的验证- - - - - -的功率谱密度模型的GPS电离层振幅闪烁

文摘

的- - - - - -模式已经成为广泛应用于广播频道的数据分析,由于其提供的灵活性两个自由度。在多个应用程序中,它被用于描述低纬度振幅闪烁,它经常发生在特定季节的夜间高太阳能通量的年,影响无线电信号通过电离层传播的。根据时间和空间分布,电离层闪烁可能会导致用户的可用性和精度问题全球导航卫星系统。目前的工作最初强调提供的灵活性的重要性- - - - - -模型相比,单个参数分布的局限性表现的一阶统计振幅闪烁。接下来,它关注的是功率谱密度的统计评价电离层振幅闪烁。制定基于- - - - - -模型和验证使用实验数据获得在圣荷西dos坎波斯(23.1°S;45.8°W;浸纬度17.3°S),巴西,位于南部附近电离电离层赤道异常的峰值。这些数据收集2001年12月至2002年1月,一段高太阳能通量条件。结果表明,该模型符合功率谱密度估计从野外数据很好。

1。介绍

随机的不规则电离层等离子体密度的存在可能会引起信号的振幅和相位闪烁全球导航卫星系统(GNSS)。这些影响可能是强大到足以引起循环滑,失去了信号跟踪,因此,降低地面接收器的性能和定位精度。因此,所有技术基础设施依赖GNSS信号进行精确定位和导航可以直接影响。

电离层闪烁在GNSS频率是一个现象,通常发生在日落之后,主要在premidnight时间。它发生在极地和低纬度地区占主导地位的。目前的贡献将专注于闪烁的纬度带发生在±20°集中在地磁赤道。气候研究赤道和低纬度电离层闪烁显示季节性和纵向依赖。例如,巴西纵向部门,附近的电离层不规则活动更强烈冬至月(1]。这种行为偏离,在南美洲的西方企业,闪烁在二分期间出现峰值。这些研究还表明,闪烁更强烈太阳极大期期间(当电离层层厚和密度)。

足够的时间特性和衰减时间尺度的知识振幅闪烁可以非常有用的拨款缓解当前工具的发展定位/导航应用程序基于GNSS信号。Fremouw et al。2)表明,Nakagami -概率密度函数(PDF)描述了振幅闪烁的可变性。后来,赫加蒂et al。3)开发了一个基于Nakagami -振幅闪烁信号模型分布。在[4)提出,要么Nakagami -或者大米PDF可以描述的振幅分布,出现在他们的测量。最近,莫拉et al。5)表明,电离层振幅闪烁现象可以用一阶的统计建模- - - - - -雅库巴(提出的分布6]。莫拉et al。7)也代表水平交叉率(LCR)和平均衰落持续时间(变频器)由于赤道电离层闪烁使用相同的分布。该模型探讨了传播介质的非线性,将物理现象与消退和参数。莫拉et al。5,7)实际测试,该分布参数化的函数闪烁严重程度,表明这个模型提供了一个更好的选择比以往获得的实验数据。事实上,身体上有两个参数描述,而不是一个在前面的衰落模型(如那些基于Nakagami -分布),使- - - - - -与闪烁分布更加灵活,保证一个更好的协议数据。此外,他们提出了一系列近似的估计和参数根据电离层闪烁事件的严重性。

在通信领域,功率谱密度(PSD)随机折射率波动的传播媒介是通道特征的一个重要功能和性能评估。PSD特征大小直接相关,行为,速度,和持续时间的电离层不规则(8- - - - - -10]。PSD被广泛用于研究和模型电离层等离子体不规则流程。例如,通过使用这些PSDs,可以估计的漂移速度和平均高度电离层中的违规行为。还列出了大量的文学作品处理PSDs VHF和UHF transionospheric信号(11- - - - - -15]。接收信号的时间变化引起的电离层使用PSD模型分析了很多的文学作品(4,16,17]。接收信号的频谱宽度影响闪烁提供重要信息,可以考虑设计的跟踪环路的带宽GNSS接收器(16]。

在继续以前的工作由莫拉et al。5,7,18),本研究介绍了实验的验证- - - - - -模型的PSD transionospheric地面收到信号时,通过比较结果从二叠纪的配方和雅库巴(19与真正的闪烁的数据。

本文的其余部分被组织在以下方式。部分2描述了测量和数据的初步处理估计一些基本参数。部分3总结了闪烁的一阶统计特性使用的好处- - - - - -分布。部分4讨论了功率谱密度公式的基础上- - - - - -分布和模型验证的结果。最后,部分5提出了结论。

2。测量

闪烁监视器(SCINTMON)活动中使用了康奈尔大学(20.]12-channel相关器和使用GEC-Plessey GPS卡有特殊固件设计保持锁即使在极端闪烁场景。监视器从11 GPS卫星跟踪信号,同时进行。一个频道致力于噪声估计。其前端L1乐队(1575.42兆赫)并提供宽带电力和宽频带噪声的测量值与50 Hz采样率。不幸的是,SCINTMON不提供载波相位测量。更多信息可以找到SCINTMON (21]。

闪烁监视器安装在西班牙德尽管Espaciais (INPE)总部在圣荷西dos坎波斯(SJC),巴西(地理坐标:23.2°S, 45.9°W,蘸纬度:17.5°S),南部的赤道异常峰值附近,世界上最强大的闪烁发生在高太阳能通量。之间的测量是由2001年12月14日,2002年1月14日。在此期间,太阳黑子数量和平均10.7厘米太阳能通量密度是126和176×10⁻²²W / m²分别/ Hz。这一时期是赤道扩展F赛季的一部分在巴西,大约开始于九月和持续到4月22]。闪烁观测在18:00 LT开始,一直持续到第二天在中尉06:00时闪烁在GHz频率通常是观察之间的日落时间和当地午夜,但postmidnight闪烁的情况下也被观察到。在这项研究中,只有数据从GPS卫星高度大于30°被认为,为了避免nongeophysical信号污染的来源(对流层散射和多路径等)。地球物理条件进行了测量允许广泛的闪烁的研究水平。从集合的观察(超过370小时32天的测量),大约102小时的重要GPS L1振幅闪烁。

在图1(一)SJC覆盖测量网站在全球的地图预测最大的电离层电子密度(NmF2) 12月31日20:00 LT 2001(机灵的= 365)。这张地图,使用国际参考电离层(IRI)模型生成(23),清楚地显示了增强的NmF2赤道异常区。的确,强烈的闪烁是更频繁地发生在高太阳能通量条件下比在中等或低太阳能通量条件下(24]。图1 (b)卫星的方位-俯仰跟踪显示了对18 SJC在晚上时间在12月15日2001年。闪烁指数将在下一节中定义的。时间序列的比例(dBHz)接收功率和噪声功率密度对应链接图的特征1 (b)如图1 (c),分别。额外的细节所选择的数据集及其预处理可以在莫拉et al。25]。

2.1。闪烁的处理数据

振幅的强度闪烁的特点是索引归一化标准差的定义为接收到的信号强度(功率)。也就是说,它是由(26] 在哪里是强度,接收信号的振幅,尖括号表示系综平均(平均一分钟时间记录)。

的指数计算SCINTIMON使用宽带的力量和噪声宽带的力量测量,以及各自的低通滤过的版本和在一个稍微不那么直接的方法。过滤版本获得使用一个6阶巴特沃斯低通滤波器截止频率为0.1赫兹(21]。的一系列和然后使用方差估计的信号强度在一分钟内描述的方法后,21]: 在哪里是样品的总数每60秒期间。各自的平均信号功率是由 计算出的指数终于给出了 图1 (d)显示闪烁指数的计算结果每一分钟的记录信号显示在图1 (c)。

此外,标准化信号振幅闪烁获得的是(23] 归一化信号的自相关系数振幅闪烁是由 在哪里表示期望值算子(再次实现时间平均)和的均值和方差值吗。另一个重要的参数用来描述闪烁是去相关时间,定义为自相关函数的时滞脱落从其最大(零延迟)值(4]: 而指数是一个指标的振幅衰减的力量,去相关时间是一个指标的迅速消失了。

数据的两个例子2(一个)和2 (b)说明了振幅闪烁模式的可变性和去相关时间估计在竞选期间进行的测量。两种情况显示大约相同指数(0.9),但很明显值,分别为0.94和0.18年代。图2 (c)展示了各自的自相关系数,,因为这两种情况下,结果他们的时间差异。

3所示。的- - - - - -模型闪烁

的- - - - - -分布普遍衰落模型提出的雅库巴(6]。使用这个分布建模提出了电离层振幅闪烁的莫拉et al。5]。假设平均信号强度等于1,- - - - - -概率密度函数的归一化幅度信封接收的信号是由 在哪里伽玛函数的参数吗。

的- - - - - -参数可以估计基于平等,涉及到的时刻- - - - - -信封的 所建议的雅库巴(6),左边的9)可以获得任意选定的值的字段数据。例如,假设和与两个非线性方程,系统所需的两个未知数和建立并能够解决。这是理想的方法,当真实的数据是可用的。或者,假设在(9)和结果结合(1),可以建立以下闪烁指数之间的关系和的参数- - - - - -地理分布:

单个参数Nakagami -分布已经使用了很长一段时间的模型最好描述振幅闪烁现象(2,16]。它可以获得的- - - - - -分布与和。注意,每个闪烁指数的价值提供了一个独特的Nakagami -分布。然而,有无限的和值满足(10为每个值)。方程(10)是方便的,因为它表明,不同于Nakagami -分布,- - - - - -模型可以描述不同的模式闪烁的闪烁指数相同。这是强烈的闪烁,特别有趣的地方指数本身并不被认为是一个合适的电离层扰动的迹象。事实上,它浸透附近一个值统一在日益强烈的散射条件下,除了独立的信号衰落的速度(27]。

强调提供的灵活性的重要性- - - - - -模型相比,Nakagami -的限制分布在这个特定的方面,数字3(一),3(b)3(c)显示三个例子不同的闪烁的闪烁指数相同的模式(≈0.90)。这种情况下,没有了以前的从数据库中选择部分中描述2(25]。图3(d)显示如下:(i)实证PDF为每个这些记录,用不同颜色的符号;(2)相应的- - - - - -pdf文件,参数估计的应用程序提出的文本后立即(9每个案例);和(3)Nakagami -PDF ()。如图3(d),差异的pdf收到信号,捕获的- - - - - -由单个参数分布模型,无法显示。事实上,曲线在图3(d)变化明显值,也就是说,左边为相同的值(10)。这种灵活性的- - - - - -模型,造成两个参数而不是一个的存在,提供了一个更好的适合闪烁的能力数据。值得一提的是,分布往往传播增加,占领地区较高的强度值的概率越低。这意味着增加为固定值,值,代表传播的更严重的情况下,出现较高的接收信号的衰落。

4所示。功率谱密度

的自相关函数为- - - - - -衰落的信号是由(19] 在哪里为;是高斯超几何函数和参数吗,,和参数;和时间自相关系数。文献提供了几种模型的自相关系数,试图描述不同的通信场景与他们相对散射条件(28]。梅森(29日]分析了模型基于二阶巴特沃斯滤波器,所表达的 在哪里和解相关时间滞后(4]。

功率谱密度为- - - - - -信封的傅里叶变换(11)。根据迪亚斯和雅库巴(19),的PSD的闭合表达式- - - - - -信封似乎并不存在。因此,他们提出和验证以下近似(11),只保留第一个两个最低的高斯超几何函数的级数展开30.]: 通过傅里叶变换(13),PSD可以写成 在哪里狄拉克δ函数和吗傅里叶变换的自相关系数。重要的是要注意,14)转换成Nakagami -PSD的二叠纪et al。31日]。分析一组有限的表征由汉弗莱斯et al。4和莫拉等。32)执行的频率和时间域,分别验证了巴特沃斯模型提供电离层闪烁的最佳光谱形状的研究。二阶巴特沃斯PSD表达的 在哪里3 dB截止频率和吗是斜率因子(4]。图4显示了Nakagami——的三个例子(虚线)和- - - - - -(实线)PSDs由(14),不同的闪烁指数的值,假设年代,因此赫兹。更多信息及其典型值可以在莫拉et al。25]。

5。验证

在本节中,- - - - - -功率谱密度公式表示为(14)与相应的估计一分钟记录真实闪烁的数据使用知名韦尔奇方法(33]。

计算,解相关的时间差的基本参数(15),估计自相关系数的确定根据(6)。的值,,估计每一分钟记录部分中解释吗2和3。度规采用功率谱密度公式的验证是基于卡里诺et al。34),定义为 在哪里估计PSD和吗获得(14)和(15)。只有部分之间的功率谱密度分布赫兹和赫兹是用于比较。的值选择与基础在0.1赫兹的截止频率,根据部分中描述的闪烁处理2。1(21]。的值被选为避免任何可能的噪音污染的结果分析估计PSDs的地板上。

图5显示了实证和的例子- - - - - -PSDs的不同的值。图6显示两个额外的例子,还包括Nakagami——的结果配方。经验和计算谱之间一个好的协议在所有情况下,同时通过肉眼观察和小值获得的参数。本协议保持直到noise-dominated频带。有趣的是观察图6这两个配方之间的差异很小。注意,只有积极的半经验计算光谱绘制,因为它们是左右对称的零。然而,所有的PSD值对应于非零频率乘以2,节约的全功率谱。这个过程不会影响计算结果表明(16)。

结果充分验证的应用程序数据集表进行了总结1。表的第二行显示一分钟记录的数量在每个类的闪烁指数 。在接下来的两条线,表1显示平均误差参数为- - - - - -和Nakagami -配方,比显示的数字5和6所有类的。可以看出,平均而言,- - - - - -配方提供了更好的符合实证PSDs略大于提供的Nakagami -模型。这个结果预计讨论的部分3和二阶统计的研究水平交叉率(LCR)和平均衰落持续时间(变频器)提出的莫拉et al。5,7]。此外,该表还显示截止频率的平均值和闪烁的频率为每一个类指数。的光谱展宽增加,以前观察到的其他作者(16),最后两行表中是显而易见的1。

另一个重要的从上面的分析结果是Nakagami——的性能谱公式相比的- - - - - -模型。在验证过程中,指出这两种光谱之间的差异小于1分贝。用于光谱分析,没有考虑到一阶统计方面的考虑,Nakagami -模型被证明是相当准确的。

6。结束语

电离层是影响地空间通信和GNSS应用L波段操作,如下。对transionospheric无线电波的影响之一是与振幅闪烁造成的随机的等离子体密度的存在违规行为。因此,它是重要的发展越来越精确的统计模型来描述振幅闪烁的时间特性。

目前的工作最初强调提供的灵活性的重要性- - - - - -模型相比,Nakagami -的限制闪烁的一阶统计分布的表示。

接下来,- - - - - -及其特殊情况,Nakagami -二阶统计,验证的振幅闪烁的比较相关的功率谱密度公式与实际数据估计。验证结果表明,该特征的振幅闪烁的PSD模型都是在良好的协议与实验预期。的- - - - - -提供的模型是略优于Nakagami -配方。然而,应该注意到,这些模型可能是高度依赖于假定的自相关系数模型。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢教授为罗德里格斯(美国德克萨斯大学达拉斯,TX)的讨论有关的应用- - - - - -闪烁的典范。Kelias奥利维拉感谢Instituto联邦德Educacao Ciencia e Tecnologia德戈亚斯ITA通过支持他的博士研究奖力ITA IFG 23038.044846 / 2009 - 76。艾莉森·德·奥利维拉·莫拉希望感谢学院航空e Espaco (IAE),他是一名研究工程师,协助他与工商东亚合作研究,INPE, ITA。Emanoel科斯塔被AFOSR支持奖fa9550 - 12 - 1 - 0031在当前工作。Eurico罗德里格斯德波拉是感激的部分支持AFOSR fa9550 - 10 - 1 - 0564和慰问Nacional de Desenvolvimento Cientifico e学府(CNPq) 305684/2010-8赠款。Marcio Tadeu德阿西斯Honorato Muella要感谢的支持下CNPq过程没有。308017/2011-0。

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