CN103592672B - 电离层电子总含量监测的gnss基带信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电离层电子总含量监测的GNSS基带信号处理方法，其利用GNSS双频载波信号监测电离层TEC方法，针对GNSS在电离层TEC监测领域应用特点，通过对GNSS双频信号的载波跟踪环路鉴相器作和与作差，耦合双频载波信号的跟踪环路，实现双频信号载波跟踪环路的相互辅助，并利用其差路输出转换值来平滑码环输出来解算出的电离层TEC，从而得到高精度和高准确度的电离层TEC值。本发明能有效提高电离层TECA的监测精度，能利用双频信号的相互辅助，能避免周跳对电离层TEC监测值的影响；将双频信号载波跟踪环路的相互辅助，双频载波跟踪环路都能彼此得到对方环路跟踪信息的辅助，以提高双频信号的跟踪灵敏度。

Description

电离层电子总含量监测的GNSS基带信号处理方法

技术领域

本发明属于空间天气监测技术领域，尤其涉及一种电离层电子总含量监测的GNSS基带信号处理方法。

背景技术

电离层TEC是表征电离层特性的重要参量，在空间天气监测和预报中受到关注。由于卫星导航信号具有相对稳定的强度和相位，其用于监测电离层具有信号资源丰富、成本低、易普及、便于多点同时探测等优势。现代GNSS系统呈现多系统多频点的特征，例如，GPS现代化之后在L1CA信号的基础上增加L2C民用信号，GLONASS系统在G1和G2频率上发播民用信号，北斗二代导航系统也在B1、B2和B3频点发播民用信号等。利用多频GNSS信号资源监测电离层TEC已经成为现在国际上电离层监测设备的发展潮流。

传统的GNSS电离层TEC监测系统主要是在导航GNSS接收机输出的共星双频伪距和载波相位原始观测量基础上，对观测观测量进行数据后处理来完成电离层TEC的计算，其双频GNSS信号的跟踪处理算法仍然采用传统的导航接收机中的双频信号跟踪处理方法。图1以L1/L2双频电离层TEC监测方法进行了说明。传统信号跟踪处理中的L1与L2信号载波跟踪处理方法如图2和图3所示的两种方法，并辅助以载波环路辅助码环来实现共星双频导航信号的基带信号处理。

但是传统的方法用于双频导航接收机中，由于电离层TEC监测应用有其特殊性，传统的方法用于电离层TEC监测有以下缺点：

1.电离层TECR解算由双频信号跟踪处理部分输出的双频载波相位观测量作后处理得到，其误差来源于双频载波相位观测值的噪声误差，误差相对较大。

2.电离层TECA解算由双频信号跟踪处理部分输出的双频伪距观测量作后处理得到，由于码环本身具有较大观测噪声的特性，通过其得到的双频伪距观测量也具有较大的误差。

3.双频载波信号的跟踪具有明显的缺陷：L1/L2单独跟踪，跟踪环路带宽较大，得到的跟踪双频载波误差较大；L1辅助L2跟踪，L2信号的跟踪依赖于L1信号的跟踪，存在L1失锁L2必然失锁的情况，并且其后端电离层TEC解算也会引入L1环路与L2环路的跟踪误差。

4.传统的信号跟踪方法由于其环路滤波较宽，跟踪得到载波相位存在周跳，因此通过其得到的电离层载波TEC存在周跳引起的误差。

5.双频信号跟踪灵敏度不高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种电离层电子总含量监测的GNSS基带信号处理方法，该方法基于双频信号来源于同一颗卫星同一个基准时钟，具有有效直接跟踪电离层TEC变化、提高TEC监测精度、有效避免载波周跳对载波TEC监测影响并提高双频信号的跟踪灵敏度等优点。

本发明的电离层电子总含量监测的GNSS基带信号处理方法包括：

步骤1，在共星的GNSS双频信号的跟踪阶段，双频载波跟踪环路进行双频载波信号的闭环跟踪，跟踪步骤是：

将环路鉴相器2的输出结果乘以系数k1进行变换获得变换值；

将环路鉴相器1的输出结果与所述变换值作和，并乘以系数k2作为环路滤波器1的输入；将环路鉴相器1的输出结果与所述变换值作差，并乘以系数k3作为环路滤波器2的输入；

所述环路滤波器1输出滤波结果送入的环路NCO1；所述环路滤波器2输出滤波结果送入的环路NCO2；

将所述环路NCO1和所述环路NCO2均与环路参数预测装置相接，所述环路参数预测装置恢复出双频信号的载波环路鉴相值；

将所述载波环路鉴相值送入相应的环路鉴相器，完成双频载波信号的闭环跟踪；

步骤2，将恢复出双频信号的载波环路鉴相值送入其各自的码环滤波器，进行载波环对码环的辅助；

步骤3，将环路滤波器2经环路NCO2的输出值按照公式进行计算得到电离层TEC的变化率TECR，所述输出值的单位是周2π，；

步骤4，将L1和L2码跟踪环路的环路滤波器的输出转化到单位为米的量纲，分别得到量纲F1与量纲F2，将量纲F1与量纲F2按照公式

TEC1＝9.52×(F2-F1)进行变换得到TEC1值；

步骤5，将所述变化率TECR和所述TEC1值送入到专用平滑算法中，输出即得到电离层高精度的TECA。

本发明的有益效果在于：

1.本方法通过对环路滤波器2的输出值作一定的数学变换得到直接电离层TECR，而环路滤波器2的热噪声带宽很窄（由于环路滤波器的输入信号是双频信号的载波鉴相结果作差，消除了信号公有大的动态，一般几赫兹），因此其环路输出的信号噪声较低，精度较高，从而得到的电离层TECR更加准确。

2.本发明的算法利用得到的高精度TECR来平滑相对准确但噪声较大的TECA，从而能够有效提高电离层TECA的监测精度。

3.本方法通过对双频信号载波跟踪环路耦合实现双频信号载波环路的闭环跟踪，能够实现双频信号的相互辅助，有效避免了传统双频跟踪方法的缺点。

4.本方法由于环路滤波器2输入的信号动态和其环路热噪声带宽较小，其环路能够有效避免周跳的产生，从而能有效避免传统方法中周跳对电离层TEC监测的影响。

5.本方法能实现双频信号载波跟踪环路的相互辅助，双频载波跟踪环路都能彼此得到对方环路跟踪信息的辅助，从而能够提高双频信号的跟踪灵敏度。

附图说明

图1为传统的双频电离层载波TEC监测方法示意图；

图2为传统的导航接收机双频载波跟踪环路的L1\L2单独跟踪示意图；

图3为传统的导航接收机双频载波跟踪环路的L1辅助L2跟踪示意图；

图4为本发明的双频信号载波跟踪环路示意图；

图5为本发明的双频载波电离层TEC变化率监测方法示意图。

具体实施方式

结合图4及图5进行更加详细的说明。本发明的一种电离层电子总含量监测的GNSS基带信号处理方法，包括：

步骤1，在共星的GNSS双频信号的跟踪阶段，双频载波跟踪环路进行双频载波信号的闭环跟踪，跟踪步骤是：

将环路鉴相器2的输出结果乘以系数k1进行变换获得变换值；

将环路鉴相器1的输出结果与所述变换值作和，并乘以系数k2作为环路滤波器1的输入；将环路鉴相器1的输出结果与所述变换值作差，并乘以系数k3作为环路滤波器2的输入；

所述环路滤波器1对环路鉴相器1的输入进行滤波后输出滤波结果，并将该滤波结果送入的环路NCO1；所述环路滤波器2对环路鉴相器2的输入进行滤波后输出滤波结果，并将该滤波结果送入的环路NCO2；

将所述环路NCO1和所述环路NCO2均与环路参数预测装置相接，所述环路参数预测装置恢复出双频信号的载波环路鉴相值；

将所述载波环路鉴相值送入相应的环路鉴相器，完成双频载波信号的闭环跟踪；

步骤2，将恢复出双频信号的载波环路鉴相值送入其各自的码环滤波器，进行载波环对码环的辅助；

步骤3，将环路滤波器2输出值（单位是“周”，即2π）按照公式得到电离层TEC的变化率TECR；

该步骤3中的输出值是指环路滤波器2输出值经过环路NCO2的输出值（单位是“周”）。

步骤4，将L1和L2码跟踪环路的环路滤波器的输出转化到单位为米的量纲，分别得到量纲F1与量纲F2，将量纲F1与量纲F2按照公式

TEC1＝9.52×(F2-F1)进行变换得到TEC1值；

该步骤4中的输出是指GNSS跟踪环路的码环滤波器输出值。一般的GNSS接收机跟踪环路都有这项输出值。该计算TEC1的方法为一般计算TEC的方法。本专利对它进行精度提高。

步骤5，将所述变化率TECR和所述TEC1值送入到专用平滑算法中，输出即得到电离层高精度的TECA。

图4为本发明的双频信号载波跟踪环路示意图。如图4所示，实现中，令k1=（L1信号载波频率/L2信号载波频率）,k2=0.5,k3=0.5即可，在此条件下，环路参数预测单元采用如下的预测方法：

令NCO1输出值为A，NCO2输出值为B，则对于环路鉴相器1支路，其环路鉴相器的输入预测值采用A+B；对于环路鉴相器2支路，其环路鉴相器的输入预测值采用A-B，即可完成双频信号载波跟踪环路的闭环跟踪。

电离层变化率的通过对NCO2的输出按照式1作变换得出。

图5为本发明的双频载波电离层TEC变化率监测方法示意图。如图5所示，在GNSS共星双频信号的跟踪中的载波环路采用如图4中所示的双频载波跟踪环路结构，对其中NCO2输出的值作步骤3所示转换，并对采用载波环辅助码环输出的滤波器作步骤4所示转换计算出TEC值，利用步骤3得到的值按照步骤5平缓处理可得到高精度的TEC值。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种电离层电子总含量监测的GNSS基带信号处理方法，其特征在于，该GNSS基带信号处理方法包括：

步骤1，在共星的GNSS双频信号处理的跟踪阶段，双频载波跟踪环路进行双频载波信号的闭环跟踪，跟踪步骤是：

将第二环路鉴相器的输出结果乘以系数k1进行变换获得变换值；

将第一环路鉴相器的输出结果与所述变换值作和，并乘以系数k2作为第一环路滤波器的输入；将第一环路鉴相器的输出结果与所述变换值作差，并乘以系数k3作为第二环路滤波器的输入；

所述第一环路滤波器输出滤波结果送入的环路NCO1；所述第二环路滤波器输出滤波结果送入的环路NCO2；

将所述环路NCO1和所述环路NCO2均与环路参数预测装置相接，所述环路参数预测装置恢复出双频信号的载波环路鉴相值；

将所述载波环路鉴相值送入相应的环路鉴相器，完成双频载波信号的闭环跟踪；

步骤2，将恢复出双频信号的载波环路鉴相值辅助到其各自的码环滤波器输入端，进行载波环对码环的辅助操作；

步骤3，将第二环路滤波器经环路NCO2的输出值按照公式TECR＝-3.626×Δφ′₄进行计算得到电离层TEC的变化率TECR，所述输出值的单位是周2π；

步骤4，将L1和L2码跟踪环路的环路滤波器的输出转化到单位为米的量纲，分别得到量纲F1与量纲F2，将量纲F1与量纲F2按照公式

TEC1＝9.52×(F2-F1)进行变换得到TEC1值；

步骤5，将所述变化率TECR和所述TEC1值送入到平滑算法中，输出电离层高精度的TECA。