基于空间电磁网的海域气象参数反演系统的制作方法

本发明涉及海洋气象监测，尤其涉及一种基于空间电磁网的海域气象参数反演系统。

背景技术：

1、传统的气象探测手段中，天气雷达可实现三维空间高时空分辨率探测，但低仰角时易受地物杂波影响，且对海域气象探测主要依托岸基雷达，作用距离有限；气象卫星能实现全球范围观测，但同一地区一天仅能观测两次，时间分辨率过低难以满足实时监测需求，在海洋等区域缺少观测数据，站点的间距大，分布不均匀，时间分辨率低。随着卫星通信技术的发展，目前国土上空已有数十颗通信卫星，未来随着低轨星座的发展，国土和周边，及至全球将存在卫星通信电磁网信号。基于卫星通信容量大，业务类型多的特点，发展基于空间电磁网的大范围反演监测技术，建立星地信号传播特性与电离层、对流层大气参数的关系，为热点海域实时气象获取提供新手段，未来具有广泛的应用前景。

2、如今，全球大约有200多颗广播、通信、海事和导航卫星，实时发射l、s、c、x、ku和ka等不同频段的电磁波，几乎覆盖了整个地球。卫星信号会受到水蒸气、电离层和对流层干燥大气的综合影响，其传播速度和轨迹会发生变化，地面上的接收器接收到的信号也会产生一定的延迟。利用电磁密织网可以测定大气温度、大气水汽含量、监测电离层变化等。电磁波频率越高，对降雨就越为敏感，有利于进行降雨强度测量。

3、因此，设计一种具有精度高、时空分辨率高、覆盖面积达、能够连续观测等特点的基于空间电磁网的海域气象参数反演系统，是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供具有精度高、时空分辨率高、覆盖面积达、能够连续观测等特点的基于空间电磁网的海域气象参数反演系统，实现气象信息的快速、实时、准确测量。

2、为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

3、本发明提供一种基于空间电磁网的海域气象参数反演系统，包括：

4、卫星端，包括多个高轨卫星、多个中低轨卫星，任一所述高轨卫星或所述中低轨卫星配置有星载天线；

5、移动端，配置有多模多波束相控阵天线，所述多模多波束相控阵天线用于接收所述卫星端发出的射频信号，并输出经处理后的射频信号；

6、地面数据处理中心，接收处理后的射频信号并进行综合处理；

7、当目标海域内至少存在一个移动端时，第一中低轨卫星通过所述目标海域，所述移动端至少与包括所述第一中低轨卫星的三个中低轨卫星建立第一通信链路，所述移动端与高轨卫星建立第二通信链路，通过所述第二通信链路将处理后的射频信号发送至所述地面数据处理中心，形成完整的空间电磁网的气象监测反演链；

8、所述移动端基于所述第一通信链路的信号衰减情况对大气层的气象信息进行记录和分析。

9、根据本发明的一个技术方案，所述移动端还包括：

10、中央控制系统，用于所述多模多波束相控阵天线的波束控制以及通信链路信号收发控制；

11、信号监测系统，用于监测所述天线系统的不同波束的信号；

12、数据处理系统，用于处理来自不同卫星的数据，进行对比分析，提取并计算与大气层和电离层有关的特性参数；

13、时间同步系统，用于对来自不同卫星链路信号进行时间同步。

14、根据本发明的一个技术方案，所述地面数据处理中心包括数据综合处理系统和数据记录系统，所述数据综合处理系统对接收到的大气层及电离层监测数据进行综合处理；

15、所述数据记录系统，用于存储和记录监测数据。

16、根据本发明的一个技术方案，所述特性参数至少包括温度、湿度、折射率、电子浓度。

17、根据本发明的一个技术方案，所述多模多波束相控阵列天线至少具有两个波束，支持至少两种通信模式，能够同时与中低轨卫星和高轨卫星建立通信链路，并实现双向通信。

18、根据本发明的一个技术方案，所述数据处理系统包括配置有itu-r雨衰预测模型的大气层温湿度解算模块和配置有掩星探测模型的电离层电子浓度解算模块。

19、根据本发明的一个技术方案，所述大气层温湿度解算模块利用所述itu-r雨衰预测模型计算雨衰值，将所述目标海域中的多个第一通信链路对应的雨衰值进行加权，综合得到最终的雨衰结果。

20、根据本发明的一个技术方案，所述多模多波束相控阵天线接收高轨卫星、中低轨卫星发送的广播数据，当中低轨卫星与高轨卫星的相对位置达到预设阈值时，利用掩星探测模型进行电离层电子浓度的反演。

21、根据本发明的一个技术方案，所述预设阈值为高轨卫星与中低轨卫星的中心连线与地球电离层最外层相切。

22、根据本发明的一个技术方案，所述电离层电子浓度总含量tec的计算公式为：

23、

24、其中，f1代表某频率，该频率所对应的载波相位观测值l1和伪距观测值p1，n代表相位模糊度的影响，ε表示观测误差。

25、本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

26、根据本发明的方案，利用海洋-卫星通信链路传播的空间电磁信号建立网络，结合天地一体化控制系统实现卫星通信与地面数据联合处理，共同构成海洋环境大气与电离层探测系统，实现气象信息的快速、实时、准确测量。

27、本发明，通过中低轨卫星、高轨卫星、移动端以及地面数据处理中心，形成完整的空间电磁网的气象监测反演链，能够综合利用目标海域过境的全部可通信卫星，形成密集型网络，以此为基础建立的海域气象和电离层反演结果，实现更精确的计算，从而保证反演监测精度；空间电磁网的星载天线为现有各高、中低轨卫星已配置的，不需重新研制新型可兼容星载天线，提高了现有卫星链路的数据应用效率，降低成本。

28、本发明，充分利用了中低轨卫星数量庞大、分布式终端，不易被摧毁等优势，通过数据库累积完成对大气气候和电离层电子浓度垂直分布和异常的实时监测，为海洋热点区域大气与电离层实时探测提供技术支撑。

29、多模多波束相控阵天线设置于移动端，该移动端可以是各类海面舰船平台，包括但不限于渔船、货船、手持卫星通信设备等，在人员或设备密集的海域，能够获取更为准确的气象信息。

技术特征：

1.一种基于空间电磁网的海域气象参数反演系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述移动端(2)还包括：

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地面数据处理中心(9)包括数据综合处理系统(10)和数据记录系统(11)，所述数据综合处理系统(10)对接收到的大气层及电离层监测数据进行综合处理；

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述特性参数至少包括温度、湿度、折射率、电子浓度。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多模多波束相控阵列天线至少具有两个波束，支持至少两种通信模式，能够同时与中低轨卫星(7)和高轨卫星(8)建立通信链路，并实现双向通信。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数据处理系统(5)包括配置有itu-r雨衰预测模型的大气层温湿度解算模块和配置有掩星探测模型的电离层电子浓度解算模块。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述大气层温湿度解算模块利用所述itu-r雨衰预测模型计算雨衰值，将所述目标海域中的多个第一通信链路对应的雨衰值进行加权，综合得到最终的雨衰结果。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述多模多波束相控阵天线(1)接收高轨卫星(8)、中低轨卫星(7)发送的广播数据，当中低轨卫星(7)与高轨卫星(8)的相对位置达到预设阈值时，利用掩星探测模型进行电离层电子浓度的反演。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述预设阈值为高轨卫星(8)与中低轨卫星(7)的中心连线与地球电离层最外层相切。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述电离层电子浓度总含量tec的计算公式为：

技术总结本发明涉及一种基于空间电磁网的海域气象参数反演系统，包括：卫星端，包括多个高轨卫星、多个中低轨卫星，任一高轨卫星或中低轨卫星配置有星载天线；移动端，配置有多模多波束相控阵天线，多模多波束相控阵天线用于接收卫星端发出的射频信号，并输出经处理后的射频信号；地面数据处理中心，接收处理后的射频信号并进行综合处理；移动端基于第一通信链路的信号衰减情况对大气层的气象信息进行记录和分析。本发明，利用海洋‑卫星通信链路传播的空间电磁信号建立网络，结合天地一体化控制系统实现卫星通信与地面数据联合处理，共同构成海洋环境大气与电离层探测系统，实现气象信息的快速、实时、准确测量。技术研发人员：费春娇,金世超,刘敦歌,王静,杨钰茜,王辰宇,梅辰钰,黄俊,苏巾槐,刘立朋,周波,孙家星受保护的技术使用者：航天恒星科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/17