic processes in the ionosphere and improving the prediction capability of ionospheric models and related applications.     

中性风对暴时电离层影响的研究

从电离层等离子体动力学方程出发,研究了磁暴期间中性风对中低纬度电离层的影响.通过计算机模拟发现:中性风能够对暴时电离层等离子体的垂直向上漂移产生抑制作用,并延迟电离层F层底部"抛空"的形成;不论采用哪种中性风模式,磁暴都会对较低纬度的电离层产生更大的影响.     

利用GPS方法对1998-11-22太阳耀斑引起的电离层TEC变化的观测研究

利用GPS伪距+载波相位联合数据处理方法具体分析了1998-11-22耀斑爆发期间北京、上海、武汉、西安GPS观测数据得到的电离层TEC。此次耀斑爆发引起了设在北京的高频多普勒长达15min左右的无线电短波中断。通过对GPS得到的电离层TEC进行分析发现： 此次耀斑造成了大面积的电离层TEC的增加,耀斑爆发引起的最大TEC增幅在1.25个TEC单位左右;利用高精度的GPS数据处理方法可研究耀斑引起的电离层扰动。另外,还分析了由GPS计算的TEC的时空变化特点。     

北斗二号/三号融合的分米级星基增强算法与性能分析

北斗卫星导航系统星基增强服务通过地球静止卫星向用户播发等效钟差、轨道改正数、电离层格网改正数和分区综合改正数等四重广域差分改正数,用户在此基础上利用载波相位观测值实现实时分米级的定位性能.本文介绍了分米级星基增强服务的参数匹配算法以及单频、双频用户精密定位模型.将系统播发的四重差分改正数应用于北斗二号与三号融合的精密单点定位,分析了不同频点及定位模型的系统精密定位服务性能.18个测站7 d的结果表明:北斗二号/三号融合的星基增强服务双频组合动态精密单点定位平均12.42 min收敛至0.5 m以内,收敛后的平均定位精度为平面0.15 m,高程0.2 m;相比仅使用北斗二号系统,不同定位模型收敛时间平均缩短了56.7%;而基于非差非组合的分区定位收敛速度更快,并且能达到与无电离层组合模型相同的精度水平.使用北斗电离层格网信息改正的单频动态定位PPP平均11.74 min收敛至0.8 m以内,收敛后的平均定位精度为平面0.2 m,高程0.3 m;相比使用广播星历电离层模型改正的结果,静态和动态定位平均收敛时间分别缩减了21.4%和25.2%.     

GEO导航卫星多种观测资料联合精密定轨

针对跟踪站少、观测几何条件差以及轨道机动后GEO导航卫星精密定轨问题,提出了用激光观测数据解算无线电测距离观测数据设备时延、用CODE模型参数和多频载波相位数据进行电离层延迟精确修正的精密定轨和轨道快速恢复的处理体制.通过在轨实测数据实验证明,利用激光标定的距离观测数据组合设备时延精度优于1ns;基于3站观测数据GEO卫星精密定轨结果,RMS为0.25m;24h数据定轨结果重叠12小轨道径向互差0.55m,位置互差约1.62m;预报12h轨道重叠弧段互差为径向3.63m,位置互差8.51m;定轨结果与激光比对残差约0.10m,预报2h轨道比对残差约0.18m,预报24h轨道比对残差约2.04m.GEO卫星轨道机动后2～3h,动力学定轨结果能够恢复到与激光比对残差小于1m、与精密定轨结果比对位置互差约30m的水平.试验及分析结果表明,所提出的GEO精度定轨技术方案可靠、稳定.