CN108983258A - 一种gnss电离层闪烁与tec监测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，属于GNSS卫星监测技术领域。包括天线、滤波器、接收机、计算机；天线，用于接收卫星信号并将卫星信号传输给滤波器；滤波器，将接收到的卫星信号进行滤波后传输给接收机；接收机，将卫星信号的信号强度信息、载波相位信息传输到计算机；计算机，包括数据采集模块、信息分析模块、数据存储模块与显示模块；数据采集模块，用于采集信息；信息分析模块，用于分析处理信号强度信息、载波相位信息并通过算法计算出电离层TEC信息、电离层闪烁指数信息、TEC抖动指数信息、不规则体强度信息；数据存储模块，用于存储所有信息；显示模块，用于显示所有数据信息。本发明具有抗干扰能力强、满足复杂环境下使用的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，属于GNSS卫星监测技术领域。
背景技术
电离层是空间环境监测系统中重要的构成部分，由于电离层中存在着不规则体，电波通过电离层时，信号的幅度和相位等都会发生随机起伏，我们把这种现象称为电离层闪烁，据国际电波联盟(ITU)报告，在从10MHz到最高10GHz的载波频率范围内都观测到了闪烁。电离层闪烁效应能导致地空无线电系统的信号幅度、相位的随机起伏，使系统性能下降，严重时可造成通信系统、卫星导航系统、地空目标监测系统信号中断。电离层TEC与穿透电离层传播的无线电波时间延迟与相位延迟密切相关，因此可用于在卫星定位、导航等空间应用工程中的电波传播修正。随着科学发展和社会的进步，卫星通信、GNSS导航与定位、星载合成孔径雷达等系统在军事与日常生活中占据越来越重要的地位，电离层闪烁的影响也越来越受到重视，同时闪烁数据中包含电离层物理参量的信息，比如电离层不规则体的结构及其时空变化的信息，而这些信息对电离层等离子体动力学的研究是非常重要的，因此电离层闪烁研究具有更为重要的意义。此外，监测电离层TEC，对于深入研究电离层磁暴及太阳风暴与地球磁层、热层的相关活动也具有重要意义。
目前现有的电离层闪烁与TEC监测设备多是单一的监测电离层闪烁或电离层TEC，为了补偿信号在馈线中较长距离传输时的损耗，在天线后面的第一个前端器件通常为低噪声放大器(LNA)，此外接收机多使用内置电源。但当天线与接收机存在一定距离时，其所用的馈线对信号都有一定程度的衰减而且没有增益，大大增加了系统的噪声，且内置电源对信号也会产生干扰，这种电离层闪烁监测设备抗干扰能力较差，无法满足复杂环境下的使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供一种GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，具体由以下技术方案实现:
所述GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，包括天线、滤波器、接收机、计算机；其中：所述天线，用于接收GNSS卫星信号并将GNSS卫星信号传输给滤波器处理；所述滤波器，用于将接收到的GNSS卫星信号进行滤波后传输给接收机处理；所述接收机，通过串口通信将GNSS卫星信号的信号强度信息、载波相位信息传输到计算机；所述计算机，包括数据采集模块、信息分析模块、数据存储模块与显示模块；所述数据采集模块，用于采集信号强度信息、载波相位信息；所述信息分析模块，用于分析处理信号强度信息、载波相位信息并通过算法计算出电离层TEC信息、电离层闪烁指数信息、TEC抖动指数信息、不规则体强度信息；所述数据存储模块，用于存储信号强度信息、载波相位信息、电离层TEC信息、电离层闪烁指数信息、TEC抖动指数信息、不规则体强度信息；所述显示模块，用于显示监测的数据信息。
所述GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的进一步设计在于，所述天线为与信号放大器集成的GNSS天线，且所述馈线与所述滤波器通信连接。
所述GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的进一步设计在于，所述滤波器为带通滤波器，用于抑制由馈线及外部环境造成的噪声和干扰信号进入接收机，且所述带通滤波器与接收机通信连接。
所述GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的进一步设计在于，所述接收机采用内部晶振源OCXO和GNSS-OEM628板卡集成并连接外接电源，通过RS-232串口通信与所述计算机通信连接，且所述外接电源与接收机通信连接。
所述GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的进一步设计在于，所述信息分析模块，先对巨量的原始数据进行计算分析，并将计算出的信号强度信息、载波相位信息存储于缓冲区内，依据载波相位信息得出电离层TEC信息，当闪烁发生时再对原始数据以及对应信号强度信息、载波相位信息进行存储，并计算出电离层闪烁指数信息、TEC抖动指数信息、不规则体强度信息。
所述GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的进一步设计在于，所述缓冲区用于存储15-30min的原始数据。
所述GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的进一步设计在于，根据设定的条件判定闪烁的发生，所述设定的条件为:在连续一段时间M内N次达到设定值X。
所述GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的进一步设计在于，在接收机的数字通道中，经积分和累加后，输出同相分量和正交相分量通过算法计算出信号强度信息，将所述信号强度信息送入六阶巴特沃兹滤波器进行滤波，得到消除趋势后的信号强度信息，在经过滤波消除趋势以后算出总幅度闪烁指数信息，再对其进行修正滤出来源于环境噪声，得出修正后的振幅闪烁指数信息；所述修正后的振幅闪烁指数信息，用来反演电离层不均匀体强度信息。
所述GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的进一步设计在于，选用六阶的巴特沃兹高通滤波器，通过将相位观测量通过该滤波器，得出滤波效果趋势后的载波相位信息，再通过算法计算出相位闪烁指数信息。
所述GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的进一步设计在于，通过载波相位观测量可得电离层TEC原始观测量，将电离层TEC观测量通过六阶的巴特沃兹高通滤波器进行滤波，消除趋势后，得到瞬时电离层TEC抖动的dTEC，再进行求方差处理，即可得到TEC抖动指数信息σTEC， 式中dTEC为消除趋势后的瞬时电离层TEC抖动。
本发明具有以下有益效果：
(1)一种GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的天线采用了与高增益的低噪声放大器集成的GNSS天线，接收机前端的第一级系统噪声系数的影响是最主要的，都会对系统噪声有负面影响，而高增益放大器之后的元件对总的噪声系数影响会由于放大器增益的限制而变小；当天线与接收机存在一定距离时，其所用的馈线对信号都有一定程度的衰减而且没有增益，大大增加了系统的噪声，为了补偿馈线对信号的损耗，故将GNSS天线与高增益的低噪声放大器集成在一起。通常情况下，卫星发射的卫星信号是右旋圆极化(RHCP)形式，所以所述天线的极化特征也是右旋圆极化特征。
(2)GNSS电离层闪烁与TEC监测与设备的滤波器采用了带通滤波器，所述滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备，常常有用信号附近的干扰信号功率比有用信号大,接收机必须能够对噪声和干扰进行抑制以满足灵敏度的需求。同时，接收天线接收卫星信号后经过馈线到达接收机前，必然产生新的干扰和噪声，因此需要使用专用的带通滤波器对接收到信号进行滤波。
(3)GNSS电离层闪烁与TEC监测与设备的接收机采用了外接电源，避免了将电源内置于接收机产生信号干扰，接收机的内部晶振源(OCXO)，频率稳定、相噪低，且不会淹没较弱的相位闪烁，具有较强抗干扰能力，避免了在卫星信号穿越整个电离层，电离层不规则结构引起信号相位和幅度的快速随机起伏时，出现这种快速的相位变化(相位闪烁)会引起卫星信号的多普勒频移，从而可能超出锁相环的带宽，导致相位失锁，同时幅度的削弱将会使得卫星信噪比降低到接收机极限以下，导致码失锁的问题。
(4)GNSS电离层闪烁与TEC监测与设备的计算机可以直接输出卫星信号的信号强度SI、载波相位φ和电离层TEC信息，并利用这些数据信息可以得出电离层闪烁指数、TEC抖动指数以及不均匀体强度。
附图说明
图1为GNSS电离层闪烁与TEC监测设备架构示意图。
图2为GNSS电离层闪烁与TEC监测设备数据接收及处理流程图。
图3为振幅闪烁指数计算流程图。
图4为相位闪烁指数计算流程图。
图5为电离层TEC计算流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种GNSS电离层闪烁与TEC监测与设备，主要由与高增益的LNA集成的GNSS天线、带通滤波器、接收机、外接电源以及计算机组成。天线，接受卫星信号，将卫星信号传输给所述带通滤波器处理。带通滤波器，过滤掉由馈线及外部环境产生的干扰和噪声信号，将卫星信号传输给所述接收机处理。接收机，与外接电源连接，通过串口线将卫星信号的信号强度SI和载波相位φ信息传输到计算机。计算机，包含数据采集模块、信息分析模块、数据存储模块与显示模块，数据采集模块、信息分析模块与数据存储模块，先对巨量的原始数据进行计算分析，并将计算出的信号强度SI、载波相位φ信息存储于缓存区内，依据载波相位得出电离层TEC信息，当闪烁发生时再对原始数据以及对应信号强度SI、载波相位φ进行存储，并计算出电离层闪烁指数、TEC抖动指数与不规则体强度，将所有结果通过所述显示模块进行数据显示。
本实施例中，天线为与高增益的LNA集成的GNSS天线，通过馈线与带通滤波器通信连接，且带通滤波器与接收机通信连接。外接电源与接收机通信连接，接收机通过RS-232串口线与计算机通信连接，接收机核心部分采用GNSS-OEM628板卡与内部晶振源OCXO集成。
如图2，数据采集模块、信息分析模块、数据存储模块，先对经过低噪放和带通滤波器处理后的巨量原始数据进行计算分析，并将计算出的信号强度SI、载波相位φ信息存储于缓存区内，依据载波相位得出电离层TEC信息，在闪烁发生时再对原始数据以及对应的信号强度SI和载波相位φ进行存储，并计算出电离层闪烁指数、TEC抖动指数与不均匀体强度。本实施例中，缓存区用于存储15-30min的原始数据。根据设定的条件判定闪烁的发生，设定的条件为:在连续一段时间M内N次达到设定值X。
具体地，本实施例通过采用标准RS232通信协议实现接收机与计算机之间的通信，在VC6.0中的具体实现是先用CreatFile()函数初始化串行通信，包括获得串行设备句柄并对其进行通信参数设置，然后利用ReadFile()接收数据。在获得数据流后，根据数据标志帧从中分离出原始信息数据，保存到原始数据缓冲区(为了获得闪烁发生前的原始数据，这里开辟了一个可以存储20min原始数据量的缓冲区)，同时根据原始数据以每分钟计算一次S4指数，存储在计算出的数据缓冲区，待累积到lOmin的数据后，判断标志位，根据标志位来决定原始数据的存储与否。
在实际测量分析中，考虑到存在有多径效应、钟差等因素也会导致偶尔一次S4指数很大，因此偶尔的一次S4指数很大并不意味着闪烁发生，考虑以连续lOmin内有6次S4(一分钟一个数据)大于某个值(一般取0.3)作为标准来衡量闪烁发生与否。当确定有闪烁发生时，从数据缓冲区中取出该闪烁发生前10min的原始数据存储到数据文件，同时判断该闪烁是否结束，如果闪烁继续，则依次存储原始数据，如果闪烁终止，则只接着保存闪烁终止后lOmin的原始数据。无论有没闪烁发生，经计算出的数据都被保存到数据文件。
如图3，在数字接收机通道中，经积分和累加后，系统输出同相分量I和正交相分量Q，通过算法计算出信号强度，将其送入六阶巴特沃兹滤波器进行滤波，得到消除趋势后的信号强度。在经过滤波消除趋势以后算出总幅度闪烁指数S4值，由于S4指数有时候还有很大一部分可能来源于环境噪声，因此再对其进行修正，得出修正后的S4值。
如图4所示，对于接收机来说，接收机本地钟差、卫星钟差和对流层等也会引起接收信号的相位变化，因此同样需要通过滤波消除趋势的方法降低这种影响。选用一个六阶3dB截止频率为O.1Hz的巴特沃兹高通滤波器，让相位观测量通过该滤波器，得出滤波效果趋势后的载波相位值，在通过算法计算出相位闪烁指数。本实施例根据下式计算相位闪烁指数σφ， 式中φ载波相位。
如图5所示，由接收机观测到的GPS的L1和L2信号载波相位观测量φL1与φL2可得TEC原始观测量,同样对于TEC观测量进行通过滤波剔除背景趋势处理，采用6阶巴特沃斯高通滤波器进行趋势处理。本实施例根据下式计算TEC抖动指数，式中dTEC为瞬时电离层TEC抖动。
具体地，以下给出本实施例闪烁指数、TEC抖动指数与不均匀体强度的具体计算方法:
在电离层闪烁监测中，闪烁强度可以通过计算振幅闪烁指数(S4)和相位闪烁指数(σφ)来衡量，振幅闪烁指数S4的计算方法如下:
振幅闪烁指数(S4指数)通常以每分钟计算得到一个值，它定义为信号强度的均值归一化的信号强度的标准差:
式中<>表示一分钟均值，SI即信号强度，也就是接收到的信号的功率；
第一步:计算信号强度SI
在数字接收机通道中，经积分和累加后，系统输出3个同相分量IE，IP，IL和正交相分量QE,QP,QL，对于振幅闪烁测量，以1kHz的抽样率从中抽取出同相和正交相采样数据IP,QP，然后以0.02s的间隔计算出窄带功率NBP和宽带功率WBP:
假设在0.02s内，不包括噪声的I和Q为一常量，噪声用变量Ni来表示，则Ii和Qi分别为:
Ii＝I+Ni (4)
Qi＝Q+Ni (5)
将式(4)、(5)代入(2)、(3)后，再用(2)式减去(3)式，就可以得到接收信号的功率，即信号强度SI:
SI＝NBP-WBP＝380·(I2+Q2) (6)
第二步:计算滤波消趋势后的信号强度SI’
对于单频接收机，卫星运动以及多径等因素也会导致接收信号的功率变化，因此有必要通过低通滤波消除趋势来减弱这种影响，在下面的表达式中，用SI’表示滤波消除趋势后的信号强度，它通过将SI送入6阶巴特沃兹滤波器进行滤波后得到；
6阶巴特沃兹滤波器由3个级联的2阶滤波器构成，对于每一个2阶滤波器，其S平面方程满足:
式中fN为滤波器的输入频率，单位Hz，系数al,a2,a3分别为:
在时域，2阶滤波器满足如下的方程:
其中，式中系数表达式分别为:
△t取值0.02s；在方程式(11)中，μ1，k+1为第k+l次的输入值，即第一级滤波器的输,μ2，k+1,μ3，k+1表示第1,2级滤波器的输出，即第2,3级滤波器的输入:
μ1，k+1＝(NBP-WBP)k+1 (18)
μi，k+1＝Xi-1，1，k+1；i＝2,3 (19)
最后滤波器的输出为:
经低通滤波后，用输入除以低通输出得到一个在1左右跳动的消除趋势值:
第三步:计算总的S4值
在经过滤波消除趋势以后，方程式(1)修改为:
第四步:计算基于噪声的S4值
式((1),(22)中定义的S4指数有时候还有很大一部分可能来源于环境噪声，因此有必要剔除这部分的影响，可以通过求得1分钟内信噪比的均值，计算出这个基于噪声产生的S4值:
式中为系统输出的信噪比均值；
第五步:计算S4修正值
总的S4值平方减去基于噪声产生的S4值平方，得到修正后的S4值平方，经开方得到S4修正值:
相位闪烁指数(σφ)的计算方法如下:
通常使用载波相位的标准差σφ来确定相位闪烁:
式中φ为载波相位；其算法执行步骤如下:
第一步，计算滤波消除趋势后的载波相位中
对于单频接收机来说，接收机本地钟差、卫星钟差、SA政策和对流层等也会引起接收信号的相位变化，因此同样需要通过滤波消除趋势的方法降低这种影响；与幅度闪烁指数分析不同的是，除电离层闪烁之外的相位的影响具有缓变的特征，通过选用一个6阶3dB截止频率为O.1Hz的巴特沃兹高通滤波器，让相位观测量通过该滤波器，可以移除在该截止频率以下的低频影响；
以原始相位值φin，k+1作为该滤波器的输入:
μ1，k+1＝φin，k+1 (26)
前级滤波器的输入和输出之差构成后一级的输入:
μi，k+1＝μi-1，k+1-Xi-1，1，k+1；i＝2，3； (27)
最后滤波器的输出为:
φhpf，k+1＝μ3，k+1-X31，k+1 (28)
经高通滤波后，用输入除以高通输出得到一个在1左右跳动的消除趋势值:
对于相位闪烁，滤波方程中的Γ系数也与幅度闪烁不一样:
第二步，计算相位闪烁；
电离层TEC的计算方法如下:
由接收机观测到的GPS的L1和L2信号载波相位观测量φL1与φL2可得TEC原始观测量：
对于TEC观测量进行剔除背景趋势处理，采用6阶巴特沃斯高通滤波器进行趋势处理，6阶巴特沃兹滤波器由3个级联的2阶滤波器构成，对于每一个2阶滤波器，其S平面方程满足:
式中系数一般取0.01Hz,al,a2,a3分别为:
在经过滤波消除趋势以后，得到瞬时电离层TEC抖动的dTEC，再进行求方差处理，即可得到TEC抖动指数：
为了将其换算为天顶方向的总电子含量TECV,假设电离层为单层模型，距地高度一般为350-450km。电离层与导航信号传输路径的交点(即穿刺点)为P，根据斜向TEC可以得到P点的垂直TEC为:
TECV＝TEC×cosχ (39)
其中χ为卫星的天顶角，可表示为：
其中α为卫星仰角，RE为地球的平均半径，h为电离层高度，本实例中假设h＝400km。
在计算垂直TEC时，同时要剔除卫星的硬件延迟和接收机的硬件延迟所造成的影响，TECV的完整表达式为
TECV＝(TEC-bs-br)×cosχ (41)
其中，bs和br分别为卫星和接收机的硬件延迟，本实例利用卡尔曼滤波方法求解硬件延迟。
电离层不均匀体强度的计算方法如下:
用S4来反演不均匀体强度，
式中，CkL为电离层不均匀体强度；S4为幅度闪烁指数；v＝p/2,p为相位谱指数；re为经典电子半径；F为菲涅尔调制项；Z为菲涅尔带参数。
上式中，需要求得p(或v),根据郎伯函数W，于是:
式中，T为RiNo定义的相位闪烁强度，σφ为相位闪烁指数，fc为截止频率。S4与CkL有很强的相关性，log(CkL)>33时，闪烁才有可能发生。
本实施例的一种GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的接收天线采用了与高增益的低噪声放大器集成的GNSS天线，补偿了信号在馈线中较长距离传输时的损耗，且高增益的LNA限制了之后的元件对总的噪声系数的影响，使总的噪声系数变小。GNSS电离层闪烁与TEC的监测与预警一体化设备的带通滤波器，对接收机前的馈线以及外部环境带来的干扰和噪声进行滤波。GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的接收机核心部分采用了GNSS-OEM628与内部晶振源(OCXO)集成，频率稳定、相噪低，且不会淹没较弱的相位闪烁，具有较强抗干扰能力，避免在卫星信号穿越整个电离层，电离层不规则结构引起信号相位和幅度的快速随机起伏时，出现这种快速的相位变化(相位闪烁)会引起卫星信号的多普勒频移，从而可能超出锁相环的带宽，导致相位失锁，同时幅度的削弱将会使得卫星信噪比降低到接收机极限以下，导致码失锁的问题。同时外接电源相比于内置电源也避免了部分信号干扰。GNSS电离层闪烁与TEC监测设备的计算机可以直接输出卫星信号的信号强度SI、载波相位φ和电离层TEC信息，也可以输出电离层闪烁指数、TEC抖动指数和不均匀体强度信息。
需要说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明所限定的范围。
Claims (10)
1.一种GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，其特征在于：包括天线、滤波器、接收机、计算机；其中，
所述天线，用于接收GNSS卫星信号并将GNSS卫星信号传输给滤波器处理；
所述滤波器，用于将接收到的GNSS卫星信号进行滤波后传输给接收机处理；
所述接收机，通过串口通信将GNSS卫星信号的信号强度信息、载波相位信息传输到计算机；
所述计算机，包括数据采集模块、信息分析模块、数据存储模块与显示模块；
所述数据采集模块，用于采集信号强度信息、载波相位信息；
所述信息分析模块，用于分析处理信号强度信息、载波相位信息并通过算法计算出电离层TEC信息、电离层闪烁指数信息、TEC抖动指数信息、不规则体强度信息；
所述数据存储模块，用于存储信号强度信息、载波相位信息、电离层TEC信息、电离层闪烁指数信息、TEC抖动指数信息、不规则体强度信息；
所述显示模块，用于显示监测的数据信息。
2.根据权利要求1所述的GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，其特征在于：所述天线为与信号放大器集成的GNSS天线，且所述馈线与所述滤波器通信连接。
3.根据权利要求1所述的GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，其特征在于：所述滤波器为带通滤波器，用于抑制由馈线及外部环境造成的噪声和干扰信号进入接收机，且所述带通滤波器与接收机通信连接。
4.根据权利要求1所述的GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，其特征在于：所述接收机采用内部晶振源OCXO和GNSS-OEM628板卡集成并连接外接电源，通过RS-232串口通信与所述计算机通信连接，且所述外接电源与接收机通信连接。
5.根据权利要求1所述的GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，其特征在于：所述信息分析模块，先对巨量的原始数据进行计算分析，并将计算出的信号强度信息、载波相位信息存储于缓冲区内，依据载波相位信息得出电离层TEC信息，当闪烁发生时再对原始数据以及对应信号强度信息、载波相位信息进行存储，并计算出电离层闪烁指数信息、TEC抖动指数信息、不规则体强度信息。
6.根据权利要求5所述的GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，其特征在于：所述缓冲区用于存储15-30min的原始数据。
7.根据权利要求5所述的GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，其特征在于：根据设定的条件判定闪烁的发生，所述设定的条件为:在连续一段时间M内N次达到设定值X。
8.根据权利要求1所述的GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，其特征在于：在接收机的数字通道中，经积分和累加后，输出同相分量和正交相分量通过算法计算出信号强度信息，将所述信号强度信息送入六阶巴特沃兹滤波器进行滤波，得到消除趋势后的信号强度信息，在经过滤波消除趋势以后算出总幅度闪烁指数信息，再对其进行修正滤出来源于环境噪声，得出修正后的振幅闪烁指数信息；所述修正后的振幅闪烁指数信息，用来反演电离层不均匀体强度信息。
9.根据权利要求1所述的GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，其特征在于：选用六阶的巴特沃兹高通滤波器，通过将相位观测量通过该滤波器，得出滤波效果趋势后的载波相位信息，再通过算法计算出相位闪烁指数信息。
10.根据权利要求1所述的GNSS电离层闪烁与TEC监测设备，其特征在于：通过载波相位观测量可得电离层TEC原始观测量，将电离层TEC观测量通过六阶的巴特沃兹高通滤波器进行滤波，消除趋势后，得到瞬时电离层TEC抖动的dTEC，再进行求方差处理，即可得到TEC抖动指数信息，式中dTEC为消除趋势后的瞬时电离层TEC抖动。
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