中国电磁监测试验卫星地面应用系统关键技术研究

摘要

中国电磁监测试验卫星(CSES)是中国计划发射的第一颗用于电离层特性及电离层地震电磁效应研究的空间探测卫星,已被国防科工局列为“十二五”首批发射的民用卫星。卫星地面应用系统是整个卫星工程发展的必要环节,为保障卫星有效在轨运行,并使卫星接收到的数据发挥应有的作用,需要在确立卫星项目的同时,完成卫星地面应用系统立项工作。因此本文是在国内没有成熟经验可借鉴、国外相关资料难获取的条件下,基于中国电磁监测试验卫星(CSES)工程立项的迫切需要,结合国家关于民用卫星地面资源合理配置、统筹规划的要求开展有关地面应用系统的关键技术研究。
　　 本文主要研究三个关键问题:数据下传是否干扰探测数据、卫星地面接收站布局设计以及电磁探测数据的有效应用。三个问题之间是相互影响和制约的。数据下传若存在干扰,除了影响探测数据的质量,也会影响到地面应用系统中地面接收站的布局,因此文中首先从数据应用、电波传播特性、电磁兼容性仿真模拟及试验测试等多个方面对数据下传干扰问题进行了判定；在排除数传干扰疑虑后,对中国电磁试验卫星地面站布局方案进行了研究和设计,合理的布局设计有助于数据的高效获取；有效数据和干扰数据的处理方法研究及结果分析,既可帮助判定数传干扰是否存在,也可为数据的有效应用提供重要的参考。
　　 本文以上内容的研究成果和结论为中国电磁监测试验卫星及其地面应用系统的研发提供了重要的参考依据。现将主要研究成果和结论介绍如下:
　　 (1)收集整理了研究所需的资料和数据。
　　 本文研究内容可借鉴的资料甚少,研究前期获取了与电磁卫星及其地面应用系统相关的关键资料和文献,并进行了系统全面地总结和分析,为本文的研究工作奠定了重要基础,也为CSES的研发积累了宝贵的经验。
　　 (2)全面深入地研究了“数据下传是否干扰探测数据”的问题,提出了避免数据下传干扰的措施和建议。
　　 首次将“探测双星”数据与DEMETER卫星数据结合,用于数据下传干扰问题的研究,从数据应用的角度,排除了数据下传对探测数据干扰的疑虑。分析了电离层电波传播特性,并估算了电离层对X波段传播链路的影响,得出数据下传过程与电离层之间不会相互干扰的结论。根据CSES设计指标,对星上数传发射机和探测设备之间的电磁兼容性(EMC)进行了仿真计算,得出:在感应式磁力仪满足距离数传发射机电源线1.2m以上时,星上数传发射机与探测设备便能满足EMC兼容。借助新研制的某X波段数传发射机进行EMC试验测试,测试结果表明:数传发射机电源线可能会对探测设备造成电源线传导辐射干扰；频率流程设计不当时,谐波成分可能会干扰GPS掩星双频接收机,但这些问题都可在数传发射机设计过程中采取一定的措施加以避免。基于以上研究结果,提出了避免数据下传干扰的相关措施和建议,包括:星上各载荷位置的科学布局、发射机指标设计、发射机电磁兼容性设计、数传发射机与探测设备的兼容试验以及运控指令调整等。
　　 针对“数据下传是否干扰探测数据”的问题,本文采用探测数据处理和分析、电磁波传播特性分析、电磁兼容预测仿真和试验测试相结合的方式进行综合研究,成为解决这一问题最有效的途径之一。文中对电磁卫星数传干扰问题的判定,排除了地面接收站布局的疑虑,有助于地面站优化选择；此外,提出的避免数据下传干扰的措施和建议也在一定程度上为CSES的研发提供了重要参考。
　　 (3)根据CSES的行业需求,结合国家关于民用卫星地面资源合理配置、统筹规划的要求,首次提出了CSES地面站布局方案。
　　 在确定了数据下传不会干扰实时探测数据的前提下,对CSES地面站布局进行研究和分析。首先收集整理了地面站布局需要考虑的一些约束条件；以调查问卷的方式统计出约束条件的优先级,并将相关数据存入数据库；理清了约束条件之间的相互影响、制约关系,基于约束条件及其之间的相互关系建立优化选址数学模型。利用GIS空间分析技术、结合STK轨道仿真模拟,对地面站优化选择模型进行分析解算,提出了电磁卫星地面接收站的布局方案,主要包括:①单站模式,建议优先选择在北京采取新建或借助已有的卫星地面接收站完成接收任务；②对称模式:建议沿东西向建设两个对称分布的接收站:西部需新建站,新建站范围在91°20′34″E～94°36′27″E以及33°17′20″N～34°29′21″N之间；东部建议在山东禹城建站；③V形模式,优先选择在库尔勒、绥化、肇庆三个地方建V形模式的地面接收站组合；④四站模式,建议的最佳地面站组合为:拉萨、绥化、新丰江、库尔勒。并根据布局方案解算过程,提出了通用性的针对CSES地面接收站选址的技术流程。鉴于目前还没有关于地面站选择的系统性研究,本文的这部分研究工作在国内尚属首次,以期为决策者提供较好的参考方案。
　　 (4)建立了电离层等离子体参量观测模型。
　　 将DEMETER卫星探测的连续三年等离子体不同参量,通过插值计算完成时空统计,建立了电子、氢离子、氦离子和氧离子数密度的全球观测数据统计模型,并分析其规律特性,对不同离子的全球分布特性取得了进一步的认识,包括:赤道异常特征、逐年变化、不同地磁季节特征等。对某区域一年内重访轨道,按不同地磁季进行了处理和特征分析。这些分析内容及规律总结是对当前主要以电子浓度总数(TEC)为观测参量进行电离层特征研究的一个很好地补充,在一定程度上丰富了前人的研究成果。
　　 (5)探索了地震前空间电离层等离子体参量的异常现象。
　　 利用时空演化分析、长时间序列分析和多参量轨道对比等方法,探究了汶川、智利和海地三个地震震前可能与地震有关的电离层等离子体参量异常现象,并总结其规律性,如:震前1～3天和震前8～10天异常现象比较集中；No+、Ne和Ti三个参量观测到的异常现象较多；No+和Ti两参量异常现象出现的时间和地点相关性比较高；等离子体参量异常具有很强的局部性等。这些探索工作和规律总结,为地震前空间电离层异常现象的监测研究工作积累了经验、教训,为CSES地面应用系统中数据的有效处理和应用奠定了一个初步的基础。
　　 本文研究内容和成果已在CSES及其地面应用系统设计研发过程中得以采用,在电磁卫星推进工作中发挥了重要作用。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 选题的目的和意义

1.3 本文主要研究内容和思路

1.3.1 数传系统对卫星探测数据的干扰分析

1.3.2 CSES地面接收站布局方案研究

1.3.3 电磁卫星数据处理及应用研究

1.3.4 本文技术路线分析

1.4 章节安排和框架

第二章 相关技术研究现状分析

2.1 电磁卫星及其应用研究现状分析

2.1.1 国外主要电磁卫星及其应用研究现状

2.1.2 电磁卫星在我国地震相关监测领域应用成果

2.2 卫星地面应用系统设计及地面站选择实例分析

2.2.1 电磁卫星地面应用系统及其地面站建设

2.2.2 我国卫星地面应用系统发展概况

2.2.3 国内外相关卫星地面接收站选址情况总结

2.3 电磁卫星数传系统及其它干扰问题研究

2.3.1 QUAKESAT卫星出现的电磁干扰问题及解决方法

2.3.2 DEMETER卫星避免电磁干扰的措施

2.3.3 双星(Double Star)解决电磁干扰问题的方法

2.4 电磁兼容(EMC)试验和预测研究现状

2.5 电离层物理特性及地震电离层效应研究现状

2.5.1 电离层的一般特性

2.5.2 F2层异常特征[51]

2.5.3 电离层非震干扰[4][9][63]

2.5.4 地震电离层效应研究现状[15]

2.6 GIS空间选址研究现状

第三章 卫星数据下传对探测数据的影响分析

3.1 探测数据的数传干扰分析

3.1.1 DEMETER探测数据研究

3.1.2 双星探测数据分析

3.2 数据传输过程与电离层之间的相互影响探索

3.2.1 数据传输对电离层的影响分析

3.2.2 电离层对数据传播链路的影响估计1

3.3 数传系统对探测设备电磁兼容预测仿真及试验测试

3.3.1 CSES数传系统对探测设备的电磁兼容预测理论仿真分析

3.3.2 在研数传发射机单机EMC试验测试

3.4 避免数据下传干扰的措施和建议

3.5 本章小结

第四章 中国电磁监测试验卫星地面站布局方案研究

4.1 CSES地面站选择约束条件总结及优先级确定

4.1.1 地面站选择约束条件总结

4.1.2 调查问卷统计分析

4.2 优化选址模型建立和条件数据汇总分析

4.2.1 条件数据汇总分析

4.2.2 优化选址模型建立

4.3 地面站布局方案详细分析

4.3.1 单站模式

4.3.2 对称模式

4.3.3 V形模式

4.3.4 四站模式

4.4 地面站布局方案及技术流程

4.4.1 布局方案

4.4.2 选站流程

4.5 本章小结

第五章 电磁卫星等离子体数据空间信息提取及应用研究

5.1 背景场研究

5.1.1 电离层等离子体观测模型建立

5.1.2 电离层等离子体参量重访轨道背景模型研究

5.2 与地震有关的电离层等离子体效应探索

5.2.1 数据选取

5.2.2 地震前后Ne时空演化特征提取

5.2.3 Ti长时间序列异常现象提取

5.2.4 多参量轨道对比异常特征提取

5.2.5 综合分析

5.3 非震异常干扰排除研究

5.4 结论和讨论

第六章 总结和展望

6.1 本文研究成果和结论

6.2 今后工作展望

参考文献

附录 A

附录 B

附录 C

致谢

作者简介

攻读博士期间主要参与的课题

攻读博士学位期间发表的论文