本發(fā)明涉及空間探測(cè)及空間天氣監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種地球空間電離層活動(dòng)的空間觀測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在太陽(yáng)紫外線和X射線的輻射作用下，行星大氣被電離成自由電子和離子，形成電離層。地球電離層是人類(lèi)生存的近地空間環(huán)境的一個(gè)重要組成部分。隨著人類(lèi)活動(dòng)不斷向太空延伸，太空已成為世界各國(guó)商業(yè)和軍事?tīng)?zhēng)奪的新領(lǐng)域，科學(xué)地認(rèn)識(shí)和了解近地空間環(huán)境，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)空間環(huán)境的變化，變得越來(lái)越重要。地球電離層能夠影響無(wú)線電波的傳播，對(duì)無(wú)線電波產(chǎn)生反射、散射、折射和吸收等效應(yīng)。地球電離層擾動(dòng)和電離層中的不規(guī)則體，對(duì)短波通訊、衛(wèi)星通訊和衛(wèi)星導(dǎo)航定位，產(chǎn)生重要影響。因此，對(duì)地球電離層的探測(cè)和認(rèn)識(shí)，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

地球周?chē)母邔哟髿?，吸收太?yáng)紫外線和X射線譜段的輻射，電離生成自由電子和離子，形成電離層。通常所說(shuō)的電離層指的是處于地面上約60～1000km區(qū)域的電離大氣。在這一范圍內(nèi)，除了自由電子和離子外，還有大量的大氣分子和原子未被電離，因而電子和離子的運(yùn)動(dòng)除了受地磁場(chǎng)影響外，還因碰撞而顯著地受背景中性成分的約束。電離成分在與中性成分碰撞時(shí)，將部分能量傳遞給中性成分。由于在很高的高度上，大氣很稀薄，熱容量很小，因而中性成分的溫度顯著提高，所以，在同一高度范圍內(nèi)，電離部分稱為電離層，中性背景稱為熱層。電離層和熱層強(qiáng)烈耦合，主要表現(xiàn)在光化學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程方面。

電離層觀測(cè)可以考慮地面和衛(wèi)星兩類(lèi)方法，一類(lèi)是在地面觀測(cè)，另一類(lèi)是在衛(wèi)星觀測(cè)。同時(shí)在衛(wèi)星觀測(cè)也可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是利用無(wú)線電或光學(xué)進(jìn)行遙感，另外就是就位探測(cè)。就位探測(cè)就是將專門(mén)設(shè)計(jì)的物理儀器送到電離層高度進(jìn)行直接測(cè)量，如質(zhì)譜儀、等離子體朗繆爾探針、磁強(qiáng)計(jì)、電荷分析器等，獲取電子密度和溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等參數(shù)。另一類(lèi)主要是利用電離層對(duì)電波傳播的效應(yīng)，由衛(wèi)星發(fā)射信標(biāo)電波，地面接收衛(wèi)星信標(biāo)，信標(biāo)信號(hào)受電離層的影響，產(chǎn)生多普勒頻移或偏振面的旋轉(zhuǎn)，這類(lèi)測(cè)量可以得到沿傳播路徑的電子總含量，以及沿路徑的不規(guī)則體造成的信號(hào)閃爍等。

本發(fā)明就是基于電離層對(duì)于人類(lèi)生活的導(dǎo)航、通信及出行等方面正在產(chǎn)生干擾影響，并且由于人們對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航及通信的以來(lái)不斷加深，從而對(duì)于電離層的業(yè)務(wù)化觀測(cè)并為人們的導(dǎo)航、通信及出行提供預(yù)報(bào)等服務(wù)提供保障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，為解決人們生活中的導(dǎo)航、通信及出行由于電離層干擾構(gòu)成偏離、錯(cuò)誤信號(hào)甚至中斷的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種電離層活動(dòng)空間觀測(cè)系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案利用該系統(tǒng)可以在保障人們生活對(duì)于導(dǎo)航、通信及出行不斷精度提高的要求下，從而需要對(duì)電離層活動(dòng)導(dǎo)致干擾進(jìn)行預(yù)報(bào)、預(yù)警及預(yù)估并修正的具體需求下，采用遙感和就位觀測(cè)結(jié)合的方法，對(duì)電離層的磁場(chǎng)、電場(chǎng)及電子密度等進(jìn)行測(cè)量，從而為電離層活動(dòng)預(yù)報(bào)保障提供數(shù)據(jù)支撐。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種電離層活動(dòng)空間觀測(cè)系統(tǒng)，所述裝置包括：低軌道混合衛(wèi)星星座及安裝其上探測(cè)器；

所述衛(wèi)星星座包括至少2個(gè)軌道高度，每個(gè)軌道高度至少1個(gè)軌道面，不同高度軌道衛(wèi)星互為配合，包括A類(lèi)衛(wèi)星和B類(lèi)衛(wèi)星，構(gòu)成立體空間電離層觀測(cè)；所述A類(lèi)衛(wèi)星用于對(duì)太陽(yáng)觀測(cè)、地球兩極的沉降粒子及磁場(chǎng)就位測(cè)量、并對(duì)電離層遙感觀測(cè)；所述B類(lèi)衛(wèi)星用于電離層就位探測(cè)；

所述對(duì)太陽(yáng)觀測(cè)是對(duì)太陽(yáng)的極紫外波段的太陽(yáng)光學(xué)成像和軟X射線波段的流量觀測(cè)；所述地球兩極的沉降粒子就位觀測(cè)是利用粒子探測(cè)器，對(duì)順著地球兩極磁場(chǎng)磁力線由高空向地球兩極飛行的帶電粒子進(jìn)行測(cè)量；所述磁場(chǎng)就位測(cè)量，是利用磁強(qiáng)計(jì)對(duì)衛(wèi)星飛行路線區(qū)域的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；所述電離層遙感觀測(cè)是利用衛(wèi)星搭載掩星接收機(jī)和三頻信標(biāo)機(jī)，掩星接收機(jī)接收GNSS衛(wèi)星所發(fā)射出來(lái)的經(jīng)過(guò)電離層影響的導(dǎo)航電波，從而對(duì)電離層特性進(jìn)行測(cè)量，三頻信標(biāo)機(jī)向地面發(fā)射3個(gè)頻段的電波信號(hào)，在地面布設(shè)接收機(jī)接收信標(biāo)；

所述電離層就位探測(cè)是利用衛(wèi)星搭載電場(chǎng)測(cè)量?jī)x、朗繆爾探針及粒子質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)量；所述電場(chǎng)儀是安裝在衛(wèi)星用來(lái)對(duì)電離層電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量；所述朗繆爾探針是安裝在衛(wèi)星上用來(lái)對(duì)電離層的電子密度和溫度進(jìn)行測(cè)量；所述粒子質(zhì)譜儀是安裝在衛(wèi)星上對(duì)電離層的中性粒子成分和帶電離子漂移速度進(jìn)行測(cè)量。

所述A類(lèi)衛(wèi)星軌道高度不低于300km，避免掩星接收機(jī)和三頻信標(biāo)機(jī)穿越電離層過(guò)??；所述B類(lèi)衛(wèi)星的高度不高于800km，避免衛(wèi)星搭載儀器測(cè)量電離層的特征不明顯。

所述A類(lèi)衛(wèi)星軌道高度應(yīng)該比B類(lèi)衛(wèi)星的軌道要高，避免就位觀測(cè)到的電離層部分不在遙感觀測(cè)電離層部分以內(nèi)。

所述星座的每軌道不少于1顆衛(wèi)星，避免由于衛(wèi)星過(guò)于稀疏而導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)量過(guò)少而對(duì)電離層保障業(yè)務(wù)化不利。

所述A類(lèi)衛(wèi)星和B類(lèi)衛(wèi)星均為三軸穩(wěn)定對(duì)地定向姿態(tài)控制，指向精度不差于5°，指向穩(wěn)定度優(yōu)于1°/s，避免成像觀測(cè)圖像質(zhì)量過(guò)低。

所述星座衛(wèi)星的軌道測(cè)量準(zhǔn)確度不小于50km，避免由于軌道測(cè)量不準(zhǔn)導(dǎo)致掩星測(cè)量效應(yīng)不明顯。

所述A類(lèi)衛(wèi)星的太陽(yáng)觀測(cè)儀器安裝在衛(wèi)星朝天面，儀器傳感器開(kāi)口部分對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)來(lái)流，指向精度優(yōu)于5°，儀器全軌道可以觀測(cè)太陽(yáng)來(lái)流覆蓋時(shí)間不少于10％。

所述太陽(yáng)觀測(cè)儀器的極紫外成像至少覆蓋121.1nm波長(zhǎng)、X射線流量測(cè)量至少覆蓋0.1-0.8nm和0.05-0.4nm兩個(gè)波段，以期獲得太陽(yáng)耀斑活動(dòng)信息。

所述A類(lèi)衛(wèi)星的沉降粒子探測(cè)器安裝在衛(wèi)星的朝天面，測(cè)量的帶電粒子包括電子和質(zhì)子，測(cè)量最低起始能量不大于2MeV，避免低端能量粒子信息丟失。

所述A類(lèi)衛(wèi)星的磁強(qiáng)計(jì)伸桿尺寸不小于50mm，盡量避免衛(wèi)星本體磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量的干擾。

所述A類(lèi)衛(wèi)星的掩星接收機(jī)天線安裝在衛(wèi)星側(cè)面，測(cè)量的范圍至少需要覆蓋GPS和BDS衛(wèi)星的導(dǎo)航電波信號(hào)，從而盡可能多的測(cè)量掩星數(shù)據(jù)。

所述A類(lèi)衛(wèi)星的三頻信標(biāo)機(jī)天線安裝在衛(wèi)星對(duì)地面，三個(gè)信標(biāo)分別為L(zhǎng)波段、甚高頻(UHF)波段及甚高頻(VHF)波段，地面配置不少于1個(gè)接收站接受信標(biāo)。

所述B類(lèi)衛(wèi)星的電離層就位探測(cè)的朗繆爾探針安裝在衛(wèi)星伸桿構(gòu)成，至少安裝1副，伸桿至少10mm，避免衛(wèi)星表面干擾測(cè)量。

所述B類(lèi)衛(wèi)星的電離層就位探測(cè)的電場(chǎng)測(cè)量?jī)x由兩個(gè)安裝在衛(wèi)星兩側(cè)的伸桿構(gòu)成，至少安裝1對(duì)，每支伸桿至少10mm，避免衛(wèi)星表面干擾測(cè)量。

所述B類(lèi)衛(wèi)星的電離層就位探測(cè)的質(zhì)譜儀安裝在衛(wèi)星的飛行前進(jìn)面。

所述A類(lèi)衛(wèi)星和B類(lèi)衛(wèi)星通過(guò)靜止軌道中繼通信衛(wèi)星和地面站進(jìn)行下傳數(shù)據(jù)，盡量提高觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)保障業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性支撐。

本發(fā)明的一種電離層活動(dòng)空間觀測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明的電離層活動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)在星座總體布局下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于電離層觀測(cè)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用，從而相對(duì)單顆衛(wèi)星提高了電離層活動(dòng)預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度；整個(gè)電離層觀測(cè)系統(tǒng)由至少包含兩個(gè)軌道的衛(wèi)星星座構(gòu)成，并且星座內(nèi)A類(lèi)衛(wèi)星復(fù)雜電離層遙感觀測(cè)，星座內(nèi)B類(lèi)衛(wèi)星負(fù)責(zé)電離層就位測(cè)量；對(duì)于電離層的觀測(cè)數(shù)據(jù)可以用于電離層擾動(dòng)及其對(duì)地面電力、通信等系統(tǒng)的預(yù)報(bào)及修正。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種空間電離層觀測(cè)方法示意圖；

圖2為A類(lèi)衛(wèi)星及其探測(cè)器示意圖；

圖3為B類(lèi)衛(wèi)星及其探測(cè)器示意圖；

圖4為B類(lèi)衛(wèi)星與GNSS衛(wèi)星之間的掩星示意圖；

圖5為B類(lèi)衛(wèi)星發(fā)射三頻信標(biāo)與地面接收站之間關(guān)系示意圖；

附圖標(biāo)記

1、A類(lèi)衛(wèi)星 2、B類(lèi)衛(wèi)星 3、空間電離層

4、A類(lèi)衛(wèi)星軌道 5、地球赤道 6、B類(lèi)衛(wèi)星軌道

7、地球 8、沉降粒子探測(cè)器 9、太陽(yáng)觀測(cè)器

10、GNSS掩星接收機(jī) 11、太陽(yáng)電池板 12、磁強(qiáng)計(jì)

13、極光及電離層紫外觀測(cè)器 14、三頻信標(biāo)發(fā)射機(jī) 15、朗繆爾探針

16、中性成分及離子質(zhì)譜計(jì) 17、電場(chǎng)儀 18、GNSS衛(wèi)星

19、三頻信標(biāo)地面接收機(jī)

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的一種電離層活動(dòng)空間觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明的一種電離層活動(dòng)空間觀測(cè)系統(tǒng)的星座在地球軌道運(yùn)行軌跡示意圖。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施案例，星座包含了2個(gè)軌道面的900km高度圓軌道的A類(lèi)衛(wèi)星，4個(gè)軌道面的300km高度圓軌道的B類(lèi)衛(wèi)星，每個(gè)軌道面在相同高度軌道內(nèi)均布。衛(wèi)星指向精度為0.5°，指向穩(wěn)定度0.001°/s，軌道測(cè)量準(zhǔn)確度為1km。

如圖2所示，本發(fā)明的一種電離層活動(dòng)空間觀測(cè)系統(tǒng)，所述太陽(yáng)觀測(cè)儀器的極紫外成像覆蓋121.1nm波長(zhǎng)、X射線流量測(cè)量覆蓋0.1-0.8nm和0.05-0.4nm兩個(gè)波段。沉降粒子探測(cè)器安裝在衛(wèi)星的朝天面，測(cè)量電子和質(zhì)子，電子測(cè)量能量為50keV～10MeV，質(zhì)子測(cè)量范圍為50keV～300MeV。磁強(qiáng)計(jì)伸桿尺寸為4m。掩星接收機(jī)天線安裝在的飛行方向，測(cè)量包括GPS、伽利略、格洛納斯及北斗(BDS)衛(wèi)星的導(dǎo)航電波信號(hào)。三頻信標(biāo)機(jī)天線安裝在衛(wèi)星對(duì)地面，三個(gè)信標(biāo)分別為L(zhǎng)波段、甚高頻(UHF)波段及甚高頻(VHF)波段，地面配置100個(gè)接收站接受信標(biāo)。

如圖3所示，本發(fā)明的一種電離層活動(dòng)空間觀測(cè)系統(tǒng)，所述電離層就位探測(cè)的朗繆爾探針安裝在衛(wèi)星飛行方向兩側(cè)伸桿構(gòu)成，安裝2副，伸桿50mm；電離層就位探測(cè)的電場(chǎng)測(cè)量?jī)x由兩個(gè)安裝在衛(wèi)星兩側(cè)的伸桿構(gòu)成，安裝1對(duì)，每支伸50mm；電離層就位探測(cè)的質(zhì)譜儀安裝在衛(wèi)星的飛行前進(jìn)面。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施案例，如圖4所示為其中一顆衛(wèi)星的掩星接收機(jī)接收經(jīng)過(guò)電離層偏折的GNSS衛(wèi)星的導(dǎo)航電波示意圖。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施案例，如圖5所示為3顆A類(lèi)衛(wèi)星先后飛過(guò)4個(gè)地面信標(biāo)接收站，接受由3頻信標(biāo)機(jī)發(fā)射的信標(biāo)電波的示意圖。

最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。