CN110568458B - 一种基于gnss的电离层vtec闭环测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于GNSS的电离层VTEC闭环测试系统，该系统包括BDS/GPS卫星信号模拟器用于产生卫星下行导航信号，还用于加载对流层模型、电离层模型，并实现卫星信号经过对流层延时、电离层延时的实时模拟；BDS/GPS双模TEC测试接收机，用于接收所述卫星信号并生成电离层延迟改正模型；电离层VTEC测试上位机软件根据所述电离层延迟改正模型得到跟踪环路的原始观测量和接收机的定位解算信息；所述电离层VTEC测试上位机软件还用于获取接收机与卫星的硬件延迟、电离层VTEC数据、经纬度偏差以及高度偏差；所述电离层VTEC测试上位机软件还用于根据接收机与卫星的硬件延迟、电离层VTEC数据、经纬度偏差以及高度偏差判断电离层延迟改正模型的质量。

Description

一种基于GNSS的电离层VTEC闭环测试系统及方法

技术领域

本发明属于GPS卫星导航处理领域，具体涉及一种基于GNSS的电离层VTEC闭环测试系统及方法。

背景技术

由于电离层中含有大量的电离成分，对无线电信号的传播影响显著，并会折射无线电信号和造成无线信号的能量损失。对于短波信号，电离层会对其产生反射作用，这也常常被应用在超远距离的无线电通信上。但对于如通信卫星、导航卫星等发出的信号，其频率较高，会直接穿透电离层，并受到电离层不规则体的影响，造成信号的幅度、相位、时延等有时发生快速的抖动，电离层延迟也是接收机定位最大的误差源之一。

电离层是空间环境中一个极其复杂多变的媒介,也是全球导航卫星系统(GNSS)应用于民航领域中一个最大的误差源。当电离层中由于电子密度不均匀发生强闪烁时,可能会导致穿越其中的GNSS信号深衰落,甚至造成GNSS接收机载波跟踪环路失锁及信道丢失。由于强闪烁可能会严重降低GNSS航空可用性,所以对其特性研究就显得十分重要。只有得到精确地电离层延迟模型,精确的分析出电离层的总电子含量,才能确保GNSS信号在航空领域中安全可靠的使用。电离层的变化与地球地磁场以及太阳活动息息相关。特别是近些年来，人们越来越多的通过对电离层的观测和分析来开展对太阳黑子活动的研究。与此同时，地震与电离层的关系也受到了越来越多的关注，通过研究电离层来研究地震也逐渐成为地震研究领域的一个热点。但是这些其他电离层分支研究都是以知晓电离层各点VTEC为前提，因此精准的获得电离层各点的VTEC尤为重要。因此研究完整的电离层VTEC闭环测试系统已成为大势所趋。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于GNSS的电离层VTEC闭环测试系统及方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于GNSS的电离层VTEC闭环测试系统，该测试系统包括BDS/GPS卫星信号模拟器、BDS/GPS双模TEC测试接收机和电离层VTEC测试上位机软件；

所述BDS/GPS卫星信号模拟器用于产生卫星下行导航信号，还用于加载对流层模型、电离层模型，并实现卫星信号经过对流层延时、电离层延时的实时模拟；

所述BDS/GPS双模TEC测试接收机，用于接收所述卫星信号并生成电离层延迟改正模型；

所述电离层VTEC测试上位机软件根据所述电离层延迟改正模型得到跟踪环路的原始观测量和接收机的定位解算信息；所述电离层VTEC测试上位机软件还用于获取接收机与卫星的硬件延迟、电离层VTEC数据、经纬度偏差以及高度偏差；所述电离层VTEC测试上位机软件还用于根据接收机与卫星的硬件延迟、电离层VTEC数据、经纬度偏差以及高度偏差判断电离层延迟改正模型的质量。

可选地，所述电离层VTEC测试上位机软件基于BP神经网络和VTEC多项式模型算法对电离层延时改正模型进行优化。

可选地，利用BP神经网络对VTEC多项式模型进行模型补偿。

可选地，所述多项式模型为：

其中，n,m为多项式的阶数，E_ik为多项式模型的系数，

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，λ₀为测区中心点的地理经度,S为电离层穿刺点的太阳时角。

可选地，所述多项式模型为：

VTEC＝TEC·cosZ'

其中，TEC为电离层总电子含量，Z'为接收机与卫星直线距离与穿刺点的夹角；

TEC＝9.52437(P₁-P₂)

其中，σ为观测噪声误差，ρ为卫星到接收机之间的距离，P₁,P₂分别是L₁和L₂载波的P码伪距观测量。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种基于GNSS的电离层VTEC闭环测试方法，该测试方法包括：

产生卫星下行导航信号；

加载对流层模型、电离层模型，并实现卫星信号经过对流层延时、电离层延时的实时模拟；

接收所述卫星信号并生成电离层延迟改正模型；

根据所述电离层延迟改正模型得到跟踪环路的原始观测量和接收机的定位解算信息；

获取接收机与卫星的硬件延迟、电离层VTEC数据、经纬度偏差以及高度偏差；

根据接收机与卫星的硬件延迟、电离层VTEC数据、经纬度偏差以及高度偏差判断电离层延迟改正模型的质量。

可选地，所述电离层VTEC测试上位机软件基于BP神经网络和VTEC多项式模型算法对电离层延时改正模型进行优化。

可选地，利用BP神经网络对VTEC多项式模型进行模型补偿。

可选地，所述多项式模型为：

其中，n,m为多项式的阶数，E_ik为多项式模型的系数，

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，λ₀为测区中心点的地理经度,S为电离层穿刺点的太阳时角。

可选地，所述多项式模型为：

VTEC＝TEC·cosZ'

其中，TEC为电离层总电子含量，Z'为接收机与卫星直线距离与穿刺点的夹角；

TEC＝9.52437(P₁-P₂)

其中，σ为观测噪声误差，ρ为卫星到接收机之间的距离，P₁,P₂分别是L₁和L₂载波的P码伪距观测量。

如上所述，本发明的一种基于GNSS的电离层VTEC闭环测试系统及方法，具有以下有益效果：

首先对所接收的模拟器信号通过的电离层延时模型进行设置，然后进行信号的跟踪和捕获，电文解调，定位解算以及准确VTEC的计算，接收机和卫星硬件延迟的计算，并把这些计算结果在上位机中进行显示。

通过对比相同的导航信号经过两种不同的电离层延迟改正模型后的定位效果，来判断某地区电离层延迟改正模型的建模质量，系统还可得到某地区精准的VTEC与硬件延迟，反过来再对延迟改正模型进行修正，使得电离层延迟改正模型更加精确；而高精度的电离层延迟改正模型也同样有利于得到该地区精度较高的电离层VTEC；为后续的电离层特性研究打下坚实的基础。

附图说明

为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。

图1为本发明一种基于GNSS的电离层VTEC闭环测试系统的原理框图；

图2为本发明一种基于GNSS的电离层VTEC闭环测试系统的工作流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，一种基于GNSS的电离层VTEC闭环测试系统，主要由BDS/GPS卫星信号模拟器、BDS/GPS双模TEC测试接收机和电离层VTEC测试上位机软件组成。该闭环测试系统提供的BDS/GPS卫星信号模拟器，

所述BDS/GPS卫星信号模拟器用于产生卫星下行导航信号，还用于加载对流层模型、电离层模型，并实现卫星信号经过对流层延时、电离层延时的实时模拟；

所述BDS/GPS双模TEC测试接收机，用于接收所述卫星信号并生成电离层延迟改正模型；

所述电离层VTEC测试上位机软件根据所述电离层延迟改正模型得到跟踪环路的原始观测量和接收机的定位解算信息；所述电离层VTEC测试上位机软件还用于获取接收机与卫星的硬件延迟、电离层VTEC数据、经纬度偏差以及高度偏差；所述电离层VTEC测试上位机软件还用于根据接收机与卫星的硬件延迟、电离层VTEC数据、经纬度偏差以及高度偏差判断电离层延迟改正模型的质量。

具体地，BDS/GPS卫星信号模拟器能模拟BDS/GPS卫星发射信号经过一定的传输路径到达接收机前端的过程，用户可以根据需要进行参数设定，模拟所需的信号环境，产生卫星下行导航信号，在BDS/GPS卫星信号模拟器加载对流层模型、电离层模型产生对应的信号数据文件，实现卫星信号经过对流层延时、电离层延时的实时模拟，该卫星信号通过射频天线发出。

在接收端用户根据需要选择BDS/GPS双模TEC测试接收机用到的电离层延迟改正模型，然后BDS/GPS双模TEC测试接收机接收卫星信号，并对信号进行处理和导航解算，并通过串口输出跟踪环路的原始观测量和接收机的定位解算信息。

电离层VTEC测试软件接收来自接收机的原始数据，并进行解码、数据预处理。同时，在电离层VTEC测试上位机软件实现了基于BP神经网络和VTEC多项式模型算法以及经纬度偏差算法，实时输出并显示电离层精准的VTEC数值结果和用户位置的经度偏差、维度偏差和高度偏差信息，可以通过在不同电离层延迟改正模型下的数据对比可以判断基于BP神经网络和VTEC多项式模型算法得到的某地区电离层延迟改正模型的建模质量，同时还能得到更加精准的该地区上空VTEC的分布情况。为接下来模型进一步的修正做准备。

如图2所示，本发明提出一种基于GNSS的电离层VTEC闭环测试方法，具体实施步骤如下：

步骤(1)用串口线将BDS/GPS卫星信号模拟器上的串口同电脑上的串口相连，打开电源。

步骤(2)然后设置GPS和BDS场景信息。打开BDS&GPS模拟器上位机界面，先设置串口，保证上位机串口与主基带板卡串口相连接，使用com1与主基带板卡连接，且波特率置为115200，打钩连接，然后点击OK即可完成设置。设置经度东经125度，北纬25度，高度50m(经度、纬度、高度信息可以根据用户需要进行选择)，东向、北向高向速度均值为0，其他设置中，电离层、对流层误差模型打钩，且仰角门限为5度。择星历文件，点击浏览，选择星历文件夹EphemerisAlmanacFiles中的eph_20150916_Sat，点击打开后，首先设置初始仿真时刻，第二步设置仿真持续时间，第三步点击add按钮进行添加场景，最后将该场景保存到ScenarioFiles文件夹即可(可设置起始仿真时刻为4时0分，仿真持续时间为7200秒)。最后生成场景命名为25_125_50_JDF_pinban_20150916_OK.snr，保存在ScenarioFiles文件中。最后点击界面上的“通道功率”图标，进入功率设置，设置通道为全开。

步骤(3)最后，BDS/GPS给整个卫星信号模拟器上电，保证与上位机串口设置连接正常，将上述所设置的25_125_50_JDF_pinban_20150916_OK.snr和25_125_50_20150916_GLONASS_OK.snr分别下发到主、副基带板卡中即可，点击启动，等待30秒左右即可启动卫星信号模拟。

步骤(4)点击“电离层延迟改正模型”选项，在此界面可以选择接收机要使用的电离层延迟改正模型，在Klobuchar电离层延迟改正模型或特定地区(例如桂林)电离层延迟改正模型中进行选择。

步骤(5)BDS/GPS双模TEC测试接收机接收所述卫星信号并生成电离层延迟改正模型，以完成GPS/BD双模多频点信号的捕获、跟踪、电文解调和定位解算。

步骤(6)接收机上位机软件通过实时的接收从串口发送过来的各种数据，根据所述电离层延迟改正模型得到跟踪环路的原始观测量和接收机的定位解算信息；所述电离层VTEC测试上位机软件还用于获取接收机与卫星的硬件延迟、电离层VTEC数据、经纬度偏差以及高度偏差。

步骤(7)重复步骤(1)～步骤(6)，设置不同的电离层延迟改正模型进行测试，从而判断基于BP神经网络和VTEC多项式模型的电离层VTEC反演算法得到的桂林地区电离层延迟改正模型的建模质量。并根据系统每次计算出的VTEC再对桂林地区电离层延迟改正模型进行优化。得到更加精确的区域电离层延迟改正模型和区域上方VTEC含量。

其中对于步骤(6)计算VTEC用到了基于BP神经网络和VTEC多项式模型算法,该模型是将看作是纬度

和太阳时角差S-S₀的函数,式中E_ik是多项式模型的系数，n,m是多项式的阶数；

代表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为电离层穿刺点的太阳时角；

由于式中VTEC带有硬件延迟，因此要再假设硬件延迟为一个带求变量，接着使用最小二乘法解方程组得到多项式系数和硬件延迟，最后利用BP神经网络对多项式函数进行模型补偿，得到最终的多项式模型。

VTEC可由下列公式求得

TEC＝9.52437(P₂-P₁)

VTEC＝9.52437(P₂-P₁)cosZ'

VTEC＝TEC·cosZ'

式中σ为观测噪声误差，TEC为电离层总电子含量，Z'为接收机与卫星直线距离与穿刺点的夹角，ρ为卫星到接收机之间的距离，P₁,P₂分别是L₁和L₂载波的P码伪距观测量。

通过对比相同的导航信号经过两种不同的电离层延迟改正模型后的定位效果，来判断某地区电离层延迟改正模型的建模质量，系统还可得到某地区精准的VTEC与硬件延迟，反过来再对延迟改正模型进行修正，使得电离层延迟改正模型更加精确；而高精度的电离层延迟改正模型也同样有利于得到该地区精度较高的电离层VTEC；为后续的电离层特性研究打下坚实的基础。

需要说明的是，由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例的内容请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

本发明还提供一种存储介质，存储计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行前述的方法。

本发明还提供一种电子终端，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述设备执行前述的方法。

所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括:能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器((RAM,Random AccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit,CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器可以是内部存储单元或外部存储设备，例如插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字卡(Secure Digital,SD)，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括内部存储单元，也包括外部存储设备。所述存储器用于存储所述计算机程序以及其他程序和数据。所述存储器还可以用于暂时地存储己经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于GNSS的电离层VTEC闭环测试系统，其特征在于，该测试系统包括BDS/GPS卫星信号模拟器、BDS/GPS双模TEC测试接收机和电离层VTEC测试上位机软件；

所述BDS/GPS卫星信号模拟器用于产生卫星下行导航信号，还用于加载对流层模型、电离层模型，并实现卫星信号经过对流层延时、电离层延时的实时模拟；

所述BDS/GPS双模TEC测试接收机，用于接收所述卫星信号并生成电离层延迟改正模型；

所述电离层VTEC测试上位机软件根据所述电离层延迟改正模型得到跟踪环路的原始观测量和接收机的定位解算信息；所述电离层VTEC测试上位机软件还用于获取接收机与卫星的硬件延迟、电离层VTEC数据、经纬度偏差以及高度偏差；所述电离层VTEC测试上位机软件还用于根据接收机与卫星的硬件延迟、电离层VTEC数据、经纬度偏差以及高度偏差判断电离层延迟改正模型的质量，具体为基于BP神经网络和VTEC多项式模型算法以及经纬度偏差算法，实时输出并显示电离层精准的VTEC数值结果和用户位置的经度偏差、维度偏差和高度偏差信息，可以通过在不同电离层延迟改正模型下的数据对比判断基于BP神经网络和VTEC多项式模型算法得到的某地区电离层延退改正模型的建模质量。

2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，利用BP神经网络对VTEC多项式模型进行模型补偿。

3.根所权利要求1或2所述的测试系统，其特征在于，所述多项式模型为：

其中，n,m为多项式的阶数，E_ik为多项式模型的系数，

为测区中心点的地理纬度，S₀为测区中心点

在测量时段中央时刻t₀时的太阳时角，λ₀为测区中心点的地理经度,S为电离层穿刺点的太阳时角。

4.根据权利要求3所述的测试系统，其特征在于，所述多项式模型为：

VTEC＝TEC·cosZ'

其中，TEC为电离层总电子含量，Z'为接收机与卫星直线距离与穿刺点的夹角；

TEC＝9.52437(P₁-P₂)

其中，σ为观测噪声误差，ρ为卫星到接收机之间的距离，P₁,P₂分别是L₁和L₂载波的P码伪距观测量。

5.一种基于GNSS的电离层VTEC闭环测试方法，其特征在于，该测试方法包括：

产生卫星下行导航信号；

加载对流层模型、电离层模型，并实现卫星信号经过对流层延时、电离层延时的实时模拟；

接收所述卫星信号并生成电离层延迟改正模型；

根据所述电离层延迟改正模型得到跟踪环路的原始观测量和接收机的定位解算信息；

获取接收机与卫星的硬件延迟、电离层VTEC数据、经纬度偏差以及高度偏差；

根据接收机与卫星的硬件延迟、电离层VTEC数据、经纬度偏差以及高度偏差判断电离层延迟改正模型的质量，具体为基于BP神经网络和VTEC多项式模型算法以及经纬度偏差算法，实时输出并显示电离层精准的VTEC数值结果和用户位置的经度偏差、维度偏差和高度偏差信息，可以通过在不同电离层延迟改正模型下的数据对比判断基于BP神经网络和VTEC多项式模型算法得到的某地区电离层延退改正模型的建模质量。

6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，利用BP神经网络对VTEC多项式模型进行模型补偿。

7.根据所权利要求5或6所述的测试方法，其特征在于，所述多项式模型为：

其中，n,m为多项式的阶数，E_ik为多项式模型的系数，

为测区中心点的地理纬度，S₀为测区中心点

在测量时段中央时刻t₀时的太阳时角，λ₀为测区中心点的地理经度,S为电离层穿刺点的太阳时角。

8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，所述多项式模型为：

VTEC＝TEC·cosZ'

其中，TEC为电离层总电子含量，Z'为接收机与卫星直线距离与穿刺点的夹角；

TEC＝9.52437(P₁-P₂)

其中，σ为观测噪声误差，ρ为卫星到接收机之间的距离，P₁,P₂分别是L₁和L₂载波的P码伪距观测量。

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