离层监测

离层监测（精选7篇）

离层监测 篇1

与架棚支护相比, 锚杆支护煤巷冒顶事故具有突发性、大范围、隐蔽性强等特点, 许多事故无明显预兆, 一旦发生将造成极为严重的后果。已有的研究成果和工程经验表明, 离层是煤巷顶板破坏失稳的基本特征或直接原因[1], 因此对锚杆支护煤巷顶板离层情况进行实时监测, 及早发现顶板失稳破坏征兆并采取加固措施, 可以有效避免巷道冒顶事故发生;同时通过顶板离层动态观测结果分析判断锚网支护巷道围岩和支护系统的稳定性, 可以对锚网支护初始设计参数进行优化和完善, 以取得最佳的支护效果。

1 当前顶板离层监测方法及缺陷

当前煤矿锚杆支护巷道顶板离层监测的常规仪器是机械式深浅双基点顶板离层指示仪, 通过在顶板钻孔中布置两个测点:一个设置在锚杆端部位置, 另一个设置在比较稳定的深部岩层中, 在两个测点处安设固定器, 固定器与顶板岩层同步移动。将固定器用测量钢丝绳与设在顶板表面的测读装置连接, 就能测出锚固区内外和总的离层值[2], 该监测方法具有显示直观、测读方便等优点。

当前锚杆支护巷道顶板离层监测方法在现场应用中存在不足之处, 即测点深度设置方法单一、缺乏针对性, 无法对巷道顶板围岩条件、地质构造带、锚固体破坏程度等做到有效监测, 造成监测数据分析困难, 难以判别顶板离层原因和采取针对性补强加固措施, 因此需对当前顶板离层监测方法进行优化调整, 即制定巷道顶板离层方案时应综合考虑可能导致巷道离层和失稳的各项因素, 测点安装应具有针对性和目标性。

2 顶板离层监测方案优化

新的煤巷锚杆支护冒顶成因分类标准及方法把冒顶成因分成四大类, 即以稳定岩层和非稳定岩层厚度变化、顶板存在软弱夹层为主的岩层组合劣化型, 顶板出现断层等地质构造, 应力突变型和支护设计施工不良型。其中岩层组合劣化型占冒顶事故总数的66%, 是引起冒顶事故的主要原因[3], 也应当是顶板离层监测的重点。

2.1 顶板岩层厚度变化

非稳定岩层是指对顶板岩层变形破坏起控制作用的软岩 (煤) 及中硬岩层, 由于非稳定岩层变厚或非稳定岩层变薄, 造成锚杆 (索) 无法锚入稳定岩层中, 支护系统未能有效承载而发生整体冒落。对于顶板岩层变化区域, 顶板离层监测重点应为稳定与非稳定岩层结合面以及锚杆 (索) 锚固区整体离层情况, 测点位置应设置于岩层结合面和锚杆 (索) 锚固区上下边界处, 并适当增加观测频度。通过对比深、浅测点移动情况, 判断巷道顶板岩层和锚固区整体离层下沉情况, 及时采取增加锚杆 (索) 长度、架设防护棚等方式提升安全系数。

2.2 顶板软弱夹层

已有研究成果表明, 围岩应力达到2~3倍原岩应力时, 软弱夹层位于锚杆锚固区边缘时巷道最易失稳垮冒;软弱夹层位于锚杆锚固区外时, 软弱夹层离层明显, 应力持续增高时直接顶很快失稳垮冒[4]。因此, 制定顶板离层监测方案时, 除对锚杆 (索) 锚固区整体离层进行监测外, 还需对软弱夹层上下边缘设置测点进行监测。判断锚固区整体离层下沉和软弱夹层离层失稳情况, 及时采取增加锚杆 (索) 长度、补打锚杆 (索) 、减小锚杆 (索) 间排距、架设防护棚等补强加固措施。

2.3 地质构造带

巷道掘进至断层等地质构造带时, 由于围岩裂隙发育、松散破碎, 锚杆 (索) 锚固区产生裂隙, 锚固强度衰减, 进而导致锚固区整体稳定性的削弱或破坏, 出现锚固区内离层导致的冒顶事故;若围岩破碎范围较大, 锚固区因整体变形过大不能阻止向上的渐进破坏, 导致外层弱面离层, 持续发展将导致锚固区整体垮冒。因此地质构造带区域的巷道顶板离层监测应增加测点布置数量和观测频度, 在锚固区以内不同深度、断层面上下、锚固区外一定深度都应设置测点;因为工作原理相同, 可以使用多点位移计或多台顶板离层指示仪进行监测, 根据不同位置测点的监测结果综合分析离层位置及原因并采取针对性加固措施。

2.4 顶板锚固体破坏失稳

根据锚杆支护围岩强度强化理论分析, 顶板锚杆锚固范围的锚杆和围岩组成顶板锚固体, 顶板失稳主要是锚固体内锚杆拉断或滑脱造成顶板锚固体破坏, 顶板锚固体的破坏分为正应力破坏和剪应力破坏, 以及锚索对失稳锚固体作用力较小或锚索锚固岩层承载力不够而造成整体复合失稳[5]。顶板离层监测重点应为锚杆 (索) 锚固区内外离层破坏情况, 测点位置应设置于锚杆 (索) 锚固区上下边界各300mm处。通过对比深、浅测点移动情况, 分析判断顶板锚固区内外离层位置和原因, 及时采取相应的处理措施, 确保生产安全。

3 工程应用实例

杨河煤业公司31111运输巷采用锚梁网索支护, 其支护参数为:顶帮锚杆规格Φ20mm×2400mm, 顶板锚杆间排距750mm×700mm, 两帮锚杆间排距700mm×700mm, 锚杆用钢筋托梁连接;锚索规格Ф18.9mm×6200mm, 采用“303”布置形式, 即每施工两排锚杆时施工一排锚索, 每排3根, 间排距1700mm×1400mm。掘进至1100m位置时, 根据地质部门预报, 巷道向前将揭露一落差0~6.5m正断层, 断层影响区域30m左右, 揭露断层期间, 巷道围岩裂隙发育、松软破碎, 并伴随顶板淋水出现。为确保生产安全, 决定对该段巷道增设矿压监测站, 站内进行表面位移、顶板离层和锚杆 (索) 受力监测, 顶板离层监测设备为KWD-2多点位移计 (如图1) 。

因锚杆、锚索锚固深度分别为2.3m和5.9m, 且断层落差最大达到6.5m, 制定顶板离层监测方案时, 为实现对锚杆 (索) 锚固区和断层影响区域的准确监测, 测点深度分别定为2.2m、2.5m、5m、6m、7m, 同时加大观测频度, 每个生产班收集1~2次监测数据。

如图2所示, 顶板离层监测4天后, 顶板离层量即超过100mm, 且离层位置为巷道顶板6m~7m处, 位于锚索锚固位置上部, 可以判断为顶板锚固区的整体离层下沉。根据监测结果可知巷道顶板和支护系统处于非稳定状态, 主管业务部门立即发布顶板离层预警, 并对该段巷道采取减小锚杆 (索) 间排距、顶板补打Ф18.9mm×8200mm锚索补强加固、套工字钢防护棚等应对措施, 确保了巷道过断层期间的施工安全, 有效避免了顶板事故的发生。

4结论

(1) 通过对锚杆支护煤层巷道顶板离层的准确监测可以有效预防巷道各类顶板事故的发生, 同时为判断巷道围岩和支护系统的稳定性提供依据。

(2) 当前锚杆支护巷道顶板离层监测的不足之处即测点位置设置方式单一、缺乏针对性。

(3) 将锚杆支护巷道顶板离层方案制定与巷道顶板事故成因分类相结合, 从顶板岩层厚度变化、软弱夹层、地质构造带、顶板锚固体破坏失稳等方面阐述了顶板离层监测的优化调整方案。

摘要：基于对当前煤矿锚杆支护巷道顶板离层监测方案不足之处的分析, 结合锚杆支护煤层巷道顶板事故成因分类, 通过分析该类巷道不同冒顶事故类型, 对顶板离层监测方案提出优化调整建议, 以提高顶板离层监测的针对性和准确性, 为顶板离层失稳分析、巷道围岩稳定性判断和顶板离层处理加固方案制定提供依据。

关键词：煤巷,顶板离层监测,锚固体

参考文献

[1]鞠文君.锚杆支护巷道顶板离层机理与监测[J].煤炭学报, 2000, 25 (增刊1) :58-61.

[2]康红普, 等.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M]北京:煤炭工业出版社, 2007:191.

[3]贾明魁.锚杆支护煤巷冒顶成因分类新方法[J].煤炭学报, 2005, 30 (5) :568-570.

[4]张农, 等.煤巷顶板软弱夹层层位对锚杆支护结构稳定性影响[J].岩土力学, 2011, 32 (9) :2753-2758.

[5]勾攀峰, 等.深井巷道顶板锚固体破坏特征及稳定性分析[J].中国矿业大学学报, 2012, 41 (5) :712-718.

离层监测 篇2

地震前兆:电离层F2层异常

本文简述了目前提出的地震引起电离层异常扰动的物理机理,重点介绍了近几年国内外对震前F2层异常扰动的研究进展.大量的研究结果显示地震活动引起的电离层扰动不仅确实存在,而且在震级大于5级的地震发生前的几天到几个小时会发生电离层扰动.由于地震引起的`电离层F2层变化具有独一无二的特性,这就意味着我们可以利用强震前的F2层异常变化作为地震短临预报的工具.

作 者：蔡军涛 陈小斌 赵国泽 詹艳 汤吉 CAI Jun-tao CHEN Xiao-bin ZHAO Guo-ze ZHAN Yan TANG Ji  作者单位：中国地震局地质研究所,北京,100029 刊 名：地球物理学进展  ISTIC PKU英文刊名：PROGRESS IN GEOPHYSICS 年，卷(期)： 22(3) 分类号：P315 关键词：地震前兆   电离层异常   临界频率   短临预报  

七煤顶板离层界限值的确定 篇3

4 观测结果

通过前后共近2个月的实际观测，有关数据如表1所示。

从第58天后在顶板离层变化较大的第4测点与第六测点处分别补打了2根6米长的锚索，并在原有锚杆中间分别补打了8根锚杆，这两处测点从加强支护后又连续观测了31天，其顶板离层仪数值一直保持相对稳定，有关观测数据见表2。

5 分析与结论

（1）.通过近3个月的井下实际观测，顶板离层仪的数值在紧跟迎头安设的最初10天内，其锚固范围内、外的变形基本上在5个mm左右，其后当锚固范围内、外离层值之和（S内+S外）达到30mm左右时，其相应的锚杆阻力显著增大，顶板下沉量明显增加，这时采取适当措施，补打锚索与加大锚杆密度，就可以较好地控制住顶板离层现象的发生。

（2）.对顶板离层仪的观测一定要与锚杆的受力状

态与顶板的下沉量有机地结合起来。一般来说，顶板离层超限时，其锚杆铁托板会发生明显的受力变形，顶板也会出现显著的下沉现象。比如第4、6测点处的锚杆变形与顶板下沉就比较明显。此时，一定要果断采取支护措施，安设锚索、加大支护密度或用金属支架加强支护，就可以有效地控制住顶板的离层，从而杜绝顶板事故的发生。

离层监测 篇4

煤巷顶板离层监测仪是监测锚网支护煤巷顶板离层的重要仪器, 要求能够实现煤巷顶板离层数据的监测、显示、报警及煤巷顶板离层状态的远程监控等功能, 且功耗低、工作稳定。MSP430单片机是美国TI公司推出的一种16位超低功耗的混合信号处理器, 具有超低功耗、强大处理能力、高稳定性、便捷高效的集成开发环境、高性能模拟技术和丰富的片上外围模块以及抗干扰能力强、小巧灵活等特点[1], 因此, 将MSP430单片机应用到煤巷顶板离层监测仪中, 既能节约PCB空间, 又能降低产品功耗和设计成本, 并且提高了系统的可靠性。

1顶板离层监测仪的主要功能

根据煤矿巷道的实际情况提出以下要求:一台监测仪的一个节点可以同时监测2组基点数据, 分辨率精度为±0.5 mm;系统报警器可以高亮度数字显示顶板离层的变化量和状态;可人工设置顶板和离层位移报警门槛值, 超限度时实现声光报警提示;监测仪的数据能够通过网络传输到计算机进行集中处理, 能实时显示和记录每个监控点的顶板离层曲线, 并可在线打印。顶板离层监测仪系统框图如图1所示。

2顶板离层位移数据采集

MSP430单片机内嵌的多路A/D转换模块具有采样速度快、转换精度高、误差小、转换模式灵活、参考电压可编程组合等特点, 在本系统中采用MSP430F169单片机的序列通道单次转换模式, 将煤巷顶板离层监测传感器传回的模拟电压量进行A/D转换后进行处理。

MSP430F169单片机具有12位8路转换通道, 通过A0～A7实现外部8路模拟信号输入。在ADC初始化程序设置中, 根据实际需要设置ADC12模块的参考电压为Vcc, 设定采样保持时间为16个ADC12CLK, 转换使能打开。当“ADC12CTL0|=ADC12SC”时开始转换, 转换结果经过运算后存储在单片机的Flash存储空间。部分程序如下所示:

3LED显示电路设计

为满足煤矿井下显示要求, 本系统采用LED数码管显示。LED显示块具有亮度高、结构简单、全天候等特点。如图2所示, 每个显示器由8只发光二极管构成, 其中a～g用于构成7笔字形, dp用于构成小数点, 采用共阴极接法, 可显示4位数据。为了减小功耗, 同时也为了达到设计亮度要求, 显示器采用动态扫描的工作方式, 由单片机P5.4～P5.7轮流输出扫描信号, 使每一瞬间只有一个数码管被选通, 虽然显示器的几位数码管是被依次点亮的, 但由于恰当设置了点亮的时间和扫描间隔时间, 使得人眼并不能看出其闪烁。实验表明, 在动态扫描显示下, 只需5 mA的电流即可满足要求, 如果采用静态显示则最少需要20 mA的电流用于显示。为了保证个、十、百、千位数据显示的正确性, 必须对采集到的数据进行处理, 数据处理程序如下所示:

adc-cheng=adc-m*81; //A/D转换采集的原始数据

adc-qianwei=adc-cheng/100000; //千位数据

adc-yushu-q=adc-cheng%100000; //千位余数

adc-baiwei=adc-yushu-q/10000; //百位数据

adc-yushu-b=adc-yushu-q%10000; //百位余数

adc-shiwei=adc-yushu-b/1000; //十位数据

adc-yushu-s=adc-yushu-b%1000; //十位余数

adc-gewei=adc-yushu-s/100; //个位数据

将得到的个、十、百、千位数据从P6.0～P6.3输出, 在P5口的配合下即可取得理想的显示效果。

4串行通信网络设计

MSP430F169内部包括USART0和USART1两个通信模块, USART0和USART1都可以实现USART异步通信和SPI同步通信。在异步通信模式下, USART支持两种多机通信模式, 即线路空闲和地址位多机模式, 信息以一个多帧数据块从一个指定的源传送到一个或多个目的位置。在同一个串行链路上, 多个处理机之间可以用这些格式来交换信息, 实现了多处理机通信系统间的有效数据传输。加之, MSP430单片机可编程实现分频因子为整数或小数的波特率, 因而使得通信的准确率更高[2]。RS-485串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号, 具有很强的抗共模干扰能力, 允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。在本系统中由于通信数据量较小, 为了简化电路和降低成本采用RS-485通信网络。在本网络中采用了专用芯片SN65LBC184, 该芯片可以支持250 kb/s的速率, 并具有瞬变高压抑制功能。芯片A、B引脚为RS-485总线接口, DI引脚是发送端, RO引脚为接收端, 分别与单片机串行口的P3.4和P3.5通过光耦连接, RE、DE为收发使能端, 与单片机的P1.6通过光耦相连, 作为收发控制。RS485总线通过光耦与单片机连接, 既提高了系统的抗干扰能力, 又实现了3.3 V与5 V电压之间的转换。在总线末端接一个匹配电阻, 吸收总线上的反射信号, 保证了正常传输信号干净、无毛刺。匹配电阻的取值与总线的特性阻抗相当。

本系统中采用地址位多机模式和主从方式完成数据的采集处理。主机采用巡检方式来依次获得从机的数据, 其通信流程图如图3所示。

主机发送带地址位的从机地址数据, 从机接收到主机发送的地址数据后进行判断, 如果是本机的地址则发送给主机相应的数据, 主机接收到从机的数据后进行判断, 如果数据正确则主机发送下一个从机的地址, 如果数据有误则主机继续发送该从机的地址直到接收到正确的数据, 如果在发送地址过程中从机没有反应, 则主机连续发送3次相同的从机地址, 如果还没有反应, 则主机记录后发送下一个从机地址, 以保证整个通信网络不因一个节点的通信异常而瘫痪。

5抗干扰措施

为保证整个系统能够稳定工作, 在硬、软件方面都进行了多方面的抗干扰设计, 如采用光耦隔离、软件抗干扰以及利用MSP430内部看门狗技术等。除此之外, 还专门采用了+3.0 V/+3.3 V低功耗微处理器监控电路, 以进一步提高整个系统的抗干扰能力。SP706P/R/S/T系列芯片监控原理如图4所示。

SP706P/S/R/T系列芯片属于微处理器监控器件, 其内置Vcc干扰抑止电路, 包含看门狗定时器、微处理器复位模块、供电失败比较器、手动复位输入等功能模块, 可监测微处理器工作状况及数字系统中的供电及电池的工作情况, 该系列的看门狗功能可持续对系统的工作状态进行监控。

SP706S的第7脚与MSP430单片机的复位脚相连, 单片机的P4.7脚产生“喂狗”信号并与SP706S的6脚相连。在正常情况下P4.7脚定时产生“喂狗”信号, 保证SP706S不产生复位信号。如果MSP430单片机的P4.7脚在1.6 s内没有发出WDI (WatchDog Input, 看门狗输入) 信号 (表明单片机工作不正常) , WDO将为低电平, SP706S的第7脚产生复位信号迫使MSP430单片机复位, 进入正常工作状态。

6结束语

本文设计的煤巷顶板离层监测仪采用MSP430F169单片机作为核心, 利用该芯片丰富的片上外围模块功能, 使得整体电路简单易于维护。从模拟调试和试运行所采集的数据来看, 达到了预期的效果。

参考文献

[1]谢兴红, 林凡强, 吴雄英.MSP430单片机基础与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2008.

低功率电离层垂直探测 篇5

关键词：低功率电离层垂直探测,线性调频信号,脉冲压缩,电离图

常规电离层垂直探测一般采用大功率脉冲调制技术, 发射峰值功率高达数千瓦, 即使采用脉冲编码、相干积累等信号处理技术, 以增加处理增益, 获得高的输出信噪比, 所需要的发射峰值功率也得数百瓦。目前国内外技术成熟和使用范围广的电离层垂直探测设备典型代表是中国电波传播研究所的TYC-1和美国的DPS-4D, 发射功率分别为5k W和300W。该文旨在介绍使用另一种特殊的发射信号—线性调频 (Chirp) 信号来进行电离层垂直探测, Chirp信号是一种通过线性频率调制获得大时宽带宽积的信号, 它同时具备高的距离分辨率和大的作用距离。通过chirp信号的脉冲压缩技术获取高处理增益, 以数瓦的发射功率探测电离层, 获取与脉冲调制技术数千瓦发射功率相当的探测效果。

1 技术原理

1.1 线性调频 (Chirp) 信号特点

Chirp信号是一种在长发射脉冲内对载波信号进行频率调制而获取非线性相位的信号。其时域信号表达式为:

时域信号波形见图1。

Chirp信号频谱是“门”型频谱结构, 形状见图2。

11..22脉冲压缩技术

雷达的距离分辨率可以通过使用短的脉冲来显著改善, 但同时会减少发射平均功率。利用脉冲压缩技术可以改善这一矛盾, 使我们在获得长脉冲发射平均功率的同时, 得到与短脉冲相对应的距离分辨率。

Chirp信号通过匹配滤波器接收实现脉冲压缩, 其匹配滤波器的时域脉冲响应与发射波形相匹配, 使接收信号经历不同的频率延迟响应, 保证脉冲压缩输出信号比发射信号幅度包络更高、脉冲宽度更窄。Chirp信号匹配滤波器时域表达式为:

脉冲压缩处理为发射信号与匹配滤波器的卷积运算, 输出信号为:

脉冲压缩输出信号包络为sinc函数, 如图3所示。信号第一零点坐标为t=±1/B时, 图3中标注值为2e-5, 即B=50k Hz。一般来说, 脉冲压缩输出信号的压缩带宽定义为τ=1/B, 脉冲压缩比定义为D=T/τ=T*B。

2 探测过程

2.1 设备组成及工作流程

为了抑制发射信号的直达波干扰, 防止数字接收机阻塞, 我们将chirp信号收发设备分置两地, 通过外部时序同步电路进行收发同步。系统整体设备组成框图见图4。

波形产生器直接生成工作频率的线性扫频chirp信号, 经过功放进行信号放大后, 通过三角形发射天线垂直向上辐射。接收天线采用宽带折合阵子天线, 接收信号通过数字接收机, 先进行高速A/D采样;然后将采样数据经NCO完成数字下变频到基带, 并产生I/O两路数字信号;数字信号再经过CIC抽样滤波器进行数字抽取和滤波。最后交由信号处理器进行脉冲压缩和加窗旁瓣抑制等处理, 最终处理结果以图形形式显示出来。收发两端通过GPS时序控制电路进行收发同步, 保证发射、采集同步精确到微妙级别。

2.2 信号处理流程

发射信号采用锯齿波线性调频扫描信号, 其表达式为:

式中fi为射频的初始频率, φi为振荡器的初相位, T为扫频周期, B为扫频带宽, A为射频信号的幅度。

该发射信号经电离层反射后进入接收天线, 接收到的回波信号是经过延时的发射信号, 同样是频率线性变化的扫频信号, 收发示意图如图5所示, 表达式为:

其中h为电离层的高度, c为光速 (3.0×108m/s) 。

对于不同电离层的高度, 反射回波的时延也不同。根据叠加原理, 总输出信号为:

该信号进入数字接收机, AD采样后通过数字NCO下变频到基带, 输出正交数字基带信号:

为避免频谱混叠, 必须保证抽样后的基带信号频率2sf≥B。将高度窗内的采样基带数据与相参发射副本信号进行相关处理, 获取脉冲压缩结果。相关处理一般使用FFT执行, 见图6。

将不同高度采集的基带信号分别与发射相参信号进行脉冲压缩处理, 就可以得到不同高度的电离层回波信号, 从而可以推断电离层的特性参数。

3 探测结果

实际探测实验中收发两地直线间距15km, 发射信号带宽为50k Hz, 扫频速率为100k Hz/s, 发射信号功率为10W。发射载频采取单频点形式, 试验中分别使用了典型值3MHz、5MHz、7MHz、9MHz。为对比试验效果, 我们采取同地的采用5kw发射功率的电离层垂直探测仪获取的电离图作为对比标准。试验结果如下:

图7为3MHz收发数据处理后的图形结果, 其中横坐标为虚高值, 单位km, 纵坐标为处理后的归一化幅度值 (以下图形结果等同) 。从图7中很容易看到该频率值在120km处有最强的回波信号。对比图8同地同时间的准垂测电离图, 可知该回波信号为E层回波信号。

图9为5MHz收发数据处理后的图形结果, 从图形中很容易得到该频率值在272km处有最强的回波信号。对比图10同地同时间的垂测电离图, 可知该回波信号为F层回波信号。

图11为7MHz收发数据处理后的图形结果, 从图形中很容易得到该频率值在292km处有最强的回波信号1, 在300km处有次强的回波信号2, 在580km处有较弱的回波信号3。对比图12的同地同时间的垂测电离图, 结合电离层理论知识, 可知回波信号3为F层二次回波信号, 回波信号1和2为一次F层回波, 且已开始体现出O、X波分离的迹象。

图13为9MHz收发数据处理后的图形结果, 从图中很容易得到该频率值的三个回波信号距离分别为:340km处回波信号1, 410km处的回波信号2, 675km处的回波信号3。对比图14同地同时间的垂测电离图, 可知回波信号3为F层二次回波信号, 回波信号1和2为分离明显的F层O、X波。

选取四个频点, 分别能够表征来自电离层E层、F层的回波及其二次回波现象, 并能从细节上体现由于地磁场引起的极两种极化波。从每个单频点的收发处理数据结果上分析, 每个频点的回波信号非常好的与当地同时间的垂测电离图回波位置一致。

4 结语

通过该试验得出结论:利用线性调频信号, 只需10W的发射功率, 即可获得5k W脉冲功率的准垂测探测效果。

发射功率的大大降低, 一方面可以降低功耗, 减少设备体积, 便于小型化;另一方面, 还可以减少探测设备对周围环境的电磁辐射干扰。充分利用该体制电离层垂直探测设备的优点, 该探测设备可作为星载设备用于天基观测, 实现“天—地”互补观测, 大大增强我国的电离层观测能力。

参考文献

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[6]李晓路.Chirp探测技术及其在短波通信中的应用[J].舰船电子工程, 2005, 25 (3) :96-100.

利用水文环境对抗电离层干扰策略 篇6

关键词：短波,地波传播,抗干扰,策略

中长距离的短波通信受电离层的影响非常大, 电离层干扰分为[1]自然干扰与人为干扰。其中自然影响为太阳黑子、太阳耀斑、电离层突然骚扰 (SID) 、磁暴、电离层暴变;人为干扰为化学物质释放局部改变电离层、大功率高频电波加热电离层、高空核爆炸等。人为扰动干扰电离层一般在2-3小时内影响电离层传播, 从而达到抑制短波传播的目的。

一、理论依据分析

短波在一定的电离层条件和一定的工作频率下, 以较低仰角射向天空的电波切入电离层后, 在电离层中可以行进比较长的距离, 受电离层的偏转作用比较充分足以被折回地面。

由于仰角低, 反射形成的单跳距离也比较长。随着电波发射仰角增高, 单跳距离变短, 电波可以受电离层作用的距离变短。发射仰角小于临界角的电波不能通过天波通信, 对应的临界距离也叫做“越距 (skip distance) ”。在距离小于越距、但又大于地波传播距离的区域内会形成一个电波的“越距区 (skip zone) ”、“寂静区”或“盲区”[2]。

地波沿地球表面传播, 可以克服地球曲率的阻挡, 传播到较远距离。水的导电性很好, 无线电发明早期的海上无线电通信多依靠地波, 通信距离可以达到上千公里。然而, 地波通信的距离在陆地上尤其是干燥地区, 会大打折扣。文献[2]证明在干燥、平坦无障碍的岩基沙地上用100W发射机和底部加感的缩短型垂直接地车载天线试验, 7MHz的地波通信在30公里距离内可以顺利沟通, 14MHz则只能覆盖10公里左右, 21MHz竟只能联通5公里左右。

短波在水面介质传播时比陆地传播时远, 地波传播在水面距离 (200km左右) 短波通信中, 电波主要以地波形式传播, 天波场强弱于相应的地波场强, 且由于天波的不稳定性, 使得系统结构及其工作的复杂性远大于采用地波的通信形式[2,3]。资料[4,5]表明短波地波传播时, 使用1000W功率的发射机, 陆地上的传播距离仅为100km左右。如果在水面上应用短波通信地波传播, 传输距离将提高1-2倍。

二、策略运用解析

利用短波水面传输距离远的特性, 寻找适合地波传播的水文地理环境, 合理地开设短波站点, 从而构建短波干扰网络, 用以对抗电离层干扰, 具体策略可如下实施: (1) “天”“地”互变策略。所谓天地互变策略, 是指在防敌电子干扰时, 在恰当的时机, 采用短波电台组网方式和实体运动相结合的方式, 避敌敌方电子干扰, 确保我短波干线通信系统的正常工作的战法。该战法诱使敌方使用非常规的电离层攻击手段, 若敌方采用电离层攻击手段, 这就牺牲了敌方自己短波传输资源, 而我方短波通信则通过地波传输, 利用水系建立短波干线传输, 采用该策略将会破坏敌战略部署, 为我方行动挣得宝贵的时间。 (2) 大静小不静策略。由于大功率电台容被敌短波测定和干扰, 而小功率电台不易被敌侦测和干扰。为此, 部队进入短波干线后, 可采取大功率电台网静默, 小功率电台网按预先确定的工作方式进行通信联络, 这样既可保持不间断指挥, 又可防敌电子侦测和干扰。

三、总结

短波抗干扰策略研究, 涉及短波通信、干扰技术、短波组网等方面的专业知识, 本文巧妙地将技术与战术结合, 通过战技结合, 推进技术成果向信息化战斗力的转化, 提高战时短波通信的能力, 为军事战略的延伸, 提出了新的方向。

参考文献

[1]短波通信中电离层异常变化的影响初探[C].中国辽宁沈阳:2006.

[2]陈平.建设短波应急通信后备系统的若干技术问题及对策 (中) [J].中国无线电, 2009 (01) :46-51.

[3]杜源, 曹强.近海短波传播方式确定方法及相关分析[J].舰船电子对抗, 2005 (05) :24-26.

[4]牛峰, 刘民, 尹涛, 等.辽宁区域地震短波通信传播特性和频率选择探讨[J].东北地震研究, 1997 (02) :41-45.

一种实时双频电离层修正方法 篇7

GPS绝对定位受卫星星历、电离层、对流层延迟、多路径及钟差等系统误差的影响。在取消SA后,电离层延迟是影响GPS绝对定位的主要因素。GPS电离层误差修正主要有模型方法和双频修正方法。模型方法中,由Klobuchar提出的电离层模型应用较为广泛,并被GPS系统的广播星历所采用。IGS利用分布在全球的大量永久性GPS跟踪站进行数据后处理获得Klobuchar模型系数。双频方法则通常分别使用载波和码观测量进行电离层修正。使用载波观测量进行电离层修正要考虑整周模糊度的影响,而整周模糊度的求解较为复杂,很难实时计算。而使用双频码观测量进行电离层修正则精度不高。本文提出了一种同时利用双频载波和码共四个观测量进行电离层修正的方法,利用自研双频接收机进行了验证,并与利用Klobuchar模型求得的电离层延迟值进行了比较。

1 电离层信号传播

高度位于(50～1 000)km之间的大气层称为电离层,由于太阳的强烈辐射,电离层中部分气体分子被电离形成大量的自由电子和正离子[1]。对单一频率的电磁波如GPS卫星信号的载波,穿过电离

层时具有相折射率np,np与电离层电子密度和电磁波频率f有关系:

GPS卫星信号中的伪随机码与载波不同,它可以看成为多种频率的无线电波的叠加,称为群波。在穿过电离层时,群波具有群折射率:

当电磁波经过电离层时,由于折射率的变化引起传播路径延迟为n-1在传播路径上的积分:

对于载波和码,其相延迟和群延迟分别为:

从式中可以看出,GPS卫星信号中载波和码在电离层中的延迟大小相同,方向相反。在后面的讨论中,为了方便,将码的电离层延迟写为δρI,而载波为

2 常用的电离层误差修正方法

现今较为常用的电离层误差修正方法主要有两类:一类是模型电离层误差修正方法;另一类是双频误差修正方法。

模型方法中,较为常用的有Bent模型、IRI模型、Klobuchar模型等[2]。在GPS单频定位时,常使用模型方法进行误差修正。GPS用户接口文件中推荐使用的方法为Klobuchar模型[3],在GPS卫星播发的卫星电文中也包含有实时测量的模型参数。Klobuchar模型把晚间的电离层时延看成是一个常数,取值为5 ns,把白天的时延看成是余弦函数中正的部分,每天电离层的最大影响定位当地时间的14∶00。因而天顶方向的电离层延迟可表示为:

振幅A和周期T可以由式(7)计算。

式(7)中,系数αi和βi是地面控制系统根据日期及前5天太阳的平均辐射流量而选取的,并编入GPS卫星的导航电文中发播给用户。

Klobuchar模型的优点是结构简单,计算方便,适用于单频GPS接收机实时快速定位时电离层延迟改正,且Klobuchar模型基本上反映了电离层的变化特性,从大尺度上保证了电离层预报的可靠性。该模型的不足是电离层延迟改正精度有限,适用的空间范围限定在中纬度地区。高纬和低纬赤道地区,由于电离层变化活动剧烈,该模型不能有效反映电离层的真实状况。经验表明,Klobuchar模型仅改正电离层影响的50%～60%,理想情况下可改正至75%[2]。

在双频接收机中,可以利用双频观测量来进行电离层误差修正。双频方法利用双频观测结果的差值,分别估算出L1和L2频率上的电离层延迟。对于码观测量有:

其中f1和f2为双频载波频率;ρ1和ρ2为两个频率的码观测量;δρI1和δρI2为两个频率的电离层延迟。

对于载波观测量,有类似公式:

其中ρ'1和ρ'2分别为两个频率的载波观测量。要注意的是,在实际测量时,测量出的载波观测量会带有整周模糊度。

使用双频方法进行电离层误差修正的方法有两个问题:一、在使用码观测量进行电离层误差计算的方法中,由于码观测量的精度不高(误差达到十几到几十厘米),因此最终计算出的电离层误差精度不高;二、使用载波观测量进行电离层误差计算的方法虽然精度较高,但是需要知道载波观测量的整周模糊度,很难实时运算得到。

3 利用载波和码观测量的双频电离层修正方法

利用双频载波观测量和双频码观测量分别求解电离层延迟的方法各有其优点,但也分别有其缺点。但若同时使用双频的载波和码共四个观测量,则可以避免载波和码观测分别求解电离层延迟带来的问题。

可以获得的观测量为双频的码和载波伪距测量值,其具体组成如下:

式中ρ1为L1频率的码伪距测量结果;ρ'1为L1频率的载波相位测量结果;式中ρ2为L2频率的码伪距测量结果;ρ'2为L2频率的载波相位测量结果;R为实际的卫星和掩星探测器之间的距离;δt为接收机种差和卫星钟差之差;δρI1和δρI2分别为L1和L2频率上的电离层延迟;δρT为对流层折射造成的延迟;N1和N2分别为L1和L2载波测量值的整周模糊度;ξ1和ξ2分别为L1和L2的码伪距测量误差;ξ'1和ξ'2分别为L1和L2的载波相位测量误差;量测误差的主要来源为跟踪环路的热噪声[4]。

从上面的4个观测量中,可以分别得到L1和L2的载波与码联合观测量:

从式中可以看出,载波和码联合观测量消除了电离层延迟,并使观测误差和整周模糊度的影响减半。将双频的联合观测量相减,可以得到:

相减后只剩下观测误差和整周模糊度的影响。

接收机的观测误差主要为热噪声,因为其他的误差来源一般时间短暂并大部分可以忽略[4]。假如认为观测误差的均值为0,那么经过一段时间的统计平均,可以去除(ξ1+ξ'1-ξ2-ξ'2)/2项的影响,得到精确的(N1λ1-N2λ2)/2。

利用L1和L2载波观测量可以得到:

式(19)中ξ'1和ξ'2为载波测量的观测误差,一般小于2 mm,对于电离层误差修正可以忽略不计;(N1λ1-N2λ2)用上述的方法统计计算得到;因此,可以计算得到精确的δρI2-δρI1。

利用δρI1和δρI2与双频电离层延迟差δρI2-δρI1的关系可以分别求出L1和L2频率的电离层延迟:

其中f1和f2为GPS的L1和L2载波频率。至此便完成了电离层误差的精确计算。

4 模拟器验证

为了验证方法的可行性,作者使用自研的双频接收机进行了验证。为了有真实值可以进行比较,作者使用Spirent公司GSS8000型GNSS信号模拟器生成GPS双频信号。在使用GNSS双频接收机进行接收的同时,也使用模拟器实时记录下模拟器中设置的电离层延迟真值。

使用本文介绍的方法计算出的电离层延迟与模拟器实时记录的电离层延迟见图1。从图中可以看出,随着仰角变低,电离层延迟逐渐变大,而计算出的电离层延迟与电离层延迟真值趋势相同。

将计算出的电离层延迟值减去模拟器电离层延迟真值,可以得到电离层延迟的计算误差,如图2。从图中可以看出,L1频率的电离层延迟计算误差不超过1 cm,L2频率的电离层延迟计算误差不超过2 cm。对应于电离层延迟真值,计算电离层延迟的精度达到99%。

5 实际接收结果及与模型方法比较

为了测试本文介绍的双频方法对实际GPS信号进行电离层修正的效果,作者自研的双频GNSS接收机接收真实GPS卫星信号,并使用双频方法计算电离层延迟,与使用Klobuchar模型计算出的电离层结果进行了对比。图3为使用双频方法计算出的电离层延迟值与其对应的仰角;图4为使用Klobuchar模型计算出的电离层延迟以及与双频方法的差值。从图中可以看出:一、两种方法的电离层延迟量与仰角密切相关,随仰角降低,电离层延迟迅速增大;二、在高仰角情况下,两种方法的计算结果相当;三、在低仰角情况下,Klobuchar模型计算结果与双频方法相比误差可以达到几米量级。

6 结论

本文提出了一种同时利用双频载波和码共四个观测量进行实时电离层延迟计算的方法。此方法避免了整周模糊度解算、计算量小、具有实时性。使用计算出的电离层延迟值和卫星信号模拟器的真值进行比较,计算误差为厘米级。此外,作者使用接收机接收真实卫星信号,同时使用双频方法和Klobuchar模型方法计算电离层延迟并进行比较。可以发现两种方法有相同的变化趋势,在高卫星仰角时计算结果也有较好的一致性,但随仰角降低,两者差值逐渐增大。

参考文献

[1]王惠南.GPS导航原理与应用.北京:科学出版社,2003:109—112

[2]吴雨航,陈秀万,吴才聪,等.电离层延迟修正方法评述.全球定位系统,2008;(2):1—5

[3] ICD-GPS-200c.CA,USA:ARINC Research Corporation,1997:148—149