CN109188474B - 一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统，通过结合载波跟踪环路和码跟踪环路，延长整个系统的相关积分时间，从而能够实现对大幅度电离层闪烁造成严重衰弱的GNSS信号持续不间断的跟踪，完成对大幅度电离层闪烁的监测。

Description

一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统

技术领域

本发明属于空间天气监测、卫星导航应用领域，尤其涉及一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统。

背景技术

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)作为信息时代国家的重要基础设施，能够在全球范围内提供较精确的定位、导航、授时服务，同时也能够被用于空间天气监测中的电离层闪烁监测应用，并且使用GNSS信号作为信标进行电离层闪烁监测是一种廉价的监测手段。

电离层闪烁会衰弱GNSS信号功率，穿过电离层到达地球表面的GNSS信号被接收后能够估算出电离层幅度闪烁指数与电离层相位闪烁指数。在不受任何干扰影响的话，GNSS信号到达地面表面的信号功率约为-160dBW，信号非常微弱，而常规的GNSS信号接收方法对微弱信号的接收能力通常只有约10dB的余量，即当信号功率降低到约-170dBW以下时，GNSS信号的正常接收将严重变差。电离层闪烁对GNSS信号的衰弱最大能达到30dB以上，因此，使用常规GNSS信号接收方法的电离层闪烁监测技术只能监测小幅度的电离层闪烁，不能监测大幅度的电离层闪烁。

在低纬度与高纬度地区，电离层闪烁发生频率较高，以及强度较大，因而，时常会出现大幅度的电离层闪烁情况。对低纬度与高纬度地区电离层闪烁的监测既有迫切的应用需求，又有科学探索研究需求。

综上所述，目前迫切需求一直能够用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测方法，以解决低纬度与高纬度地区的电离层闪烁监测需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统，能够实现对大幅度电离层闪烁造成严重衰弱的GNSS信号持续不间断的跟踪，完成对大幅度电离层闪烁的监测。

一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统，包括天线、载波跟踪环路、码跟踪环路以及处理模块；

所述天线用于实时接收卫星导频信号；

所述载波跟踪环路用于接收并跟踪卫星导频信号，从而获取卫星导频信号的载波相位观测值φ和载波频率值f_carrier；

所述码跟踪环路用于接收并跟踪卫星导频信号和载波频率值f_carrier，从而获取卫星导频信号的窄带功率与宽带功率；

所述处理模块用于根据载波相位观测值φ获取电离层相位闪烁指数σ_φ，还用于将窄带功率和宽带功率的差值作为信号功率SI，并根据信号功率SI获取电离层幅度闪烁指数S4。

进一步地，所述载波跟踪环路包括载波发生器、相位计数器、第一鉴相器、三阶滤波器、频率获取模块、差值模块以及载波频率值获取模块；

所述载波发生器用于产生本地载波信号；

所述相位计数器是对所述本地载波信号进行相位计数，则计数结果为载波相位观测值φ；

所述第一鉴相器用于将本地载波信号与卫星导频信号进行鉴相处理，得到鉴相误差；

所述三阶滤波器用于对所述鉴相误差进行三阶滤波处理；

所述频率获取模块用于获取卫星导频信号频率的理论值f_R，具体的：

其中，f_T为卫星导频信号频率的实测值，

为卫星速度矢量，

为所述监测系统速度矢量，

为从所述监测系统到卫星径向的单位矢量，点积

表示所述监测系统和卫星的相对速度矢量在沿所述监测系统到卫星的连线的径向分量，c为光速；

所述差值模块用于将频率f_R与频率f_T的差值作为多普勒差值f_R-f_T；

所述载波频率值获取模块用于将所述多普勒差值f_R-f_T与三阶滤波处理后的鉴相误差进行求和，并将所述和值作为载波频率值f_carrier，其中，所述载波频率值f_carrier输入所述载波发生器，使载波跟踪环路形成闭环。

进一步地，所述卫星速度矢量

根据卫星自行播发的卫星星历或历书数据计算得到；

所述监测系统速度矢量

为0。

进一步地，所述三阶滤波器的系统函数H1(s)为：

其中，ω_n为特征频率参数，a₃、b₃为设定系数，s为系统函数的复频域变量。

进一步地，所述码跟踪环路包括伪码发生器、相关积分累加器、功率计算模块、第二鉴相器以及二阶滤波器；

所述伪码发生器用于产生本地伪码信号；

所述相关积分累加器用于将所述本地伪码信号与卫星导频信号进行积分累加运算，得到EPL相关积分累加值；

所述功率计算模块用于对所述EPL相关积分累加值进行功率计算处理，得到窄带功率与宽带功率；

所述第二鉴相器用于对所述EPL相关积分累加值进行鉴相处理，得到码相位误差；

所述二阶滤波器对所述码相位误差进行二阶滤波处理；

所述伪码发生器还用于接收载波频率值f_carrier与二阶滤波处理后的码相位误差之和，使码跟踪环路形成闭环。

进一步地，所述二阶滤波器的系统函数H2(s)为：

其中，ω_n为特征频率参数，a₂为设定系数，s为系统函数的复频域变量。

进一步地，所述处理模块获取电离层幅度闪烁指数S4的方法具体为：

对两个以上信号功率获取周期内卫星导频信号对应的信号功率SI_{_k}分别进行如下六阶滤波处理，具体的：

SI_LEF__k＝Y₁(s)×Y₂(s)×Y₃(s)×SI__k

其中，SI_{LEF_k}为滤波处理后的信号功率，k＝1,2,…,M，且M为信号功率获取周期的个数，i＝1,2,3；

ω_N为0.1；s为系统函数Y_i(s)的复频域变量；

根据滤波处理后的各信号功率SI_{LEF_k}获取电离层幅度闪烁指数S4，具体的：

其中，<·>表示取数学期望。

进一步地，所述处理模块用于根据载波相位观测值φ获取电离层相位闪烁指数σ_φ具体为：

将两个以上载波相位观测值获取周期内卫星导频信号对应的载波相位观测值φ_{_k}分别进行如下六阶滤波处理，具体的：

φ_{LEF_k}＝Y₁(s)×Y₂(s)×Y₃(s)×φ_{_k}

其中，φ_{LEF_k}为滤波处理后的载波相位观测值，k＝1,2,…,M，且M为载波相位观测值获取周期的个数，i＝1,2,3；

ω_N为0.1；s为系统函数Y_i(s)的复频域变量；

根据滤波处理后的载波相位观测值φ_{LEF_k}获取电离层相位闪烁指数σ_φ，具体的：

其中，<·>表示取数学期望。

进一步地，所述卫星导频信号包括GPS L5、BDS B1C、BDS B2a、Galileo E5a\B5b、Galileo E6、Galileo E1中的导频信号。

进一步地，所述处理模块为ARM处理器、单片机或DSP芯片。

有益效果：

1、本发明提供一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统，通过结合载波跟踪环路和码跟踪环路，延长整个系统的相关积分时间，从而能够实现对大幅度电离层闪烁造成严重衰弱的GNSS信号持续不间断的跟踪，完成对大幅度电离层闪烁的监测。

2、本发明提供一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统，载波跟踪环路的多普勒差值能够减小本地载波信号与卫星导频信号信号的差值，其导致载波跟踪环路在长相关积分时间内的载波累积差值更低，另外，卫星导频信号无需调制导航电文，因此对长相关积分时间的载波跟踪环路不会造成相位反转干扰。因此，本系统能够延长载波跟踪环路的相关积分时间，而相关积分时间增长，能够实现对大幅度电离层闪烁造成严重衰弱的GNSS信号持续不间断的跟踪，进而能够实现对大幅度电离层闪烁的监测。

3、本发明提供一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统，载波跟踪环路的载波频率值能够减小本地伪码信号与卫星导频信号的伪码信号两者之间的相位差值，导致码跟踪环路在长相关积分时间内的码相位累积差值更低，从而能够使用长相关积分时间的码跟踪环路，相关积分时间增长能够实现对大幅度电离层闪烁造成严重衰弱的GNSS信号持续不间断的跟踪，即能够实现对大幅度电离层闪烁的监测。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统的原理框图；

图2为本发明提供的一种载波跟踪环路原理框图；

图3为本发明提供的一种码跟踪环路原理框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，该图为本实施例提供的一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统的原理框图。一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统，包括天线、载波跟踪环路、码跟踪环路以及处理模块；

所述天线用于实时接收卫星导频信号；

所述载波跟踪环路用于接收并跟踪卫星导频信号，从而获取卫星导频信号的载波相位观测值φ和载波频率值f_carrier；

所述码跟踪环路用于接收并跟踪卫星导频信号和载波频率值f_carrier，从而获取卫星导频信号的窄带功率与宽带功率；

所述处理模块用于根据载波相位观测值φ获取电离层相位闪烁指数σ_φ，还用于将窄带功率和宽带功率的差值作为信号功率SI，并根据信号功率SI获取电离层幅度闪烁指数S4。

可选地，所述处理模块为ARM处理器、单片机或DSP芯片。

可选地，所述卫星导频信号包括GPS L5、BDS B1C、BDS B2a、Galileo E5a\B5b、Galileo E6、Galileo E1中的导频信号。其中，GPS L5为GPS卫星导航系统第三个民用导航信号，BDS B2a为北斗系统的导频信号。卫星导频信号是载波信号、伪码信号、导航电文调制而成。

进一步地，所述处理模块获取电离层幅度闪烁指数S4的方法具体为：

对两个以上信号功率获取周期内卫星导频信号对应的信号功率SI_{_k}分别进行如下六阶滤波处理，具体的：

SI_{LEF_k}＝Y₁(s)×Y₂(s)×Y₃(s)×SI_{_k}

其中，SI_{LEF_k}为滤波处理后的信号功率，k＝1,2,…,M，且M为信号功率获取周期的个数，i＝1,2,3；

ω_N为0.1；s为系统函数Y_i(s)的复频域变量；

根据滤波处理后的各信号功率SI_{LEF_k}获取电离层幅度闪烁指数S4，具体的：

其中，<·>表示取数学期望。

进一步地，所述处理模块用于根据载波相位观测值φ获取电离层相位闪烁指数σ_φ具体为：

将两个以上载波相位观测值获取周期内卫星导频信号对应的载波相位观测值φ_{_k}分别进行如下六阶滤波处理，具体的：

φ_{LEF_k}＝Y₁(s)×Y₂(s)×Y₃(s)×φ_{_k}

其中，φ_{LEF_k}为滤波处理后的载波相位观测值，k＝1,2,…,M，且M为载波相位观测值获取周期的个数，i＝1,2,3；

ω_N为0.1；s为系统函数Y_i(s)的复频域变量；

需要说明的是，载波相位观测值获取周期的个数与信号功率获取周期个数相同。载波相位观测值获取周期个数与载波相位观测值生成的数据率有关，例如数据率为50Hz，则载波相位观测值获取周期为0.02s，可以取3000个周期的载波相位观测值φ_{_k}分别进行上述六阶滤波处理。

根据滤波处理后的载波相位观测值φ_{LEF_k}获取电离层相位闪烁指数σ_φ，具体的：

其中，<·>表示取数学期望。

下面介绍载波跟踪环路的具体实现方式。参见图2，该图为本实施例提供的一种载波跟踪环路原理框图。所述载波跟踪环路包括载波发生器、相位计数器、第一鉴相器、三阶滤波器、频率获取模块、差值模块以及载波频率值获取模块；

所述载波发生器用于产生本地载波信号。

需要说明的是，本地载波信号是载波跟踪环路根据卫星导频信号中的载波信号形成的复制信号。

所述相位计数器是对所述本地载波信号进行相位计数，则计数结果为载波相位观测值φ。

所述第一鉴相器用于将本地载波信号与卫星导频信号进行鉴相处理，得到鉴相误差。可选地，所述第一鉴相器为arctan(Q_p/I_p)，Q_p为卫星导频信号解调的同相支路累加值，I_p为卫星导频信号解调的正交支路累加值。

所述三阶滤波器用于对所述鉴相误差进行三阶滤波处理。

所述频率获取模块用于获取卫星导频信号频率的理论值f_R，具体的：

其中，f_T为卫星导频信号频率的实测值，

为卫星速度矢量，

为所述监测系统速度矢量，

为从所述监测系统到卫星径向的单位矢量，点积

表示所述监测系统和卫星的相对速度矢量在沿所述监测系统到卫星的连线的径向分量，c为光速。

所述差值模块用于将频率f_R与频率f_T的差值作为多普勒差值f_R-f_T。

所述载波频率值获取模块用于将所述多普勒差值f_R-f_T与三阶滤波处理后的鉴相误差进行求和，并将所述和值作为载波频率值f_carrier，其中，所述载波频率值f_carrier输入所述载波发生器，使载波跟踪环路形成闭环。

需要说明的是，载波跟踪环路的相关积分时间设置范围为10ms～1s，载波跟踪环路更新率设置范围为1Hz～100Hz，三阶滤波器带宽设置范围为5Hz～15Hz。

可选地，所述卫星速度矢量

根据卫星自行播发的卫星星历或历书数据计算得到；所述监测系统速度矢量

为0。

需要说明的是，监测系统进行电离层闪烁监测时都是安装于固定位置，因而其速度为0。

可选地，所述三阶滤波器的系统函数H1(s)为：

其中，ω_n为特征频率参数，a₃、b₃为设定系数，s为系统函数的复频域变量。

下面介绍码跟踪环路的一种具体实现方式。参见图3，该图为本实施例提供的一种码跟踪环路原理框图。

所述码跟踪环路包括伪码发生器、相关积分累加器、功率计算模块、第二鉴相器以及二阶滤波器。

所述伪码发生器用于产生本地伪码信号。

需要说明的是，本地伪码信号是码跟踪环路根据卫星导频信号中的伪码信号形成的复制信号。

所述相关积分累加器用于将所述本地伪码信号与卫星导频信号进行积分累加运算，得到EPL相关积分累加值。

所述功率计算模块用于对所述EPL相关积分累加值进行功率计算处理，得到窄带功率与宽带功率。

所述第二鉴相器用于对所述EPL相关积分累加值进行鉴相处理，得到码相位误差。

所述二阶滤波器对所述码相位误差进行二阶滤波处理。

所述伪码发生器还用于接收载波频率值f_carrier与二阶滤波处理后的码相位误差之和，使码跟踪环路形成闭环。

可选地，所述第二鉴相器为

码跟踪环路使用二阶DLL(Delay Lock Loop，延迟锁定环)。

需要说明的是，码跟踪环路的相关积分时间设置范围为50ms～1s，码跟踪环路更新率设置范围为1Hz～20Hz，二阶滤波器带宽设置范围为0.1Hz～1Hz。

可选地，所述二阶滤波器的系统函数H2(s)为：

其中，ω_n为特征频率参数，a₂为设定系数，s为系统函数的复频域变量。

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然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 (8)

1.一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统，其特征在于，包括天线、载波跟踪环路、码跟踪环路以及处理模块；

所述天线用于实时接收卫星导频信号；

所述载波跟踪环路用于接收并跟踪卫星导频信号，从而获取卫星导频信号的载波相位观测值φ和载波频率值f_carrier；

所述码跟踪环路用于接收并跟踪卫星导频信号和载波频率值f_carrier，从而获取卫星导频信号的窄带功率与宽带功率；

所述处理模块用于根据载波相位观测值φ获取电离层相位闪烁指数σ_φ，还用于将窄带功率和宽带功率的差值作为信号功率SI，并根据信号功率SI获取电离层幅度闪烁指数S4；

所述处理模块用于根据载波相位观测值φ获取电离层相位闪烁指数σ_φ具体为：

将两个以上载波相位观测值获取周期内卫星导频信号对应的载波相位观测值φ_{_k}分别进行如下六阶滤波处理，具体的：

φ_{LEF_k}＝Y₁(s)×Y₂(s)×Y₃(s)×φ_{_k}

其中，φ_{LEF_k}为滤波处理后的载波相位观测值，k＝1,2,…,M，且M为载波相位观测值获取周期的个数，i＝1,2,3；

ω_N为0.1；s为系统函数Y_i(s)的复频域变量；

根据滤波处理后的载波相位观测值φ_{LEF_k}获取电离层相位闪烁指数σ_φ，具体的：

所述处理模块获取电离层幅度闪烁指数S4的方法具体为：

对两个以上信号功率获取周期内卫星导频信号对应的信号功率SI_{_k}分别进行如下六阶滤波处理，具体的：

SI_{LEF_k}＝Y₁(s)×Y₂(s)×Y₃(s)×SI_{_k}

其中，SI_{LEF_k}为滤波处理后的信号功率，且信号功率获取周期的个数与载波相位观测值获取周期的个数相同，均为M；

根据滤波处理后的各信号功率SI_{LEF_k}获取电离层幅度闪烁指数S4，具体的：

其中，<·>表示取数学期望。

2.如权利要求1所述的一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统，其特征在于，所述载波跟踪环路包括载波发生器、相位计数器、第一鉴相器、三阶滤波器、频率获取模块、差值模块以及载波频率值获取模块；

所述载波发生器用于产生本地载波信号；

所述相位计数器是对所述本地载波信号进行相位计数，则计数结果为载波相位观测值φ；

所述第一鉴相器用于将本地载波信号与卫星导频信号进行鉴相处理，得到鉴相误差；

所述三阶滤波器用于对所述鉴相误差进行三阶滤波处理；

所述频率获取模块用于获取卫星导频信号频率的理论值f_R，具体的：

其中，f_T为卫星导频信号频率的实测值，

为卫星速度矢量，

为所述监测系统速度矢量，

为从所述监测系统到卫星径向的单位矢量，点积

表示所述监测系统和卫星的相对速度矢量在沿所述监测系统到卫星的连线的径向分量，c为光速；

所述差值模块用于将频率f_R与频率f_T的差值作为多普勒差值f_R-f_T；

所述载波频率值获取模块用于将所述多普勒差值f_R-f_T与三阶滤波处理后的鉴相误差进行求和，并将所述和值作为载波频率值f_carrier，其中，所述载波频率值f_carrier输入所述载波发生器，使载波跟踪环路形成闭环。

3.如权利要求2所述的一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统，其特征在于，所述卫星速度矢量

根据卫星自行播发的卫星星历或历书数据计算得到；

所述监测系统速度矢量

为0。

4.如权利要求2所述的一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统，其特征在于，所述三阶滤波器的系统函数H1(s)为：

其中，ω_n为特征频率参数，a₃、b₃为设定系数，s为系统函数的复频域变量。

5.如权利要求1所述的一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统，其特征在于，所述码跟踪环路包括伪码发生器、相关积分累加器、功率计算模块、第二鉴相器以及二阶滤波器；

所述伪码发生器用于产生本地伪码信号；

所述相关积分累加器用于将所述本地伪码信号与卫星导频信号进行积分累加运算，得到EPL相关积分累加值；

所述功率计算模块用于对所述EPL相关积分累加值进行功率计算处理，得到窄带功率与宽带功率；

所述第二鉴相器用于对所述EPL相关积分累加值进行鉴相处理，得到码相位误差；

所述二阶滤波器对所述码相位误差进行二阶滤波处理；

所述伪码发生器还用于接收载波频率值f_carrier与二阶滤波处理后的码相位误差之和，使码跟踪环路形成闭环。

6.如权利要求5所述的一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统，其特征在于，所述二阶滤波器的系统函数H2(s)为：

其中，ω_n为特征频率参数，a₂为设定系数，s为系统函数的复频域变量。

7.如权利要求1所述的一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统，其特征在于，所述卫星导频信号包括GPS L5、BDS B1C、BDS B2a、Galileo E5a\B5b、Galileo E6、Galileo E1中的导频信号。

8.如权利要求1所述的一种用于大幅度电离层闪烁的电离层闪烁监测系统，其特征在于，所述处理模块为ARM处理器、单片机或DSP芯片。

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