卫星模式

卫星模式（精选十篇）

卫星模式篇1

为满足遥感影像在数字测绘、资源调查、灾害监测、城市规划、土地利用、环境保护和旅游导航[1]等方面日益增多的应用需求,随着航天事业及卫星技术的飞速发展,我国在轨卫星数量已逐渐形成规模并仍在持续增加。传统的卫星运行控制系统采用C/S架构,在卫星数量不多、卫星种类比较单一的情况下具有运行效率高、交互性强和网络负担小等一系列优点,但随着卫星种类、卫星数量的大量增加,传统卫星运行控制系统的弊端逐渐显现出来,即系统部署难度大、人员消耗多、系统内部接口复杂等。基于混合模式的卫星运行控制系统可有效解决这些问题。

1 C/S模式与B/S模式的比较分析

C/S是 Client/Server 的缩写[2],服务器通常采用高性能的微机服务器或小型机,并采用大型数据库系统如Oracle、Sybase或 SQL Server等,客户端需要安装专用的客户端软件,主要业务逻辑在客户端实现;B/S是 Brower/Server 的缩写[2],客户机上只要安装一个通用的浏览器软件,用户界面完全通过WWW浏览器实现,主要业务逻辑在服务器端实现。

1.1 B/S 模式的优势

B/S模式具有以下优势:

① 简化了客户端。无需像C/S模式那样在不同的客户机上安装专用的客户应用程序[3],只需安装通用的浏览器软件,这样不但可以节省客户机的硬盘空间与内存,而且使安装过程更加简便、网络结构更加灵活。

② 简化了系统的开发和维护过程。系统的开发者无需再为不同级别的用户设计开发不同的客户应用程序,只需把所有的功能都实现在 Web 服务器上,并就不同的功能为不同用户分别设置权限即可。

③ B/S模式特别适用于网上信息发布,而网上信息发布功能恰是地面应用系统各分系统之间实现信息共享所必须的,这使得系统运行过程中大部分书面文件可以被电子文件取代,提高工作效率、节省工作成本[4]。

1.2 B/S模式的不足

首先,由于浏览器只是为了进行WEB浏览而设计的[5],且大部分业务逻辑都需要经由WEB服务器实现,当其应用于WEB应用系统时许多功能不能实现或实现起来比较困难,如大量的数据输入、业务报表输出等。其次,WEB服务器成为对数据库唯一的客户端,所有对数据库的连接都通过该服务器实现, 由于WEB服务器同时要处理客户请求以及与数据库的连接,当系统访问量大时服务器端会出现负载过重的情况。

1.3 C/S模式相对于B/S模式的优势

C/S模式相对于B/S模式的优势如下:

① 交互性强是C/S固有的一个优点[6]。在C/S模式中,客户端有一套完整的应用程序,在出错提示和在线帮助等方面都有强大的功能;B/S模式虽然也可提供了一定的交互能力,但远不及C/S模式下的完整客户应用。

② 采用C/S模式将降低网络通信量。B/S模式采用了逻辑上的3层结构,而在物理上的网络结构仍然是以太网或环形网,3层结构之间的通信都需占用一定的网络带宽;而C/S模式下的网络通信量只包括Client与Server之间的通信量。

③ 由于C/S在逻辑结构上比B/S少一层,对于相同的业务应用,C/S完成的速度总要优于 B/S,使得C/S模式更利于处理大量数据。

2 功能模型

卫星运行控制系统是控制卫星执行观测任务,并使整个卫星地面应用系统协调、高效运行的关键,具体由用户服务、任务规划、计划制定、载荷控制、业务调度、状态监视和星地资源管理7个部分组成,如图 1所示。主要任务是根据上级指令和观测任务要求,完成观测任务规划、观测计划制定、卫星有效载荷控制、数据接收规划调度和星地系统工作状态监视等功能,以充分发挥卫星资源和地面资源的综合利用效益。

用户服务:对卫星用户进行管理、维护,受理用户提出的应用需求,对应用需求进行分析,包括目标区域的可见性分析、应用需求的满足度分析和多应用需求的冲突分析等,并依据分析结果生成观测任务单。

任务规划:以观测任务单为依据,综合考虑所有星地资源及使用约束,进行统一的资源分配[7],生成综合任务规划方案;对综合任务规划方案进一步分类、分解,形成对地成像任务规划方案、电磁监测任务规划方案和数据接收任务规划方案。

计划制定:根据对地成像规划方案和电磁监测规划方案,结合卫星载荷类型,分别制定可见光成像计划、红外成像计划、高光谱成像计划、微波成像计划以及电磁监测计划,并制定对应的卫星载荷控制计划;此外,可根据已经制定的观测计划,结合数据接收任务规划方案,制定数据接收计划和数据中继传输计划。

载荷控制:负责制定各类、各型、各颗卫星的指令模板,对所有卫星和航天器的有效载荷进行管理和控制,按照可见光成像卫星、红外成像卫星、高光谱成像卫星、微波成像卫星和电磁监测卫星分别实现各颗卫星的有效载荷控制指令编制、密钥管理、指令发控、遥测数据的接收、处理与显示等。

业务调度:为卫星地面系统的运行管理提供平台,确保卫星运行控制业务的有序、高效运行;此外,可实现全面的业务信息管理,提供灵活的业务信息查询和统计能力。

状态监视:完成卫星运行状态、载荷工作状态、地面站运行状态、数据处理系统运行状态以及整个地面应用系统运行状态的监视。

星地资源管理:对属于公共信息的部分进行统一存储,包括星地资源库、对地观测业务数据库以及监控信息业务数据库。业务类型包括需求管理业务、卫星载荷控制业务、数据接收业务等。

综合任务管理控制功能模型的7个层次协调运作,共同完成多类多型卫星的管理控制功能,响应用户的应用需求,协调航天器和地面系统的运行,并实现与测控系统和气象保障系统的信息交互。

3 业务流程

卫星运行控制系统业务流程如图 2所示。首先用户提出观测需求并由卫星运行控制系统进行需求分析、提出观测任务单;然后由卫星运行控制系统进行综合任务规划、提出规划方案,并制定观测计划和接收计划;随后编制并发送卫星测控指令,同时下达数据接收计划和中继传输计划;最后,由测控系统向卫星上注指令,由数据接收系统接收卫星下传的观测数据;此外,在业务流转过程中,卫星运行控制系统需要对遥测数据、地面站状态和数据处理系统状态进行监视。

4 体系结构

传统的卫星运行控制系统体系结构多采用单一的C/S模式,把一个大型的计算机应用系统变为多个功能相互独立的子系统,而服务器便是整个应用系统资源的存储与管理中心,多台客户机则各自处理相应的功能,共同实现完整的应用。随着系统规模的不断扩大和能力的持续扩充,这些传统模式已经逐渐显露出其弊端,如运管人员占用多、内部接口复杂、系统灵活度不高等。因此,亟需设计新的卫星运行控制系统体系结构,以满足日益增多的卫星运行管理需求。基于混合模式的卫星运行控制系统可有效屏蔽原有各客户机间接口,并实现灵活的部署与操作,其体系结构如图 3所示。

采用多层混合模式卫星运行控制系统体系结构具有重用性好、扩充性好和可维护性强等优点,同时,根据业务类型又将业务逻辑层分为应用服务和公共服务2个子层,使任何一层逻辑的修改都不会影响其他层,从而最大限度地降低系统内部的耦合性,提高系统灵活性。

表示层:主要是实现与管理控制业务相关的各个功能客户应用程序的人机交互界面和操作控制,满足用户可见的使用需求,其中B/S模式表示层用于实现没有实时性要求的各项功能,C/S模式表示层实现需要实时监视或实时控制的各项功能。

流程逻辑层[8]:主要是将典型的管理控制业务流程抽象分离出来,定义管理控制业务流程中各个节点业务单元的数据流和控制流,并将针对节点业务单元的操作映射到调用业务逻辑层中的相应功能应用模型。

业务逻辑(应用服务)层:基于业务逻辑(公共服务)层提供的各项服务,实现与管理控制流程无关的系统应用业务模型,提供给表示层相应的客户应用程序调用。

业务逻辑(公共服务)层:实现与管理控制流程无关的系统公共业务模型和底层公共应用,支持业务逻辑(应用服务)层中的应用业务模型,提供给表示层相应的客户应用程序调用。

数据层[9]:数据层负责存储、维护和管理与管理控制业务相关的数据信息,同时支持持久化数据访问服务,管理业务对象到数据库表的映射,把业务模型表示的对象映射到基于SQL的关系模型结构中,并提供数据查询和获取数据的方法。

另外,利用XML和规定格式的文本文件作为调度协调业务结构化信息交换的表示方法,基于此实现管理控制业务流程各节点业务单元之间的业务数据交换,支持管理控制一体化的统一调度协调和系统业务监控。

5 结束语

针对卫星运行控制系统现状及发展趋势,对C/S模式和B/S模式系统架构进行了对比分析,确定了卫星运行控制系统功能模型和业务流程,并综合考虑C/S模式、B/S模式系统架构的优缺点,提出了基于B/S和C/S混合模式的卫星运行控制系统体系结构,希望可以对未来卫星运行控制系统的建设发挥积极作用。 

参考文献

[1]张兆霞,朱龙文.基于遥感卫星的系列正射影像图制作[J].影像技术,2004(3):39-42.

[2]刘洋,高连生,王斌.基于J2EE和MVC设计模式分销系统的研究与实现[J].计算机工程与设计,2007,28(7):1 655-1 658.

[3]吉根林,崔海源.Web程序设计[M].北京:电子工业出版社,2002.

[4]张友生.软件体系结构[M].北京:清华大学出版社,2004.

[5]吴义龙.基于DWR框架的就业信息管理系统的设计与实现[D].武汉:华中科技大学,2008:5.

[6]葛华.基于Lotus Domino/Notes的办公自动化系统研究与实现[J].电脑知识与技术,2009,5(2):351-353.

[7]张正强,郭建恩,王鹏.基于AHP的遥感卫星任务规划效能评价方法[J].无线电工程,2012,42(1):36-39.

卫星模式篇2

诱发卫星深层充电的高能电子环境模式研究

文章介绍了与卫星介质深层充电相关的辐射带高能电子环境的主要特征和规律,建立了相应的高能电子环境模式及软件,并运用该模式针对某飞行器的深层充放电危险性进行了分析和评估.结果表明该模式相对于AE8模式更好地反映了高能电子环境的.动态特征,与欧空局建立的FLUMIC模式符合较好.该模式与深层充电分析模型相结合,可用于对航天器的充放电异常进行在轨诊断,以及在工程上针对深层充电进行防护设计.

作者：闫小娟陈东黄建国韩建伟作者单位：闫小娟(中国科学院空间科学与应用研究中心,北京,100190;中国科学院研究生院,北京,100049)

陈东,黄建国,韩建伟(中国科学院空间科学与应用研究中心,北京,100190)

刊名：航天器环境工程 ISTIC英文刊名：SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 年，卷(期)： 25(2) 分类号：V520.5 关键词：航天器带电深层充电高能电子环境模式

长征六号开启卫星“群发模式” 篇3

20颗卫星同时升入太空

人造卫星是人类送入太空的“天眼”。有了卫星，从太空看地球，几乎可以让我们洞悉地球上的一切秘密。气象卫星、通信卫星、探矿卫星、军事卫星等，它们如火眼金睛一般，无所不察。

卫星如此重要，拿什么运载工具把它们发射到太空呢？当然是运载火箭喽！

最初，一枚运载火箭只能将一颗卫星发射到太空。那时，运载火箭相当于卫星的“专车”。因为是坐着“专车”升上太空的，所以发射卫星的成本很高、很费钱的。

后来，一枚运载火箭可以将3颗卫星同时发射到太空了，这种发射方式被称为“一箭三星”，相当于3颗卫星搭乘“出租车”上了太空。“一箭三星”技术大大降低了卫星发射的成本，卫星发射进入了“省钱模式”。

但一枚火箭同时发射3颗卫星不是目前最省钱的模式。9月20日，中国长征六号运载火箭一口气将20颗卫星送入了太空！

一次发射20颗卫星，看来运载火箭不再是卫星的“专车”，也不再是卫星的“出租车”，而是成了运载卫星的“大巴车”了。

“卫星大巴”长征六号让卫星有了“群发模式”。“群发”卫星的成本大大降低，卫星发射进入到“好快多省”的新时代。

“卫星大巴”

安全吗？

让卫星乘坐“卫星大巴”飞向太空，安全吗？毕竟“乘客”太多，如果“大巴”出事故，损失的可不是三两颗卫星，而是20颗卫星呀，那损失不就太大了吗？

长征六号是三级运载火箭，全长29米，一级直径3.35米，二级和三级直径都是2.25米。“又高又胖”的长征六号力量很大，可以将总共1吨重的物件运到距离地球700千米远的太阳同步轨道。

长征六号由我国科技人员自主开发，对发射安全进行了周密考虑，无论是结构形式、动力系统还是电气系统，都采用最先进、最可靠的设计方案，发射卫星可确保安全无忧。据测定，长征六号的发射安全指数高达98%，别小看这个数字，这个数字说明用长征六号发射卫星，基本能保障百分之百安全。

因为长征六号发射卫星的安全性能极高，所以才敢让20颗卫星同乘这辆“卫星大巴”到达太空，服务于我们的生产和生活。

长征六号除了可以满足我国卫星发射的需求，它在国际上也是广受欢迎，许多国家纷纷前来洽谈让长征六号帮助发射卫星的事宜。可以预见，长征六号这辆“卫星大巴”将以安全可靠的优良性为国际卫星发射事业做出杰出贡献。

长征六号优点非常多

除了安全可靠之外，长征六号的优点还有许多，它是“三好”运载火箭！

一是“好环保”。有些运载火箭是“有毒”的。火箭的“毒”主要源于它装载的燃料。一枚火箭升空，烈焰喷涌非常壮观，但在壮观的同时它会排放许多有毒气体，这些气体会给空气带来比较严重的污染。长征六号装载的燃料不是有毒物质，而是液态氧气和煤油的混合物，它们燃烧充分，不会向大气排放有害气体。长征六号是一枚“绿色火箭”，能与环境“友好相处”。

二是“好伺候”。发射其他型号的火箭，发射准备的周期比较长，短则三五个月，长则一两年。这是因为其他型号的火箭普遍存在运输困难、组装困难、发射天气选择困难等问题。这么多的困难让火箭成了比较“难伺候”的主儿，顺利点火发射实在不容易。但长征六号没那么“娇气”，它在制造成功的同时，就能完成全箭总装和测试任务，加上专门的运输车可以快速完成火箭的水平对接、翻转起竖、垂直定位、燃料加注和发射等动作，这让长征六号从做准备发射到发射成功的周期缩短到7天。快吧？！

三是“好聪明”。长征六号一次将20颗人造卫星运上太空，这些卫星的功能和运行轨道各不相同，要把它们运送到位，需要有副好的头脑，不然会忙晕的。如果忙中出错，让卫星们“下错车”，那可真是前功尽弃呀！长征六号在太空中“晕”了吗？人家一点儿也不“晕”，头脑清楚地安排这20颗卫星依次“下车”，丝毫不差。原来，长征六号采用了高精度自动化控制技术，这项技术国际领先，让它成为“头脑最聪明”的运载火箭。

卫星模式篇4

当今世界油气储量迅速递减, 陆上石油资源紧缺问题日益突出, 而占地球面积70%以上的海洋, 预计油气储量相当丰富。据估计, 全世界未发现的海上油气储量有90%是在水深超过1000m以下的地层中。我国深水海域也十分广阔, 蕴藏着丰富的油气资源。随着中国海洋石油总公司深水大庆的发展战略提出以来, 特别是深水钻井船海洋石油981投入使用, 中国海洋石油深水发展的大幕已经正式拉开。

深水作业有着其自身的特点, 深水作业由于离海岸线较远, 传统的通讯手段如单边带、微波、光纤通讯、运营商提供的移动通讯等手段都无法有效的提供服务, 卫星通讯几乎成了深水作业的唯一有效保障。近年来, 卫星通信技术不断发展, 在通信容量不断增大, 通信质量迅速提高的同时, 成本也在不断下降, 为深水通讯大规模的使用卫星通讯创造了有利的条件。由于卫星通信具有通信距离远、信息容量大、不受地理因素影响、覆盖范围广等优越性, 因此, 卫星通讯是目前唯一可以为深水作业提供通讯保障的通讯手段。

2 海洋石油深水业务卫星通讯模式的探讨

2.1 传统卫星通讯业务在海洋石油的应用

卫星通讯可以为我们提供电话、数据传输、电视转播、卫星电视教育、移动通信、救援、远程医疗等上百种服务。卫星通讯主要应用在电视转播、海洋石油、海洋船舶、电信、移动通讯等专业行业。

在海洋石油行业, 卫星通讯得以广泛的应用, 为个海上采油平台、钻井平台、移动船舶、陆地终端等提供通讯服务。由于海洋石油行业的特殊性, 卫星通讯成为了海洋石油行业中最重要的通讯手段, 除了为平台的日常安全生产和生活提供通讯保障, 还在台风、遇险、火灾等应用情况下提供应急通讯。按照使用卫星通讯的频段不同分类, 目前在海洋石油中应用的卫星通讯主要可以分为C波段卫星通讯和KU波段卫星通讯, C波段的卫星频段为4G～6G, KU波段卫星通讯为11G～14G。C波段卫星通讯为海洋石油卫星通讯的主用手段, KU波段为辅用通讯手段, KU波段卫星通讯由于雨衰大等特点不适合在中国南海海域大规模使用。远端站使用的卫星通讯系统主要有三种:固定天线系统、半自动跟踪天线系统和全自动跟踪天线系统。固定天线系统主要使用在固定采油平台和陆地终端、半自动跟踪天线和全自动跟踪天线主要使用在移动钻井平台和其它移动船舶上。

传统的卫星通讯在海洋石油的应用, 备份手段主要依靠设备的热备份和冷备份来使用, 通讯系统的监控主要依靠监控软件和人工监控相结合来实现。

2.2 深水业务对卫星通讯的特殊要求

中海油深水卫星业务由于离海岸线比较远, 传统的通讯手段如单边带、微波、光纤通讯、运营商提供的移动通讯等手段都无法提供可靠的保障, 卫星通讯几乎成为了唯一的保障。如何利用卫星通讯为深水业务建立可靠的通讯保障, 保障深水业务的安全生产、生活以及在应急情况下提供通讯保障, 成为了一个重要的研究课题。

传统的卫星通讯的备份保障手段和监控手段, 在深水业务上已经不能满足要求, 如何采取新的备份手段和监控手段, 保障卫星通讯在任何情况下的安全性和稳定性, 需要采取切实可行的手段加以保障。

2.3 海洋石油深水业务卫星通讯模式的研究

(1) 海洋石油981项目对海洋石油深水业务卫星通讯模式的探索。

在深水钻井船海洋石油981上, 中海油第一次面临了如何解决深水业务卫星通讯的问题, 这是一个新的课题。结合海洋石油981的实际情况, 采用1∶1备份的Seatel9797C&Ku天线系统作为核心解决方案, 用户可在C Band与Ku Band之间进行切换, 以满足实际使用需要。1∶1使得该系统的可靠性得到了很大提高, 在两套天线系统中安装了Arbitrator Switch, 该切换开关可自动对两套天线系统进行切换, 以应对使用中发生的紧急情况。该系统的采用, 将卫星系统的安全性和稳定性提高了一个层次。该系统有两套天线系统, 每套系统既可支持C波段卫星通讯系统也可以支持KU波段卫星通讯系统, 两套系统互为备份, 同时C和KU波段互为备份, 采取该解决方案, 几乎可以保障在任何极端情况下的卫星通讯, 为海洋石油981的日常生产、生活和应急情况提供了可靠的通讯保障。

海洋石油981选用的卫星天线系统为Seatel公司生产的Seatel 9797 C&Ku 2.4m海上宽带天线系统 (Broadband-at-Sea) 。美国Seatel公司是一家研发、制造和销售世界上技术领先海上“动中通”VSAT卫星通信天线系统的国际知名企业。Seatel产品, 能确保在恶劣的台风雨环境下, 获得稳定可靠的卫星信号跟踪, 保证卫星通信都不会受到任何影响。因而, 广泛应用于抢险船、游轮、货轮、海上石油钻井平台、科考船、军舰等各种船只和动中通车辆上。

Seatel9797C&Ku型, 是新一代的船用稳定卫星跟踪天线系统。其直径2.4m, 为Ku和C波段可切换VSAT天线, 可作为船载卫星通信系统室外单元部分。

Seatel9797C&Ku型稳定跟踪天线系统, 俯仰跟踪范围-25°～100°, 同时确保对卫星的低仰角和高仰角的连续跟踪运行能力。

Seatel9797C&Ku型稳定跟踪天线系统, 可以支持中等功率的ODU, 以实现更高数据速率的卫星通信应用。ODU设备集成在天线系统的稳定基架上。

(2) 海洋石油981项目后深水卫星通讯模式的研发与建立。

在深水钻井船海洋石油981通讯系统项目完工后, 中海油继续在深水业务通讯项目上的研究。由于海洋石油981上的卫星通讯系统不具备代表性, 不能作为一个模板进行全方面的推广, 同时系统的监控方式还需要进一步的提高。不能进行全方位的推广主要原因:一是该系统成本相对很高;二是该系统只能针对特定型号的卫星天线系统 (即seatel的固定型号天线) , 不能覆盖到其它品牌的卫星天线系统。同时该系统的监控模式还是主要依赖于传统的监控软件和人工监控模式。为了解决以上问题, 中海油进行了专门的科技立项, 成立项目组对以上问题加以解决。

由于以上课题在国内还是空白, 还没有成功应用的案例。需要进行大量的实验与研究, 积累大量的基础数据。通过项目组所有人员的努力, 终于开发了一个适用的卫星通讯模型, 解决了以下问题:能够实现真正意义上的无缝切换, 保证卫星通讯系统的不间断, 切换过程中不会造成卫星通讯的中断, 不需要切换时间;可以支持两套C波段卫星通讯系统的全自动切换;能够支持两套KU波段卫星通讯系统的全自动切换;能够支持C波段卫星通讯系统和KU波段卫星通讯系统的全自动切换;能够支持两套固定天线系统的全自动切换;能够支持两套自动跟踪 (包括全自动跟踪和半自动跟踪) 天线系统的全自动切换;能够支持固定天线系统和自动跟踪 (包括全自动跟踪和半自动跟踪) 天线系统的全自动切换;切换的门限可以根据不同的应用需求进行调整;可以实现与目前应用的中继设备的兼容;可以实现主动监控, 在卫星链路出现问题时, 可以主动告警, 通过短信或者邮件的形式通知到相关技术人员;告警的门限可以根据需要进行设定。

新开发的卫星通讯系统全自动切换技术能够很好的提高目前卫星通讯的应用水平, 更好的保障海上平台、钻井船只、船舶和陆地终端卫星通讯系统的稳定性和可靠性。特别是对由于遮挡原因, 需要两套卫星通讯系统工作的钻井船等有着非常重要的意义。

目前中海油已有的卫星通讯系统的监控技术不能做到主动监控, 主要通过人工的方式去检测, 这样就决定了卫星通讯系统的监控有很大的局限性。迫切需要开发一套具备主动监控功能的卫星通讯系统。在卫星链路出现问题的情况下, 可以通过短信或者邮件的方式通知相关人员, 并且要求可以对告警门限进行设定。

卫星通讯系统的主动监控技术需要对原有的监控系统进行二次开发, 在卫星通讯系统出现故障告警的情况下, 可以实时的通知相关技术人员进行处理。从主动监控系统投入运行至的效果来看, 运行稳定可靠, 大大缩短了系统故障处理的响应时间, 取得了很好的使用效果。

以上卫星通讯模式可以简称为卫星通讯全自动切换与主动监控技术, 解决了任意两套卫星通讯系统的全自动切换技术, 同时实现了主动监控, 通过以上技术, 将卫星通讯的安全性和稳定性提高到了目前国内的最高水平, 同时在国际上也有着领先水平, 基本上建立了海油石油深水业务的卫星通讯模式。

卫星通讯系统的全自动切换技术完全改变了原有的卫星通讯系统切换的局限性, 在应用上得到了很大的拓展, 具有很大的创新性, 实现了真正意义上的无缝切换。并且将全自动切换技术与主动监控技术很好的结合起来了, 最大程度上提高了卫星通讯的可靠性。

随着该系统的不断推广使用, 可以极大降低卫星链路的故障率, 实现真正意义上的不间断卫星通讯。该项技术具有很高的技术价值, 采用了先进的集成理念, 几乎解决了卫星通讯系统切换的所有问题, 使我们卫星通讯系统的应用水平有了很大的提高, 在以后的卫星通讯系统应用上有着很大的技术推广前景, 特别适用与需要解决遮挡问题影响的钻井船和对卫星通讯系统要求很高的深水业务。

3 海洋石油深水业务卫星通讯的发展趋势

3.1 安全性与稳定性的进一步提高

随着海洋石油深水业务卫星通讯模式的初步建立, 将卫星通讯的安全性和稳定性提高到了新的水平, 但是绝对的安全性和稳定性是无法做到的, 任何事物都有其偶然性。随着海洋石油深水业务的发展, 在应用中还需要对系统进行进一步的完善和改进, 更好的为海洋石油的深水业务服务。海洋石油深水业务卫星通讯模式的建立是一个长期的过程, 不可能是一劳永逸的, 需要不断的摸索和探讨。

3.2 随着卫星技术的进步而不断进步

卫星通讯技术也是在不断发展中, 特别是近几年来, 卫星通讯技术取得了长足的进步。我国的卫星通信事业正处于快速地发展时期, 通信需求大, 具有多种业务、多频段、综合信息化的特点。需要对卫星通讯技术的发展加以研究, 更好的为海洋石油深水业务卫星通讯模式的完善服务。

4 结语

海洋石油深水业务卫星通讯模式的研究与建立, 主要是更好的为海洋石油深水的发展提供通讯保障, 更好的为海洋石油深水业务服务。需要在该领域加大研究的力度, 更好的为我国海洋石油深水业务的发展服务, 更好的为祖国海洋石油事业服务。

参考文献

[1]林智慧, 李磊民.卫星通信的技术发展及应用[J].现代电子技术, 2007 (3) .

[2]张更新, 甘仲民.卫星通信的发展现状和趋势 (下) [J].数字通信世界, 2007 (2) .

[3]陈杰.国外主要通信卫星技术计划及其进展[J].中国航天, 2007 (2) .

卫星双向法与卫星测距篇5

卫星双向时间比对是目前远距离台站时间比对精度最高的时间同步技术,时间比对精度达几百皮秒,比GPS共视技术的时间比对精度几乎高一个数量级.中科院国家授时中心根据多台站卫星时间比对经验,提出利用卫星双向比对技术进行卫星测距(称转发器定轨).实验证明:利用卫星双向技术(卫星需要转发器)进行卫星测距,可得到高精度卫星轨道(内符精度为几厘米)和卫星预报轨道.

作者：李志刚乔荣川冯初刚 LI Zhi-gang QIAO Rong-chuan FENG Chu-gang 作者单位：李志刚,乔荣川,LI Zhi-gang,QIAO Rong-chuan(中科院国家授时中心,陕西,西安,710600)

冯初刚,FENG Chu-gang(上海天文台,上海,30)

国际移动卫星公司订购阿尔法卫星篇6

令业界关注的是，Alphasat I-XL卫星将首次采用由欧洲空间局（ESA）组织EADS Astrium公司和泰雷兹·阿莱尼亚宇航公司（TAS公司）共同研制的欧洲新一代高功率的阿尔法卫星平台（Alphabus），这标志着目前正进入研制关键阶段的Alphabus平台向实用的目标迈开了重要的一步。据TAS公司介绍，为迎应国际市场上对重型通信卫星的需求，Alphabus平台装置的通信卫星有效载荷的功率将提高到12～18KW，基于该平台的卫星的发射重量将达6～8吨，该平台将可容纳190个高功率转发器，并可配置大型天线。此外，根据市场的需求，阿尔法卫星平台的有效载荷功率可扩大到20KW，卫星发射重量可增加到9吨。据称，TAS公司和Astrium公司分工承担研制Alphabus平台的相关部件及系统，同时也负责在国际市场上行销Alphasat商用通信卫星。

作为采用Alphabus平台的首发卫星，Alphasat I-XL卫星将世界上性能先进的大型通信卫星之一。与Inmarsat公司2005年发射的Inmarsat 4f1/4f2宽带移动通信卫星相比，Alphasat I-XL卫星具有更高的功率、更大的容量和更长的使用寿命，发射重约6000公斤，有效载荷功率达12KW，卫星在轨设计寿命15年。该卫星还具有以下多个特色：一是将使用国际电联最近分配的L波段新频段，可为卫星电话用户提供多达750个品质显著改进的频段，可为卫星电话用户提供多达750个品质显著改进的频道；二是在有效载荷上采用了新一代的数字信号处理器，使卫星电话用户获得更好的通信质量及更短的下载时间；三是星载缝隙天线的发射器达12米。

根据Inmarsat公司与欧空局最近签署的协议，Alphasat I-XL卫星除了为Inmarsat公司携带大型商用通信有效载荷外，还将为ESA携带3个技术实验有效载荷。

Inmarsat公司称，Alphasat I-XL卫星2012年升空投入商业运行后，将能很好地补足及扩展现由Inmarsat 4f1/4f2卫星所提供的宽带全球区域网（BGAN）服务。借助这颗卫星，Inmarsat公司将能够更好更快更全面地为欧洲、中东及非洲等地区现有的和未来的用户提供多方面的宽带通信服务，包括灾难危急事件中允冲的应急通信，通过BGAN便携式数据终端为偏僻及遥远地区的家庭、学校和商行提供连接，以及为政府与分散的居住人口提供连接，为媒体、海事单位、石油天然气公司等宽广的行业部门提供语音、数据等基本服务。

据悉，Alphasat I-XL卫星项目得到欧洲空间局、英国国家空间中心（BNSC）等机购以及公共、私营金融机构的财政支持，该项目不包括保险费用的总金额预期为2.6亿欧元（3.86亿美元）。

卫星模式篇7

遥感卫星具有覆盖范围广、运行时间长、不受国界和空域限制等独特优势,为对地观测开辟了新领域,一直为各国政府所重视。随着全球气候变暖,各种极端自然灾害日益频发,局部和地区性恐怖主义的威胁不断涌现,应急观测需求日益增多,用户对观测时效性提出了更高的要求,这给遥感卫星的管理控制带来了极大挑战。

经历抗震救灾、反恐维稳和保交护航等非战争军事行动的实际应用,遥感卫星暴露出了许多不足或与突发事件应急保障不相适应之处,现有的卫星存在不能及时响应现场变化［1］、不能由现场决策人员控制,以及不能满足时效性要求等问题,而且现有的太空能力不能有效地提供信息,特别是很难把现场空间感知信息直接送达救援队伍,因此需要研制相应功能的卫星,开发更加灵活的系统结构,提供更快速响应的能力［2］。

遥感卫星的响应能力取决于卫星数量、遥感器性能、轨道选择、地面系统结构以及管控模式等因素,前几个属于硬的因素,而管控模式属于软的因素,在硬件条件一定的情况下,采用更为合理的管控模式能够极大提高整个卫星系统的响应能力。因此,研究动态环境下特别是面向突发事件的遥感卫星管控模式具有重要的社会和经济意义。

1动态环境的描述

空间分辨率是指在像元的可分辨极限条件下, 像元所对应的地面空间尺度通常称之为地面分辨率。空间分辨率是评价遥感器性能和遥感信息的重要指标之一,也是识别地物形状大小的重要依据。

时间分辨率是指遥感卫星对同一地面目标相邻2次观测的最小时间间隔,通常称之为重访周期。时间间隔大,则时间分辨率低,反之则时间分辨率高。时间分辨率是评价对地观测系统动态监测能力的重要指标。多星组网能够提高时间分辨率,对面向突发事件的应急观测具有非常主要的作用。

时效性是指观测需求或任务从提出到完成所允许的最大时间间隔。时间间隔大,则时效性低,反之则时效性高。时效性是观察需求或任务的固有属性,反映了该需求或任务的紧迫程度。

响应时间是指对地观测系统从获取用户需求到将图像产品交付给用户之间的时间间隔。响应时间是衡量对地观测系统响应能力的关键参数。

动态环境是指对地观测系统所处环境在一定时间内发生急剧变化,造成用户需求在提交时间和数量上具有极大的不确定性,用户对观测需求的时间分辨率和时效性往往提出非常严格的要求,另外,环境变化也可能导致卫星数量和轨道特征动态变化。突发事件所处地点就是一个典型的动态环境,周围环境瞬息万变,不确定因素众多,决策人员要求能够实时或近实时获取目标位置、损毁效果评估等信息, 卫星为了躲避反卫星武器的攻击或者阻止敌方预测过顶时间,需要进行机动变轨,在卫星出现故障或被击毁的情况下,为了提高整个卫星系统的响应能力, 需要快速增补卫星［3］。

相对于动态环境,地观测系统所处的日常工作环境即为静态环境。用户需求在提交时间和数量上具有一定规律性,对观测的时间分辨率和时效性并没有严格要求,卫星数量和轨道特征基本保持不变。

2遥感卫星日常管控模式

遥感卫星运行管控主要根据遥感卫星应用任务需求,对空间和地面资源进行分配,对信息获取、处理与传输活动进行调度,制定出满足卫星应用任务需求的卫星对地观测计划、数传计划、测控计划、数据中继计划、地面站接收计划和地面数据传输与处理计划［4］。根据所管理卫星的数量,遥感卫星管控可分为各星单独管控和多星集中管控。根据所处环境,遥感卫星管控可分为静态环境下遥感卫星管控和动态环境下遥感卫星管控,显然,遥感卫星日常管控对应静态环境下的遥感卫星管控。

随着航天事业的发展,遥感卫星的数量及种类逐步增多,成像任务的需求量也飞速增加,成像任务类型更加复杂多样,用户对成像任务的时效性、准确性要求更加严格,任务管理的复杂度大大增加,原有的各星单独管控模式已经无法满足实际需要,有必要采用多星集中管控模式［5－7］。多星集中管控能够充分发挥卫星资源的最大效益,减少地面设施重复建设,降低卫星运行管理成本,缩短对地观测的重访周期。

目前,在遥感卫星日常管理中基本采用多星集中管控模式［8］,日常管控模式的特点主要体现在以下几个方面:

1任务规划以周期规划为主,最大化资源的使用效益。卫星管控部门在收到用户提出的观测需求后,并没有立即进行处理,而是等到当前周期快结束时统一进行规划,一般采用日规划的形式,优化目标为最大化多颗卫星的总收益,虽然考虑了用户需求的优先级,但并没有体现用户最为关心的响应时间。

2自动化程度不高,人工干预较多。遥感卫星地面系统在一些关键环节存在较多的人工干预,降低了系统的执行效率,由于地面系统结构复杂,加上涉及利益分配,导致系统内部各个分系统之间存在冗余设计,影响了整个卫星系统的响应能力。

3管控环节过多,需求响应时间长。从用户提出观测需求,到将图像产品交付给用户,构成一个闭环,如图1所示。其中,影响产品交付时间的主要环节包括任务调度、卫星测控、数据获取、数据接收、数据处理、产品生产和数据分发。

任务调度所需时间取决于采用哪种调度方式和调度算法,目前一般采用周期调度方式,如图2所示。第i-1个决策点ti－1与第i个决策点ti之间为一个周期,当t=ti－1时,需要对任务集Ni－1进行调度, 由于要考虑决策时间,因此,实际的规划周期为[ti－1+τi－1,ti+τi],在下一个决策点ti,需要调度的任务集Ni由前一阶段未完成的任务集和新到达任务集构成,如果某个新任务刚好在决策点ti－1之后提出,则该任务必须等到至少ti时才能被安排,而其观测时间在ti+τi之后,因此,对于该任务来说,任务调度环节所需时间至少为ti+τi-ti－1,大于一个周期。决策时间 τi与调度算法有关［9］,然而,求解质量与求解时间是一对矛盾,选择哪种调度算法需要权衡考虑。由于卫星管控部门较为关心资源的使用效益,因此,一般选择求解质量较好的智能优化算法。

卫星测控所需时间与测控手段有关,对于由若干个测控站构成的地基测控网,测控时间取决于卫星与地面测控站的可见时间窗口,对于由中继卫星和导航卫星构成的天基测控网,基本上可以做到实时测控［10］。

数据获取所需时间取决于卫星与目标的可见时间窗口,如果多星对该目标的时间分辨率高,则所需时间较短,反之,则所需时间较长。

数据接收所需时间与数传方式有关［11］,如果卫星观测目标时刚好在地面接收站可见范围内或中继卫星系统可用,则可以采取实时数传方式,否则,所需时间取决于卫星与地面接收站的可见时间窗口。

数据处理所需时间取决于处理能力,如果卫星具有星上自主处理能力,则可以将数据处理活动安排在数据下传之前的空闲时间进行,因而所需时间不会影响产品交付时间; 如果将遥感数据安排在地面接收站进行处理,则所需时间不能忽略。

产品生产所需时间与用户对产品的加工要求有关,对于粗加工产品,所需时间较短,而对于精加工产品,所需时间较长,此外,如果加工设备能力允许的话,可以采取并行加工方式,以缩短所需时间。

数据分发所需时间取决于通信网络容量和数据传输速率,由于卫星观测数据的数据量一般较大,特别是对于高分辨率遥感数据,需要大容量的数据传输网络,如果数据传输速率较高,则所需时间较短, 反之,所需时间较长。

从上述分析可以看出,卫星系统对用户需求的响应时间较长,一般需要数天,甚至长达半个月,显然,这远远不能满足突发事件中应急观测对实时性的要求。

3遥感卫星动态管控模式

由于动态环境下用户需求的提出具有很大的不确定性,并且用户对观测需求的时效性作了严格限制,特别是对于突发事件,用户往往要求卫星能够实时提供所需观测信息,因此,动态环境下遥感卫星运行管控不能采用日常管控模式,必须以用户为中心, 立足于快速满足用户需求,为决策人员提供持久的环境态势感知能力［12］。

由于动态环境下用户需求的紧迫程度高,用户非常关注需求的执行状态,因此,要改革原有的业务流程,建立以用户为中心的遥感卫星业务流程,如图3所示,考虑到用户和地面系统分布在不同的地理位置,采用网络化能够将各个部分有机地联系起来［13］,用户通过卫星综合信息网可以随时提出需求和查看已有需求的完成情况,有利于及时进行下一步决策。基于网络的虚拟任务操作中心( Virtual Mission Operations Center,VMOC) 执行任务分配、数据分发以及相互协作［3］。

任务规划与调度是遥感卫星管控中的一个重要环节,以周期为特征的调度方式本质上是一种离线调度,为了快速响应用户需求,必须采用在线调度方式,实现从基于时间驱动的任务规划向基于事件驱动的任务规划转变,从而更好地满足用户需求。

充分利用中继卫星系统,实现实时测控和数传。要求卫星具有星上处理能力。地面数据处理中心采取并行处理技术,提高数据产品的生产效率。

临时指挥所通过通用数据链/多频带集成卫星终端( CDL/MIST) 直接控制卫星［14］,采用虚拟任务操作中心上注指令给卫星,并通过CDL/MIST下传数据或通过中继卫星转发。

周期调度关注的是时间,即如何使一个周期内安排的任务最多,从而使收益最大,而在线调度关注的任务本身,即如何确定任务的观测开始时间,从而使该任务尽可能早完成。周期调度人为地将时间轴划分为若干个周期,而在线调度依据事件( 新任务到达、卫星故障、卫星变轨和增补卫星) 发生时刻进行及时处理。

在线调度如图4所示,当t = t'i－1时,第i-1个任务Ji－1到达,需要立即对其调度,决策所需时间为 τ'i－1,由于在对Ji－1进行决策时并不知道第i个任务Ji的到达时间,而t'i有可能刚好在t'i－1之后,这就要求 τ'i－1尽可能小,对于Ji、Ji+1等后续任务的决策同样有这个要求,因此,对于在线调度,每次决策所需时间几乎可以忽略,这对在线算法提出了很高的要求, 即在线算法是一种实时算法。

由于卫星系统的响应时间与时间分辨率有关, 为了提高快速响应能力,要求时间分辨率尽可能高, 这就要求在轨卫星尽可能多,而经费预算有限的情况下,只能通过降低单颗卫星的成本来实现,采用小卫星技术可以缩短卫星的研制周期,降低卫星的制造成本,采用快速发射技术可以迅速补充在轨卫星数量。如果在轨卫星的数量足够多,整个卫星系统对任意目标的重访周期能够小于10 min。例如美国曾经构想的Starlite计划采用48颗卫星可将反应时间进一步缩短为5 min。

卫星测控和数据接收通过中继卫星系统基本可以实现实时操作,采用星上处理技术可以缩短地面系统的数据处理时间。

通过以上几个方面的改进,可以将卫星系统的响应时间缩短至10 min以内［15］,基本达到支持突发事件应急观测的实时和近实时要求。

4结束语

基于快速满足用户需求的敏捷管控模式体现了以用户为中心的管控思想,通过针对核心管控环节进行优化,能够大大缩短遥感卫星系统的响应时间,满足突发事件对时效性的要求。然而,本文只是提出了增强遥感卫星系统快速响应能力的基本思路, 未来将针对其中的关键技术进行研究。

摘要：遥感卫星具有覆盖范围广、成像速度快、不受国土、领海和领空限制等独特优势,在国防和经济建设领域中发挥了重要作用,然而,现有的遥感卫星系统运控环节多、重访周期长,很难把空间观测信息直接送达用户,不能满足突发事件中应急保障的需要,有必要设计更为灵活的管控模式以提高整个卫星系统的响应能力。通过对遥感卫星现有管控模式进行分析,提出了基于快速满足用户需求的敏捷管控模式,可以将卫星系统的响应时间大大缩短,基本达到支持突发事件应急观测的实时和近实时要求。

卫星模式篇8

卫星通信因其具有诸多优点而得到了广泛应用, 但其系统性能和业务能力受降雨、干扰、地理环境等多种因素影响。为了适应复杂的通信环境, 卫星通信设备都兼容各种通信模式, 例如不同的调制方式、不同的通信速率等, 这些多模式设备可以满足不同场合的应用需求, 是卫星通信设备的发展趋势之一, 目前美国的主要卫星通信设备都具备5种或5种以上的调制方式[1,2,3], 并且支持多种参数可变, 可以最大限度地发挥卫星通信链路的能力。多种调制方式能够适用于各种复杂的通信环境, 但对系统的实现方案也必然提出了更高的要求, 针对某些特定信号样式设计的系统实现方案和算法已经不再适用, 需要针对各种调制方式进行一体化设计。

载波同步是系统实现中非常重要的一环, 对系统的性能起着决定性影响, 现有的载波同步算法都是针对某些具体的信号样式[4,5,6,7,8], 不能适应于多模式接收机。本文针对多模式终端的载波同步方案进行了一体化设计, 提出了一种适应于各种通信模式的载波同步方案, 并对该方案进行了硬件实现验证。该方案不局限于某种调制方式或某些特定的信号参数, 并能够获得良好的性能, 具有一定的实用价值。

本文第二部分介绍了载波同步的基本模型和一体化载波同步方案, 第三部分采用FPGA对一体化的载波同步方案进行了硬件实现验证, 最后对全文进行了总结。

2 载波同步方案

2.1 载波同步的基本模型

载波同步是为了在接收端产生一个与接收信号同频同相的本地载波信号。目前, 使用最广泛的载波同步方法是通过参数估计技术直接从接收信号中提取相干载波, 一般使用的参数估计准则是最大似然 (ML) 准则。一般接收信号可表示为[9]:

$r (t) = s (t, a, θ) + n (t) (1)$

式中s (t, a, θ) 为含有数据符号的发送信号, n (t) 为单边功率谱密度为n0的加性高斯白噪声, 其中a={an}是发送的符号序列, θ是未知的载波相位。

最大似然准则就是通过最大化似然函数, 求出载波相位参数θ。设观察时间为T0, 在加性高斯白噪声 (AGWN) 信道条件下, 似然子函数的等价为

$Λ (θ) = \frac{2}{n_{0}} \int_{Τ_{0}} r (t) s (t, a, θ) d t (2)$

最大似然准则 (ML) 对θ的估计值为 $\hat{θ}_{Μ L} ‚ \hat{θ}_{Μ L}$ 等价为使对数似然函数Λ (θ) 最大。从式 (2) 可以看出, 似然函数等于接收信号r (t) 与s (t, a, θ) 的互相关。

当发送信号是一个未调载波时, 使似然函数最大的 $\hat{θ}_{Μ L}$ 满足

$\int_{Τ_{0}} r (t) \sin (2 π f_{c} t + \hat{θ}_{Μ L}) d t = 0 (3)$

或等价为:

$\hat{θ}_{Μ L} = - \tan^{- 1} \frac{\int_{Τ_{0}} r (t) \sin (2 π f_{c} t) d t}{\int_{Τ_{0}} r (t) \cos (2 π f_{c} t) d t} (4)$

由式 (3) 、 (4) 可以得到获取未调载波相位的两种电路结构, 分别如图 1、图 2所示。

从以上两种实现结构来看, 可以把载波同步技术分成两大类, 一类是基于锁相理论的闭环反馈 (Feedback) 同步技术, 常用的算法主要有PLL算法和AFC算法;另一类是基于点估计的开环前馈 (Feed-forward) 同步技术, 常用的算法有简单的差分频率估计算法、最小均方误差算法、自相关函数算法和DFT算法等。闭环算法通过信息的反馈来不断地调整环路, 跟踪输入的变化, 具有精度高, 且能够无误差的捕获频偏和跟踪频偏变化的优点。但由于存在"悬搁"现象[10], 闭环算法的载波恢复时间较长, 不适合需要快速载波恢复的场合。开环前馈算法在结构上没有反馈环, 处理速度快, 适合需要快速载波恢复的场合。

2.2 载波同步方案

在卫星通信特别是移动卫星通信中, 由于收发双方存在的快速相对运动以及频率源的不稳定性, 多普勒频移问题非常严重, 且有可能远超过符号速率, 这就要求接收机具有捕获和跟踪大多普勒频移的能力;另外要同时考虑多种调制方式, 每种调制方式去调制的过程也各有差异, 综合考虑, 载波同步方案采用DFT算法, 利用帧中特有的同步头对初始频偏进行捕获, 同时判定信号是否到达, 处理结构如图 3所示。

输入信号首先进行FFT变换, 并对其频谱进行分析, 寻找特定的谱规律, 判定信号是否到达, 同时得到信号的初始频偏, 经过频偏校正的信号通过位同步后, 利用信道帧中的独特码进行信道估计, 得到等效信道复冲击响应, 再根据复冲击响应对信号进行精确校正, 进而得到完全同步的信号, 进行解调判决。

FFT估计的频率精度由其分辨率决定[11], 分辨率与抽样速率、所采用的FFT样点数有关, 它们之间的关系为:

$Δ f = f_{s} / Ν (5)$

其中△f为频率分辨率, N为FFT所采用的有效样本点数, fs为采样速率, 结合相位修正算法, 可以进一步提高精度。可根据系统需要, 灵活选取fs和N, 满足系统的捕获范围和精度的要求。

对于剩余频差和相差, 用信道估计[12]消除。接收判决样点可以表示为:

$r_{k} = \sum_{i = 0}^{L - 1} h_{i} a_{k - i} + v_{k} (6)$

上式中, hi是信道冲激响应, 由h (t) 采样得到, L为信道冲击响应的长度, vk是均值为零, 方差为σ $_{v}^{2}$ 的复高斯白噪声。式 (6) 可以写为矩阵形式:

$r_{k} = a^{Τ} (k) h + v_{k} (7)$

其中a (k) =[akak-1 … ak-L+1]T为信息序列向量, h=[h0h1 … hL-1]T为信道冲激响应。假设训练序列长度为M, 则训练序列形成的Toeplitz矩阵S为:

$S = [a^{Τ} (k) a^{Τ} (k + 1) \dots a^{Τ} (k + Μ - 1)] = (\begin{matrix} a_{k} & a_{k - 1} & \dots & a_{k - L + 1} \\ a_{k + 1} & a_{k} & \dots & a_{k - L + 2} \\ \dots & \dots & \dots & \dots \\ a_{k + Μ - 1} & a_{k + Μ - 2} & \dots & a_{k + Μ - L} \end{matrix}) (8)$

相应的采样数据矢量r=[rkrk+1 … rk+M-1]T, 噪声矢量v=[vkvk+1 … vk+M-1]T。此时式 (6) 可以写为:

$r = S h + v (9)$

采用最小二乘信道估计, 可得:

$\hat{h} = (S^{Τ} S)^{- 1} S^{Τ} r (10)$

发送的训练序列具有尖锐的自相关特性, 即STS近似为对角阵, 则有

$\hat{h} = \frac{1}{Μ} S^{Τ} r (11)$

接收机将信道估计输出作为滤波器系数对最佳采样序列进行匹配滤波, 滤波输出即为频差和相差校准的基带信号。

3 载波同步方案的FPGA实现

载波同步整体实现方案如图 3所示。首先输入每个符号8个样点的I、Q两路基带数据, 采用FFT进行信号捕获和初始频差捕获, 然后对位同步后的信号的帧头捕获, 同时进行信道估计, 并通过信道估计值校正剩余频差和相差, 输出样点值即可进行译码判决。

载波同步实现方案可以分为两个方面:一是初始频偏捕获, 二是剩余频差和相差校正, 其具体实现过程如下。

3.1 初始频偏捕获实现

初始频偏捕获分为三部分:一是数据缓冲, 二是FFT处理, 三是谱分析;其中最重要的FFT处理, 对实现FFT, 可以采用相应的FFT IP核, 这样数据缓冲完成数据结构变换和FFT核接口两个功能, 谱分析主要根据FFT输出信号的谱特征比对发送信号的谱特征, 判定信号频差, 同时给出信号到达指示。具体硬件实现如图 4所示。

3.2 剩余频差和相位校正实现

剩余频差和相位校正的实现原理是将帧头作为训练序列对信道进行估计, 获得信道的复冲击响应, 进而进行复滤波, 消除剩余频差和相差的影响。因此, 其实现过程也可以分为两个方面:一是帧头捕获, 同时存储相应的信道估计值;二是进行复滤波。具体的硬件实现如图 5所示。

4 硬件实现结果

本文采用了ALTERA公司生产的Cyclone II系列中的EP2C70来实现, 采用VHDL语言进行描述, 应用ALTERA公司的开发工具QuartusII进行开发。对符号速率为9.6kHz的GMSK信号进行了验证, 图 6是在频差为5kHz, 相差为π/3条件下的硬件仿真结果 (输入的数据为全"0") 。

由图可见, 经过载波同步处理后, 同步完成后输出的基带数据 (图中"sym"所示) 基本相等, 表明采用该载波同步方案, 能够较好地完成载波同步, 且同步精度较高。

因为本文采用的是开环的载波同步方案, 帧与帧之间不相互影响, 可以在极低信噪比条件下工作, 并可以获得良好的性能。试验证明, 在Eb/N0为0dB时, 该载波同步方案仍能获得良好的性能, 已经在多模式卫星接收机中得到了成功应用。

5 结束语

同步是通信系统设计中的核心问题也是难点问题, 同步的性能对系统的整体性能具有决定性的影响。本文首先对通信系统中载波同步的基本模型进行了分析, 然后对多模式卫星接收机中的载波同步问题进行了具体研究, 提出了一种能够适合软件化多模式卫星接收机的一体化载波同步设计方案。经仿真研究和硬件系统实际测试, 本文提出的设计方案能够很好地完成载波同步, 尤其在极低信噪比条件下可以获得良好性能, 具有较高的实用价值。

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卫星模式篇9

1 区域地质背景

卫星地区位于黑龙江省安达市境内, 地处松辽盆地三肇凹陷的西北部, 东靠升平构造带, 西接大庆长垣, 南临宋芳屯油田, 北为安达凹陷。卫星地区由西至东跨越了大庆长垣、三肇凹陷两个二级构造单元, 构造运动缓慢, 地势起伏不大, 由于差异性压实作用, 整体上表现为向长垣抬升的斜坡区[12] (图1) 。

卫星地区泉头组三、四段砂岩粒度中等, 以灰、灰白色细-粉砂岩、泥质粉砂岩为主, 泥质含量较大。泥岩颜色以灰色、灰绿色、紫红色及杂色为主, 由岩芯观察及录井资料统计, 泉四段灰-灰绿色泥岩约占65.5%, 泉三段紫红色泥岩约占73.5%, 说明研究区泉头组三、四段沉积期处于弱氧化-弱还原环境中, 沉积水体整体较浅。

泉头组三、四段地层与上覆青山口组呈整合-不整合接触, 总厚度130~160 m, 其中泉四段地层较泉三段更厚, 75~90 m。根据岩电响应以及沉积旋回特征, 将泉三、四段自下而上划分了12个砂岩组, 即:泉三段 (扶Ⅱ组) 划分为FⅡ1~FⅡ5砂岩组、泉四段 (扶Ⅰ组) 划分为FⅠ1~FⅠ7砂岩组。其中FⅠ3、FⅠ7、FⅡ1、FⅡ2和FⅡ3沉积期单层砂岩厚度最大可达在13 m, 砂地比值最大在83.77%~94.8%内, 是研究区主要油气勘探开发目的层系 (图1) 。

2 岩石相特点

通过对26口预探井岩芯精细观察, 在研究区内泉三、四段中识别出12种岩石相类型, 并分析其垂向上的组合特征。

2.1 岩石相类型

(1) 含泥砾 (细) 粉砂岩相。浅灰色、灰白色 (细) 粉砂岩夹杂深灰色泥砾岩, 泥砾粒径大多在0.5~2 cm, 沿层定向排列在冲刷面之上 (图2) , 可用来指示水流的流向。底冲刷和泥砾岩沉积在研究区较为发育, 多形成于河道底部滞留或决口漫岸沉积作用, 冲刷厚度一般3.5~10 cm。

(2) 槽状交错层理 (细) 粉砂岩相。岩性为灰色 (细) 粉砂岩, 夹有少量泥质岩, 层系的底界为槽形面, 纹层在顶部被切割, 单层系厚度薄, 一般1~4.5cm不等分布。层系下部常见冲刷面, 层面上有细小植物碎屑, 层系厚度平均5~10 cm, 研究区内常出现在分流河道、水下分流河道砂岩中。

(3) 板状交错层理粉砂岩相。岩性为灰绿色、灰色粉砂岩夹少量泥质粉砂岩, 层系之间的界面彼此平行, 单层系呈板状, 单层系厚度0.5~3.2 cm不均匀分布。层系下部常见冲刷面, 为较高能量水流条件下的沉积产物, 层系倾角一般在23°左右, 砂岩局部被油侵呈褐色, 研究区内常出现在分流河道、水下分流河道中。

(4) 平行层理粉砂岩相。岩性以灰色、灰绿色粉砂岩为主, 夹少量细砂岩, 多出现在小型交错层理之上或之间, 单层系厚度薄, 平均为1~2.5 cm, 水平细层发育, 形成于水体活动较大的沉积环境下, 研究区内常出现在分流河道、水下分流河道砂岩中。

(5) 流水沙纹层理粉砂岩相。岩性主要由浅灰色、灰白色粉砂岩夹泥质粉砂岩组成, 层系界面呈低角度相交, 细层向一方倾斜收敛, 倾角一般在2°~8°, 单层系厚度较小, 平均在5 mm左右。层面偶见植物化石、云母碎屑, 为弱水动力条件下沙纹迁移的产物, 研究区内常出现在平原的分流河道间、前缘的水下分流河道间及浅湖砂坝中。

(6) 变形层理 (泥质) 粉砂岩相。岩性以灰色、灰绿色粉砂岩、泥质粉砂岩为主, 夹有粉砂质泥岩和泥岩, 层系厚度在3~10 cm分布, 主要可见球枕和包卷两种形态的变形层理, 纹层由于沉积负荷或沉积物液化作用发生形变、成扭曲状, 没有固定的倾斜方向, 反映了滨浅湖、支流间湾和前三角洲的沉积特征。

(7) 生物扰动 (泥质) 粉砂岩相。岩性主要由灰白色泥质粉砂岩、粉砂岩组成, 夹条带状泥质岩, 伴随着水平和波状纹层。垂直和水平生物钻孔尤为发育, 可能是Scoyenia-Skolithos遗迹相[13], 垂直钻孔宽2.5~3.5 cm, 水平钻孔长4~6 cm。生物扰动构造常出现在三角洲平原、前缘或漫滩沼泽环境中。

(8) 水平层理泥岩相。岩性主要由深灰色、灰黑色泥岩夹粉砂质泥岩组成, 细层平直与层面平行, 常常发育季节性细薄清晰且平行的纹层, 层面上可见黄铁矿晶体颗粒、植物碎片, 反映了相对较深的低能静水还原环境, 研究区内主要出现在潮湿的分流间湾、河道间或浅湖泥环境中。

(9) 紫红色泥质岩相。岩性主要为紫红色、暗紫色泥岩、粉砂质泥岩, 发育块状层理、水平层理, 为弱水动力条件下的静水悬浮沉积, 反映了弱氧化-氧化的沉积环境, 研究区内多出现在三角洲平原的洪泛沉积环境中。

(10) 灰绿色泥岩相。岩性主要为灰色、灰绿色泥岩、粉砂质泥岩, 沉积时处于弱氧化-弱还原的环境下, 发育于高沉积速率加积作用明显的环境下, 研究区内常出现在三角洲前缘的支流间湾或决口扇内末端。

(11) 含黄铁矿泥岩相。主要发育于灰绿色泥岩中, 富集大小不一, 是处于还原环境的标志, 偶尔可见于紫红色泥岩中, 是由于后期暴露氧化形成的。研究区内出现在三角洲前缘的支流间湾、浅湖环境中。

(12) 含钙质结核粉砂质泥岩相。研究区内粉砂质泥岩中广泛发育钙质结核、钙质角砾等, 钙质结核的分布及不同颜色泥岩中的钙质结核可用来表明古土壤的发育程度, 故将其单作为一种岩相来说明。钙质结核大小不一, 粒径在0.3~7.5 cm分布, 一般在1.2~3.5 cm内, 该岩相研究区内多发于在决口扇、三角洲平原的洪泛沉积中。

2.2 岩石相组合

(1) 砂岩相组合。该组合常出现在 (水下) 分流河道微相中, 下部发育有2~6套河道旋回沉积, 剖面由下至上依次出现有含泥砾粉砂岩相-槽状交错层理粉砂岩-变形层理粉砂岩相-平行层理粉砂岩相-流水沙纹层理粉砂岩相[图3 (a) ]。该组合类型砂岩底部可见冲刷构造, 垂向序列基本发育完整, 向上层理规模逐渐变小, 反映了水动力条件逐渐减弱的沉积过程。

A为太12, Q4, 1 673.16 m, 含泥砾细砂岩相;B为肇39, Q4, 1 948.36 m, 小型槽状交错层理粉砂岩相;C为徐231, Q4, 2 087.31 m, 平行层理泥质粉砂岩相;D为卫24, Q4, 1 877.99 m, 生物扰动泥质粉砂岩相;E为太20, Q4, 1 706.4 m, 含钙质结核粉砂质泥岩相;F为芳33, Q4, 1 798.66 m, 小型板状交错层理细砂岩相;G为太23.Q4, 1 738.64 m, 含黄铁矿泥岩相;H为卫101, Q4, 1 805.7 m, 包卷变形层理泥质粉砂岩;I为太20, Q3, 1 714.9 m, 正韵律特征, 含泥砾粉砂岩相;J为升52, Q3, 1 854.7 m, 球枕变形层理 (泥质) 粉砂岩相

A为卫102井 (Q3, 1 880~1 892 m) ;B为卫28 (Q3, 1 865~1 880 m) ;C为卫212 (Q4, 1 830~1 845 m) ;D为芳51 (Q4, 1 770~1 782 m)

(2) 粉砂岩相-泥质粉砂岩相/粉砂质泥岩相-泥岩相组合。该组合类型最为常见, 河道多为单期次沉积, 砂岩底部为含泥砾粉砂岩相, 有时可见底冲刷构造, 向上层理规模变小, 岩性变为泥质粉砂岩或粉砂质泥岩, 泥质含量逐渐增加, 垂向序列大多发育不完全, 总体呈明显的向上变细正韵律沉积特征[图3 (b) ]。常出现在三角洲前缘的水下分流河道-水下决口扇-支流间湾、三角洲平原的分流河道-决口扇 (-天然堤) -洪泛沉积的微相组合中。

(3) (泥质) 粉砂岩相-泥岩相组合。该组合类型较为常见, (泥质) 粉砂岩相与灰绿色泥岩相或紫红色泥岩相直接接触, 粉砂岩中常出现流水沙纹层理, 泥岩中常发育平行层理、富含钙质结核, 总体构成了向上变细的正韵律或反韵律[图3 (c) ]。粉砂岩或泥质粉砂岩厚度较薄, 多在0.5~1.8 m, 该组合类型常出现在三角洲前缘的水下决口扇-支流间湾、三角洲平原的决口扇-洪泛沉积的微相组合中。

(4) 大段泥岩相夹泥质粉砂岩相-粉砂岩相组合。泥岩颜色偏深, 多为灰黑色、暗灰色块状, 沉积厚度大, 夹薄层灰色泥质粉砂岩或粉砂岩 (图3-D) , 该组合类型出现在浅湖亚相的浅湖泥-浅湖砂坝-浅湖泥的微相组合中。

3 测井相特点

在大量岩芯精细观察的基础上, 根据岩性、沉积构造、岩相类型及组合规律对研究区泉三、四段进行了综合分析, 主要参考GR、SP曲线资料, 总结微相所共有的测井相要素特征, 建立研究区的测井微相模型 (图4) 。

(1) 箱形:厚度较大, 一般在3.5~8 m, 最大可达10 m, 曲线顶底突变, 幅度变化大, 上下起伏程度基本一致, 表明沉积物粒度相对均一, 具持续较强的水动力条件和稳定的物源供给, 为典型的河道沉积。

(2) 钟形:厚度较大, 一般在3~7.5 m, 曲线顶部渐变、底部突变, 幅度变化大, 向上幅度有所减少, 整体呈现下宽上窄的钟形 (图4-A) , 表明水动力有所减弱、物源供给减少, 为河道沉积正旋回沉积特征的反映。

(3) 漏斗形:沉积厚度中等, 2.8~5.5 m左右, 最大不超过6 m, 曲线顶部渐变-突变、底部渐变, 幅度变化大, 向下幅度逐渐减少 (图4-F) , 沉积物粒度较细, 主要为粉砂岩、泥质粉砂岩沉积, 整体显示出逆粒序的沉积特征, 在研究区内不多见, 出现在河道、决口扇、浅湖砂坝沉积中。

(4) 指形:沉积厚度较薄, 一般在1.2~3 m, 曲线顶底突变, 中等变化幅度[图4 (c) ], 沉积物粒度较细, 主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩沉积, 上下多与泥岩直接接触, 出现在决口扇、天然堤沉积中。

(5) 齿化线形:主要是泥岩段的在测井曲线上的响应, GR值为高值, SP值为低值, 可连成一条相当稳定的基线, 广泛出现在三角洲前缘的支流间湾、三角洲平原的洪泛沉积中。

(6) 钟形-钟形、箱形-钟形、箱形-箱形组合:曲线上下均呈钟形、箱形或箱形-钟形的组合特征, 反映了河道的多期次叠加沉积规律, 整体厚度较大, 该组合的下部粉砂岩与泥岩呈突变接触, 上部粉砂岩与泥质粉砂岩、泥岩接触[图4 (D) 、 (E) ], 表明了沉积水体比较稳定、水动力减弱的趋势。

A为芳34, 钟形;B为卫28, 箱形-指形组合;C为卫28, 指形;D为卫251, 箱形-箱形组合;E为芳33, 箱形-钟形组合;F为卫212, 直线形-漏斗形-直线形

(7) 箱形-指形组合:曲线下部为箱形, 上部为指形, 顶底突变接触, 自下而上岩性出现粉砂岩-泥岩-泥质粉砂岩-泥岩的变化[图4 (D) ], 表明了沉积水体动荡、水动力条件整体变小, 多为河道-决口扇、河道-天然堤的微相组合类型。

4 浅水三角洲沉积微相特征

松辽北部卫星地区取心井的岩石相特征及组合、测井相类型等资料表明, 泉头组三、四段发育浅水三角洲-浅湖沉积, 可分为三角洲前缘、平原2种亚相, 可细分出7种微相类型 (图5) , 其中, 水下分流河道和分流河道为主要的骨架砂体类型。

4.1 三角洲平原亚相

三角洲平原主要发育在泉四段下部、泉三段上部, 由分流河道、决口扇、天然堤、支流间湾等4种微相组成, 泥岩颜色以紫红色为主。

(1) 分流河道微相:分流河道砂构成了三角洲平原的沉积骨架, 岩性以灰白色粉砂岩为主, 少量细砂岩, 粒度相对较粗, 砂岩底部可见明显高低起伏的冲刷界面, 具有明显间断性正韵律的二元结构, 发育小型槽状交错层理、平行层理、流水沙纹层理等, 局部被油侵呈褐色。测井曲线呈高幅变化的钟形、箱形、钟形-钟形及箱形-钟形组合。

(2) 决口扇微相:由紫红色泥质粉砂岩夹粉砂岩组成, 粒度细, 泥质含量较高, 呈现出小规模的正韵律特征, 可见流水沙纹层理、块状层理。测井曲线为中等幅度变化的指形、漏斗形。

(3) 天然堤微相:由紫红色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩组成, 厚度2.8~5.5 m, 最大不超过6 m, 可见流水沙纹层理、水平层理, 富含钙质结核。测井曲线为低幅的齿化箱型。

(4) 洪泛沉积微相:由厚层紫色、杂色夹灰绿色泥岩、粉砂质泥岩组成, 可见植物根茎、虫孔构造、黄铁矿, 含钙质结核。测井曲线表现为低幅度的直线形、微齿状。

4.2 三角洲前缘亚相

三角洲前缘主要发育在泉四段上部、泉三段下部, 主要由水下分流河道、水下决口扇、支流间湾等3种微相组成, 泥岩颜色明显以灰绿为主, 氧化色减少, 受到河流和湖泊双重作用, 形成薄而窄的水下分流河道。

(1) 水下分流河道微相:以灰白色、灰色粉砂岩为主, 夹灰绿色泥质粉砂岩, 粒度总体偏细, 砂岩厚度薄且层数多, 常显示多个单砂层叠加的组合。砂岩底部可见冲刷面, 向上层理发育较为明显, 出现小型交错层理、平行层理、流水沙纹层理。测井曲线呈中等幅度钟形或钟-箱形组合, 但厚度比分流河道要小。

(2) 水下决口扇微相:由灰绿色、灰色泥质粉砂岩夹薄层粉砂岩组成, 可见流水沙纹层理、植物碎片, 测井曲线呈中等幅度漏斗形。

(3) 支流间湾微相:厚层状灰绿-灰色泥岩、粉砂质泥岩组成, 具水平层理, 生物扰动构造发育, 层面富集云母碎片, 测井曲线呈低幅直线形或微齿状。

4.3 浅湖亚相

浅湖仅在泉四段顶部出现, 以大段厚层灰色、暗灰色泥岩为主, 夹薄层泥质粉砂岩、粉砂岩, 多显示向上变粗的组合特点, 可分为浅湖砂坝、浅湖泥2个微相。浅湖泥岩中发育水平层理、虫孔、生物扰动等沉积构造, 局部发育植物根、介形虫、次生黄铁矿, 可能与早成岩作用阶段的水介质的还原或亚还原条件有关。测井曲线整体较平直。浅湖砂坝厚度仅在0.8~2 m, 由薄层灰色泥质粉砂岩、粉砂岩组成, 发育流水沙纹层理, 测井曲线表现为指状或漏斗形。

5 浅水三角洲沉积模式

松辽北部卫星地区泉头组三、四段自下而上表现出水侵过程, 沉积水体整体上由浅变深, 但在泉三段初期出现小规模的水退, 进而建立起松辽盆地北部近似网状式浅水三角洲沉积模式 (图6) 。

综上所述, 研究区内浅水三角洲沉积表现出以下几个特点。

5.1 发育较强水动力特征的层理

研究区地势相对平缓, 形成的砂岩以细-粉砂岩为主, 分选性较好, 发育槽状交错层理、板状交错层理、平行层理, 砂岩底部常见冲刷面及泥砾排列, 泥砾长度多在0.5~2 cm, 沿层定向排列在冲刷面之上。多种交错层理层系厚度多大于3 cm, 板状交错层理与层系界面斜交, 倾角在23°左右, 反映了水动力较强的沉积特征。

5.2 发育三角洲前缘水下分流河道

浅水三角洲多形成于较临近物源、水体较浅的环境下, 物源供给较充足, 沉积水体能量较大, 形成了“大前缘、小平原”的沉积主体, 研究区内前三角洲不发育, 几乎与浅湖混合。水下分流河道构成前缘的骨架砂体, 河道不断改道、频繁分叉, 形成的砂体连续, 向水下延伸较远, 直至消失。

5.3 发育间断性的韵律变化

研究区受到河流和湖泊两种水动力影响, 垂向上形成间断性的韵律变化特征。三角洲前缘多为粉砂岩相-泥质粉砂岩相-粉砂质泥岩相-泥岩相完整的岩石相组合, 自下而上发育具有泥砾的冲刷面、小型槽状交错层理、平行层理、流水沙纹层理、生物扰动等沉积构造, 整体表现为多期次向上变细的正韵律特点;三角洲平原的垂向序列中间多有缺失, 层理规模向上变小, 整体表现为间断性的向上变细的正韵律特点。浅湖多为大段泥岩相-泥质粉砂岩相-粉砂岩相的岩石相组合, 表现为向上变粗的反韵律变化。

5.4 河道砂多为垂向加积型

浅水三角洲沉积模式下形成的河道砂多以垂向加积为主, 河道窄且分叉, 平面上形成近似网状河的外形特征, 横向上难于对比, 垂向上有韵律特征。近物源分流河道的砂体厚度多在3~8 m范围内, 最大可达10 m, 砂地比在25%~55%;远离物源水下分流河道末端的砂体厚度偏薄, 在1~2.5 m左右, 泥质含量增加, 砂地比普遍小于22%。

6 沉积相与油气的关系

卫星地区泉头组三、四段的油气分布明显受沉积相的控制, 有利的沉积相带是油气聚集成藏的地质基础, 是油气运移聚集的最有利载体。研究区FⅠ3砂岩组发育三角洲前缘亚相、FⅠ7、FⅡ1、FⅡ2和FⅡ3砂岩组发育三角洲平原亚相, 可形成大面积分布的分流河道砂体和水下分流河道砂体, 为油气聚集与储存的有利相带。FⅠ1、FⅠ2砂岩组发育三角洲前缘和浅湖亚相, 沉积水体相对较深, 单层厚度大, 泥质含量高, 孔渗性偏差, 可作为研究区良好的盖层, 上覆青山口组发育黑色油页岩, 可作为良好的盖层及烃源岩。

7 结论

(1) 通过对研究区内26口预探井岩芯精细观察, 在研究区泉三、四段中识别出12种岩石相、4种岩石相组合类型, 以及7种测井微相模型, 并分析垂向上的组合特征。资料显示, 研究区泉三、四段为一套浅水三角洲-浅湖沉积, 微相类型主要有水下分流河道、水下决口扇、支流间湾、分流河道、决口扇、天然堤、洪泛沉积等, 其中, 水下分流河道和分流河道砂体为体系的骨架砂体。

(2) 松辽盆地卫星地区泉三、四段是由较临近物源、水体较浅、能量较强的浅水三角洲沉积体系向西南入湖而成, 发育较强水动力特征的层理, 垂向上出现间断性韵律变化, 河道砂多为垂向加积型, 研究区内三角洲前缘发育面积大, 形成了“大前缘、小平原”的沉积主体, 在此基础上, 建立了松辽北部理想的近似网状式浅水三角洲沉积模式。

卫星模式篇10

热层大气质量密度对航天器的跟踪、定位和在轨寿命具有重要影响[1]。热层大气密度的变化主要受太阳活动和地磁扰动的影响。地磁扰动作为影响热层大气密度的主要影响因素之一,太阳活动高年临近,剧烈的地磁扰动会较为频繁的发生;因此,探测和研究特大磁暴时热层大气质量密度的分布和变化规律具有重要意义。

本文的目的是通过特大磁暴时CHAMP卫星的质量密度探测数据与NRLMSISE00模式的比较,说明在磁层扰动比较剧烈时较短的时间尺度上NRLMSISE00模式还不能很好的反映出实际热层大气密度变化。通过CHAMP卫星实地探测到数据进行日平均处理后和MSIS00模式的比较,如图1所示。可以看出太阳活动高年,CHAMP密度明显大于MSIS密度,随太阳活动的减弱,两者的差别逐渐缩小。

1CHAMP卫星简介

数据来源于CHAMP卫星观测的热层大气密度。CHAMP是德国的一颗科学小卫星[2,3],于2000年7月15日发射。在大气研究方面CHAMP的加速度仪测量的非保守力加速度为研究热层大气密度变化提供了高精度的信息[4]。CHAMP卫星轨道为近圆形极轨,倾角87.3°,高倾角运行保证了几乎完整的纬度覆盖范围,其绕地周期约为94 min,每天绕地球15.4圈,一圈约有120组数据。CHAMP卫星轨道高度最初为456 km,随着时间的推移,轨道高度下降,到2006年6月,轨道高度降到370 km。将卫星观测的热层大气密度数据统一标准化到400 km高度。此外,CHAMP卫星在-87°～87°范围内,几乎在步长为3°的网格点上测量了大气密度。

2NRLMSISE00模式简介

NRLMSISE00大气模型由美国海军研究实验室(nary research laboratory,NRL)于2000年在MSISE90模型的基础上发展而出[5]。MSIS是指质谱仪和非相干散射雷达,E标志着该模型从地面覆盖到逸散底层,而早期模型只覆盖到热成层。该模型共8个输入项:当年1月1日至当天的天数、当天00:00:00至求解时刻的秒数、地理经度、维度、海拔、前一天10.7 cm的太阳辐射流量(F10.7)、81d(3个太阳自转周期, 以当天为中点)的平均F10.7、由当天平均地磁指数(Ap)和求解时刻之前的20个3 h平均Ap算得的8位数组。输出包括N2、O2、He、Ar、N、H 、O和电离层正氧离子O+的数量密度、中性大气温度和总体大气密度。该模式不仅能输出不同太阳活动水平和不同地磁扰动条件下,热层大气纬度和质量密度分布,还可以输出主要大气成分的分布,是当前国际上广泛使用的最有影响的中高层大气模式。在下面的分析中,NRLMSISE00模式简称为MSIS00。

3数据处理与分析

磁暴是地球磁场的剧烈扰动,磁暴是全球性的,而且几乎是同时的。依地磁扰动的程度分为小磁暴、中等磁暴、大磁暴和特大磁暴。国际上采用Dst指数来描述磁暴,-50<Dst≤-30为小磁暴,-100<Dst≤-50为中等磁暴,-200<Dst≤-100为大磁暴,Dst≤-200为特大磁暴。CHAMP卫星在轨期间总共发生8次特大磁暴(Dst≤-200)[6],具体参数如表1所示。

本文着重考虑地磁扰动剧烈尤其是大磁暴时热层大气密度的变化,为避免日出日落效应,在此仅限于分析夜晚(时间段LT19:00—05:00)的热层大气密度数据,并对不同经度的数据进行平均处理。因Dst指数变化不大时MSIS00模式能较好的模拟轨道大气质量密度,所以截取了磁暴时Dst<-100时的数据进行分析讨论。并对数据进行了120的滑动平均,这样分析结果反映了热层大气密度在夜晚的平均情况。

为消除卫星高度的变化对密度的影响,可以利用下式将数据归一化到400 km高度。

ρ(400 km)=ρ(h)ρMSIS(400 km)/ρMSIS(h)。式中h是卫星所在高度。

在CHAMP在轨期间的8次特大磁暴中,2001年10月21日和2003年10月30日的磁暴引起了大气密度扰动的双峰结构,如图2所示。其余6次则是单峰结构,如图3所示。图2可以明显看出,当发生特大磁暴引起大气密度扰动形成双峰结构时,模式数据往往会略大于CHAMP实测数据,但不会差很多。因为事例较少,还需要收集特大磁暴双峰事例做深入讨论分析。

而图3中,当发生特大磁暴引起大气密度扰动形成单峰结构时,二者数据相差挺大,具体分析结果如表2。

4结论及意义

首先,通过CHAMP卫星的在轨日平均总体来看,太阳活动高年CHAMP实测大气质量密度明显大于MSIS00模式密度,随着太阳活动的降低两者差别减小,在太阳活动低年,MSIS00模式密度可以较好的反应实际热层大气密度。

其次,在发生特大磁暴时,随着地磁扰动程度的加剧,在400 km高度上大气密度涨幅增大,最大涨幅约2.5倍。虽然MSIS00模式数据和实测数据的均值差别不大,但是,峰值明显跟不上实测数据的变化,换言之,模式数据变化比较平缓,不能很好反应真实的大气质量密度变化。

第三,大气密度变化一般滞后于磁暴几小时,扰动时间尺度和地磁扰动时间尺度一致,一般为几天。

本文通过特大磁暴时小时间尺度内CHAMP卫星实测数据和MSIS00模式对比,对低轨卫星精密定轨、中高层大气模型改进具有一定的意义。

摘要：通过对比特大磁暴时CHAMP卫星探测的质量密度和NRLMSIS00模式,在400 km高度上的数据,阐述了特大磁暴时大气密度扰动的一些规律。结果表明:NRLMSIS00模式在特大磁暴时低估了地磁扰动对大气密度变化的影响,不能很好地反映出实际热层大气密度变化。

关键词：CHAMP,NRLMSIS00,热层大气密度

参考文献

[1]刘振兴.太空物理学(空间科学卷).哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2005:302—310

[2] Reigber C,Luhr H,Schwintzer P.CHAMP mission status and per-spectives.Eos Trans AGU,2002;81:48—52

[3] Reigber C,Luhr H,Schwintzer P.CHAMP mission status.Adv Space Res,2002;30:129—134