CN107132423A - 一种探测电离层电子密度总数的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种探测电离层电子密度总数的方法及装置。在待测区域架设两部双频GPS接收机天线相距10m左右，接受GPS卫星信号，并将GPS卫星信号经同轴电缆传入两台双频GPS接收机，双频GPS接收机处理卫星信号，将得到的数据通过通讯电缆保存至计算机，取一天数据，利用软件程序对数据进行处理。建立多项式模型计算双频GPS接收机和卫星硬件延迟，得到去除双频GPS接收机和卫星硬件延迟后的斜向电子密度总数，将两站双频GPS接收机斜向电子密度总数综合，通过投影函数，即可将其转换为垂直电子密度总数。本发明采用10m级短基线基于地基GPS双站布站方式探测电离层电子密度总数，精度高，数据存储、管理以及设备维护方便。

Description

一种探测电离层电子密度总数的方法及装置

技术领域

本发明涉及电离层电子探测技术领域，尤其涉及一种探测电离层电子密度总数的方法及装置。

背景技术

电离层电子密度总数的探测按原理方法可分为信标法以及法拉第旋转法，目前一般采用信标法。电离层中存在大量电子，信标法利用电子密度对电磁波传播速度的影响，对双频信号进行差分得到电子密度总数；法拉第旋转法则利用电子密度对电磁波偏振的影响来探测电子密度总数。两种方法对应的电磁波频率不一样，一般大于100MHz的电磁波频率就可以采用信标法，法拉第旋转法则对应甚高频信号，但信标法需要两个频率信号，且两个信号路径一致。导航卫星的信号正好满足信标法的要求，使得信标法探测电子密度总数成本更低，卫星信号也更多，获得的电子密度总数数据的空间密度也更大。电离层电子密度总数的探测根据搭载方式可以分为地基、星载，地基指接收机在地面，能全天探测接收机上空区域电离层电子密度总数，设备方便维护；星载指接收机搭载在卫星上，探测范围由搭载接收机的卫星轨道决定，且探测区域随卫星运动而不断变化。

目前探测电子密度总数按站点数可分为单站和多站。单站表示利用一台接收机进行电子密度总数探测，多站表示多台接收机。两种方式都面临一些问题。单站精度不高，而多站存在多个站点管理困难以及数据远程传输的问题，在很多应用场景下，两种方式均难以满足需求。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种采用信标法基于GPS导航卫星，成本更低，数据空间密度也更大的一种探测电离层电子密度总数的方法及其装置。

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种地基的接收机搭载方式，方便设备维护，可全天有效探测待测区域，可广泛应用于区域电离层监测的一种探测电离层电子密度总数的方法及其装置。

本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种采用10m级短基线的双站布局，可克服远距离多站数据传输、设备维护困难以及单站精度不够等缺点，方便管理，可广泛应用于区域电离层折射修正的一种探测电离层电子密度总数的方法及其装置。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种探测电离层电子密度总数的方法，数据处理方法步骤，包括：

步骤S1，获取设定时间段内的两台双频GPS接收机记录的数据，分别计算斜向绝对电子密度总数、斜向相对电子密度总数以及对应时间、GPS卫星位置；

步骤S2，对斜向绝对电子密度总数和斜向相对电子密度总数进行相位平滑伪距处理得到包含GPS卫星及双频GPS接收机硬件延迟的斜向电子密度总数K1，再将得到的所述斜向电子密度总数K1以及对应时间、GPS卫星位置输入多项式模型，计算两台双频GPS接收机和GPS卫星硬件延迟；

步骤S3，计算去除两台双频GPS接收机和GPS卫星硬件延迟后的斜向电子密度总数K2，并将得到的两台双频GPS接收机同一时刻的斜向电子密度总数K2取均值，再通过投影函数转化为垂直电子密度总数。

其中，在步骤S1之前还包括步骤S0，设备搭建及数据记录，具体为：

在待测区域内架设两部双频GPS接收机天线，并通过同轴电缆分别与对应的双频GPS接收机连接，两台双频GPS接收机经通讯电缆与同一计算机相连接，通过计算机控制两台双频GPS接收机记录数据，并保存在计算机中。

其中，所述步骤S1，具体为：

获取设定时间段内的两台双频GPS接收机记录的数据，利用数据中两个频率的伪距、相位数据分别计算两台双频GPS接收机对应的斜向绝对电子密度总数以及斜向相对电子密度总数。

其中，所述步骤S2，具体为：

步骤a，对斜向绝对电子密度总数和斜向相对电子密度总数进行相位平滑伪距处理得到包含GPS卫星及双频GPS接收机硬件延迟的斜向电子密度总数K1；

步骤b，利用步骤S1中记录数据中的GPS卫星星历数据计算获取的包含GPS卫星及双频GPS接收机硬件延迟的斜向电子密度总数K1对应时刻的GPS卫星位置，获取两台双频GPS接收机位置，由GPS卫星以及双频GPS接收机位置计算GPS卫星对应两台双频GPS接收机的方位角以及仰角，继而得到两台双频GPS接收机对应GPS卫星信号穿过电离层薄层处的穿刺点位置以及天顶角大小；

步骤c，将步骤a中获取的包含GPS卫星及双频GPS接收机硬件延迟的斜向电子密度总数K1和步骤b中得到的对应时间下的穿刺点位置以及天顶角大小，输入多项式模型统一计算两台双频GPS接收机和GPS卫星硬件延迟。

其中，所述步骤S3，具体为：

步骤a，分别计算两台双频GPS接收机对应的去除双频GPS接收机和GPS卫星硬件延迟后的斜向电子密度总数K2，其中，多项式模型利用穿刺点太阳时角以及纬度来拟合垂直电子密度总数，再通过投影函数将垂直电子密度总数转换为斜向电子密度总数，加上双频GPS接收机和GPS卫星硬件延迟后等于获取的包含GPS卫星及双频GPS接收机硬件延迟的斜向电子密度总数K2，以此建立方程组，利用最小二乘法计算双频GPS接收机和GPS卫星硬件延迟以及模型系数，对于一天数据，每3h建立一个4×5阶的多项式模型，其中太阳时角由经度和时间计算得到；

步骤b，将得到的两台双频GPS接收机去除了双频GPS接收机和GPS卫星硬件延迟后的斜向电子密度总数K2在时间上一一对应，并取均值，通过投影函数将均值换算成垂直电子密度总数。

其中，所述步骤S0中，通过计算机控制两台双频GPS接收机记录的数据，包括：GPS卫星星历数据、时间、双频GPS接收机天线位置、GPS卫星P1码相位和伪距以及信噪比、P2码相位和伪距以及信噪比。

其中，两部所述双频GPS接收机天线相距10m。

一种采用上述任一项所述的探测电离层电子密度总数方法的装置，包括两部用于接收GPS卫星信号的双频GPS接收机天线、通过同轴电缆分别与两部双频GPS接收机天线连接的两台双频GPS接收机、通过通讯电缆分别与两台双频GPS接收机连接的计算机。

本发明具有如下优点：

1.采用信标法探测电离层电子密度总数，基于导航卫星，成本低，数据空间密度更大；2.采用双频GPS接收机地基搭载的方式，设备维护方便，可全天有效探测待测区域，可广泛应用于区域电离层监测；3.采用10m级短基线双站布局，精度更高，可避免数据远程传输，以及设备管理困难等问题，可广泛应用于区域电离层折射修正。

附图说明

图1是本发明根据记录数据，计算处理得到的两台双频GPS接收机对应的包含GPS卫星及双频GPS接收机硬件延迟的斜向电子密度总数随时间变化曲线图。

图2是本发明根据记录数据，计算得到的两台双频GPS接收机对应GPS卫星信号穿过电离层薄层处的穿刺点位置曲线图。

图3是本发明根据记录数据，计算得到的两台双频GPS接收机对应GPS卫星信号穿过电离层薄层处的天顶角随时间变化曲线图。

图4是本发明利用记录数据，通过多项式模型计算硬件延迟后得到的两台双频GPS接收机对应的去除双频GPS接收机和GPS卫星硬件延迟后的斜向电子密度总数曲线图。

图5是本发明由两台双频GPS接收机对应斜向电子密度总数得到的垂直电子密度总数曲线图。

图6是本发明的一种探测电离层电子密度总数的装置的结构示意图。

图中：

1-双频GPS接收机天线；2-同轴电缆；3-双频GPS接收机；4-通讯电缆；5-计算机。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

本发明实施例提供了一种探测电离层电子密度总数的方法，包括以下步骤：

步骤S0，搭建设备并记录数据，在待测区域内架设两部双频GPS接收机天线1，两部双频GPS接收机天线1之间距离10m左右，并通过同轴电缆2连接分别与对应的双频GPS接收机3连接，两台双频GPS接收机3经通讯电缆4与同一计算机5相连接，利用双频GPS接收机3的电脑端控制软件，通过计算机5控制两台双频GPS接收机3记录数据，并保存在计算机5中，其中，所述数据包括：GPS卫星星历数据、时间、双频GPS接收机天线1位置、GPS卫星P1码相位和伪距以及信噪比、P2码相位和伪距以及信噪比；

需要说明的是：

GPS卫星频率：f₁＝1.57542GHz,f₂＝1.2276GHz，基频f₀＝10.23MHz

GPS信号编码：在f₁上调制有C/A码、P码和D码,在f₂上调制有P码和D码。

C/A码：C/A是Clear and Acquisition的简称，被称为捕获码，是1MHz的伪随机噪声码(PRN码)，位率为f＝1.023MHz,码元宽度为1/f＝0.97752μs，相应距离为293.1m。若码元对齐误差为码元宽度的1/10～1/100，则相应的测距精度为29.3～2.9米，所以又叫粗码。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经常用它们的PRN码来区分不同卫星。

P码：P是Precision的意思，又称精码，是10MHz的伪随机噪声码,位率为10.23MHz，码元宽度仅为C/A码的1/10，对应的测距精度为2.93～0.29米，所以适合于精密的导航定位。P码是通过卫星发出的信息精测码，能准确的提供数据信息，用编码来现实所要表达内容的一种方式。

D码：也叫数据码，实际上就是导航电文，它包含卫星星历、时间信息、卫星工作状态、星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正等信息。

P1码即在f1频率上调制的P码；P2码为在f2上调制的P码。

步骤S1，获取设定时间段内的两台双频GPS接收机3记录的数据，分别计算两台双频GPS接收机3的斜向绝对电子密度总数、斜向相对电子密度总数以及对应时间、GPS卫星位置；

步骤S2，对斜向绝对电子密度总数和斜向相对电子密度总数进行相位平滑伪距处理得到包含GPS卫星及双频GPS接收机3硬件延迟的斜向电子密度总数K1，请参见图1。再将得到的所述斜向电子密度总数K1以及对应时间、GPS卫星位置输入多项式模型，计算两台双频GPS接收机3和GPS卫星硬件延迟；

需要说明的是，本发明采用的多项式模型如下所示：

其中，VTEC为垂直电子密度总数；m、n为模型阶数；E_ik为模型系数；为测区中心点的地理纬度；S₀为测区中心点在该时段中央时刻t₀时的太阳时角：S-S₀＝(λ-λ₀)+(t-t₀)；

λ为穿刺点的地理经纬度；t为观测时刻。

步骤S3，计算去除两台双频GPS接收机3和GPS卫星硬件延迟后的斜向电子密度总数K2，请参见图4。并将得到的两台双频GPS接收机3同一时刻的斜向电子密度总数K2取均值，再通过投影函数转化为垂直电子密度总数，请参见图5。

所述步骤S1，具体为：

获取设定时间段内的两台双频GPS接收机3记录的数据，利用数据中两个频率的伪距、相位数据分别计算两台双频GPS接收机3对应的斜向绝对电子密度总数以及斜向相对电子密度总数。

其中，所述步骤S2，具体为：

步骤a，对斜向绝对电子密度总数和斜向相对电子密度总数进行相位平滑伪距处理得到包含GPS卫星及双频GPS接收机3硬件延迟的斜向电子密度总数K1；

步骤b，利用步骤S1中记录数据中的GPS卫星星历数据计算获取的包含GPS卫星及双频GPS接收机3硬件延迟的斜向电子密度总数K1对应时刻的GPS卫星位置，获取两台双频GPS接收机3位置，由GPS卫星以及双频GPS接收机3位置计算GPS卫星对应两台双频GPS接收机3的方位角以及仰角，继而得到两台双频GPS接收机3对应GPS卫星信号穿过电离层薄层处的穿刺点位置以及天顶角大小，请参见图2、图3；

步骤c，将步骤a中获取的包含GPS卫星及双频GPS接收机3硬件延迟的斜向电子密度总数K1和步骤b中得到的对应时间下的穿刺点位置以及天顶角大小，输入多项式模型统一计算两台双频GPS接收机3和GPS卫星硬件延迟。对于一天数据，每3h建立一个4×5阶的多项式模型，多项式模型具体形式为上述多项式模型所示。再通过投影函数将垂直电子密度总数转换为斜向电子密度总数，加上双频GPS接收机3和GPS卫星硬件延迟后等于获取的包含GPS卫星及双频GPS接收机3硬件延迟的斜向电子密度总数K2，以此建立方程组，利用最小二乘法计算双频GPS接收机3和GPS卫星硬件延迟。

其中，所述步骤S3，具体为：

步骤a，分别计算两台双频GPS接收机3对应的去除双频GPS接收机3和GPS卫星硬件延迟后的斜向电子密度总数K2，其中，步骤S2中的多项式模型利用穿刺点太阳时角以及纬度来拟合垂直电子密度总数，再通过投影函数将垂直电子密度总数转换为斜向电子密度总数，加上双频GPS接收机3和GPS卫星硬件延迟后等于获取的包含GPS卫星及双频GPS接收机3硬件延迟的斜向电子密度总数K2，以此建立方程组，利用最小二乘法计算双频GPS接收机3和GPS卫星硬件延迟以及模型系数，对于一天数据，每3h建立一个4×5阶的多项式模型，其中太阳时角由经度和时间计算得到；

步骤b，将得到的两台双频GPS接收机3去除了双频GPS接收机3和GPS卫星硬件延迟后的斜向电子密度总数K2在时间上一一对应，并取均值，通过投影函数将均值换算成垂直电子密度总数。

需要说明的是，图1-图4中的两种不同粗细的曲线分别代表两台双频GPS接收机3的数据。

综上所述，本发明通过在待测区域架设两部双频GPS接收机天线1，相距10m左右，接受GPS卫星信号，并将GPS卫星信号经同轴电缆2传入两台双频GPS接收机3，双频GPS接收机3处理卫星信号，将得到的数据通过通讯电缆4保存至计算机5，取一天数据，利用软件程序对数据进行处理。建立多项式模型计算双频GPS接收机3和卫星硬件延迟，得到去除双频GPS接收机3和卫星硬件延迟后的斜向电子密度总数，将两站双频GPS接收机3斜向电子密度总数综合，通过投影函数，即可将其转换为垂直电子密度总数。本发明采用10m级短基线基于地基GPS双站布站方式探测电离层电子密度总数，精度高，数据存储、管理以及设备维护方便。

实施例2

需要说明的是，本实施例2是装置实施例，与上述方法实施例1属于同一发明技术构思，在本实施例中未详尽描述的内容，请参见方法实施例1。

在本实施例中，如图6所示，应用上面的探测电离层电子密度总数方法的装置包括：包括两部用于接受GPS卫星信号的双频GPS接收机天线1、通过两条同轴电缆2与两部双频GPS接收机天线1连接的两台双频GPS接收机3、通过通讯电缆4与两台双频GPS接收机3连接的同一计算机5。

尽管本文较多地使用了双频GPS接收机天线1、同轴电缆2、双频GPS接收机3、通讯电缆4、计算机5等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种探测电离层电子密度总数的方法，其特征在于，

数据处理方法步骤，包括：

步骤S1，获取设定时间段内的两台双频GPS接收机记录的数据，分别计算斜向绝对电子密度总数、斜向相对电子密度总数以及对应时间、GPS卫星位置；

步骤S2，对斜向绝对电子密度总数和斜向相对电子密度总数进行相位平滑伪距处理得到包含GPS卫星及双频GPS接收机硬件延迟的斜向电子密度总数K1，再将得到的所述斜向电子密度总数K1以及对应时间、GPS卫星位置输入多项式模型，计算两台双频GPS接收机和GPS卫星硬件延迟；

步骤S3，计算去除两台双频GPS接收机和GPS卫星硬件延迟后的斜向电子密度总数K2，并将得到的两台双频GPS接收机同一时刻的斜向电子密度总数K2取均值，再通过投影函数转化为垂直电子密度总数。

2.根据权利要求1所述的一种探测电离层电子密度总数的方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括步骤S0，设备搭建及数据记录，具体为：

在待测区域内架设两部双频GPS接收机天线，并通过同轴电缆分别与对应的双频GPS接收机连接，两台双频GPS接收机经通讯电缆与同一计算机相连接，通过计算机控制两台双频GPS接收机记录数据，并保存在计算机中。

3.根据权利要求1所述的一种探测电离层电子密度总数的方法，其特征在于，所述步骤S1，具体为：

获取设定时间段内的两台双频GPS接收机记录的数据，利用数据中两个频率的伪距、相位数据分别计算两台双频GPS接收机对应的斜向绝对电子密度总数以及斜向相对电子密度总数。

4.根据权利要求3所述的一种探测电离层电子密度总数的方法，其特征在于，所述步骤S2，具体为：步

骤a，对斜向绝对电子密度总数和斜向相对电子密度总数进行相位平滑伪距处理得到包含GPS卫星及双频GPS接收机硬件延迟的斜向电子密度总数K1；

步骤b，利用步骤S1中记录数据中的GPS卫星星历数据计算获取的包含GPS卫星及双频GPS接收机硬件延迟的斜向电子密度总数K1对应时刻的GPS卫星位置，获取两台双频GPS接收机位置，由GPS卫星以及双频GPS接收机位置计算GPS卫星对应两台双频GPS接收机的方位角以及仰角，继而得到两台双频GPS接收机对应GPS卫星信号穿过电离层薄层处的穿刺点位置以及天顶角大小；

步骤c，将步骤a中获取的包含GPS卫星及双频GPS接收机硬件延迟的斜向电子密度总数K1和步骤b中得到的对应时间下的穿刺点位置以及天顶角大小，输入多项式模型统一计算两台双频GPS接收机和GPS卫星硬件延迟。

5.根据权利要求4所述的一种探测电离层电子密度总数的方法，其特征在于，所述步骤S3，具体为：

步骤a，分别计算两台双频GPS接收机对应的去除双频GPS接收机和GPS卫星硬件延迟后的斜向电子密度总数K2，其中，多项式模型利用穿刺点太阳时角以及纬度来拟合垂直电子密度总数，再通过投影函数将垂直电子密度总数转换为斜向电子密度总数，加上双频GPS接收机和GPS卫星硬件延迟后等于获取的包含GPS卫星及双频GPS接收机硬件延迟的斜向电子密度总数K2，以此建立方程组，利用最小二乘法计算双频GPS接收机和GPS卫星硬件延迟以及模型系数，对于一天数据，每3h建立一个4×5阶的多项式模型，其中太阳时角由经度和时间计算得到；

步骤b，将得到的两台双频GPS接收机去除了双频GPS接收机和GPS卫星硬件延迟后的斜向电子密度总数K2在时间上一一对应，并取均值，通过投影函数将均值换算成垂直电子密度总数。

6.根据权利要求2所述的一种探测电离层电子密度总数的方法，其特征在于，所述步骤S0中，通过计算机控制两台双频GPS接收机记录的数据，包括：GPS卫星星历数据、时间、双频GPS接收机天线位置、GPS卫星P1码相位和伪距以及信噪比、P2码相位和伪距以及信噪比。

7.根据权利要求2所述的一种探测电离层电子密度总数的方法，其特征在于，两部所述双频GPS接收机天线相距10m。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述的探测电离层电子密度总数方法的装置，其特征在于，包括两部用于接收GPS卫星信号的双频GPS接收机天线、通过同轴电缆分别与两部双频GPS接收机天线连接的两台双频GPS接收机、通过通讯电缆分别与两台双频GPS接收机连接的计算机。