CN112014863A - 基于多地面站数据的gnss功率变化时刻自动分析方法 - Google Patents

基于多地面站数据的gnss功率变化时刻自动分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于卫星导航技术领域，公开了一种基于多地面站数据的GNSS功率变化时刻自动分析方法。该方法包括：步骤1、对一个时间段Δt内的M个地面站接收GNSS系统卫星信号载噪比数据进行筛选，时段起始时刻记为t0，结束时刻记为tN，丢弃GNSS卫星俯仰角低于门限He,c的载噪比数据；步骤2、对步骤1中筛选后的数据进行分析，判断一个时间段Δt内GNSS系统卫星信号功率是否发生突变，得出GNSS系统在该时段发生功率突变的卫星信息列表。本发明可实现对卫星信号功率变化时刻的自动分析检测，检测概率高，虚警概率低，可用于实时和事后数据分析处理，能够高效可靠地检测卫星信号功率突变，本发明的分析结果可为GNSS增强区域可用性分析提供依据。

Description

基于多地面站数据的GNSS功率变化时刻自动分析方法
技术领域
本发明属于卫星导航技术领域，尤其涉及基于多地面站数据的GNSS功率变化时刻自动分析方法。
背景技术
精确实时的导航信息是高技术条件下各种作战平台的必要元素和武器发挥作战效能的基础，制导航权成为信息化战争中兵力投送、作战行动实施的先决条件，其直接影响精确制导武器作战效能的发挥，为争夺制导航权，拥有独立全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite System，缩写为GNSS)的大国或同盟可对目标区域实施卫星功率增强操作，以整体提升己方卫星导航信号抗干扰能力，从而在军事行动中获取导航定位能力优势。
北京时间2020年2月14日8时起，GNSS地面观测站(简称“地面站”)观测数据显示，GPS部分卫星L2频点P码信号功率显著增强。共有19颗卫星存在信号功率增强现象(见表1)，每颗卫星在各自特定时段功率增强，并在其余时段恢复正常。通过计算机绘制载噪比曲线，人工观察方法分析得出功率跳变时刻，从而确定卫星功率增强时段，进而对处于功率增强状态的卫星进行可用性分析，可概略评估GPS功率增强区域和增强效果。
然而，通过人工进行数据分析效率低、实时性差，数据分析质量难以保证，不能同时处理多个地面观测站数据，出现差错后检错困难，容易导致数据分析时效性差和分析结果不全面等问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于多地面站数据的GNSS功率变化时刻自动分析方法，该方法基于多个地面站实时或事后观测数据，通过计算机软件自动分析得出导航卫星信号功率突变时刻。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于多地面站数据的GNSS功率变化时刻自动分析方法，该方法包括如下步骤：
步骤1、对一个时间段Δt内的M个地面站接收GNSS系统卫星信号载噪比数据进行筛选，时段起始时刻记为t0，结束时刻记为tN，丢弃GNSS卫星俯仰角低于门限He,c的载噪比数据；
步骤2、对步骤1中筛选后的数据进行分析，判断一个时间段Δt内GNSS 系统卫星信号功率是否发生突变，得出GNSS系统在该时段发生功率突变的卫星信息列表。
进一步的，所述步骤1进一步包括：
1.1选取地面站J，1≤J≤M，根据GNSS卫星历书，计算ti时刻卫星s在地心地固坐标系中的空间直角坐标，记为Ps＝[xs,ys,zs]T，t0≤ti≤tN；
1.2计算ti时刻卫星相对于地面站J的仰角E；
1.3如果仰角E低于门限He,c,则丢弃当前时刻该地面站对该卫星的载噪比观测数据；
1.4选取下一颗卫星，重复执行步骤1.1～1.3，直至遍历全部卫星；
1.5选取下一个地面站，重复执行步骤1.1～1.4，直至遍历全部M个地面站，即遍历J＝1,…,M。
1.6遍历t0至tN时段全部时刻，重复执行步骤1.1～1.5。
进一步的，计算ti时刻卫星相对于地面站J的仰角E的方法如下：
近似认为地球为半径为RG的球体，根据卫星s的坐标Ps＝[xs,ys,zs]T与地面站 J的坐标PJ＝[xJ,yJ,zJ]T以及地面站的经度
Figure BDA0002643508130000021
和纬度λJ，通过式(1)计算卫星s相对地面站J的仰角E：
Figure BDA0002643508130000022
其中，Δxs＝xs-xJ，Δys＝ys-yJ，Δzs＝zs-zJ。
进一步的，用于数据筛选的俯仰角门限He,c设置范围为10°～20°。
进一步的，所述步骤2进一步包括：
2.1重新选取地面站J，1≤J≤M，对地面站J在tk时刻接收到卫星s的载噪比数据执行窗口平均和差分运算，得到tk时刻的载噪比变化量ΔCNRk， tk＝t0,...,tN-1；
2.2判断地面站J是否观测到卫星s信号功率发生跳变；
若差值ΔCNRk大于载噪比跳变门限HCNR,则认为地面站J在tk时刻观测到该卫星信号功率突然增强，若ΔCNRk<-HCNR，则认为地面站J在tk时刻观测到该卫星信号功率突然降低；
2.3选取下一个地面站，重复执行步骤2.1～步骤2.2，直至遍历全部M个地面站，即遍历J＝1,…,M，统计观测到该卫星功率增强和减弱的地面站数量；
2.4综合多个地面站判断tk时刻卫星s信号功率是否进行了调整；
若tk时刻观测到卫星s信号功率突然增强的地面站数量大于门限N0，则判定卫星s在tk时刻突然功率增强；若tk时刻观测到卫星s功率突然降低的地面站数量大于门限N0，则判定卫星s信号在tk时刻突然功率减弱；否则，卫星s信号在该时刻未发生功率突变；
2.5遍历所述GNSS系统所有导航卫星，重复执行步骤2.1至步骤2.4，得出 tk时刻全部导航卫星的信号功率是否发生突变。
2.6遍历t0至tN-1时段全部时刻，重复执行步骤2.1至步骤2.5，得出所述GNSS 系统在该时段发生功率突变的卫星信息列表，其中卫星信息表内容包含卫星 PRN编号、突变类型和突变发生时刻，所述突变类型分为增强和减弱。
进一步的，所述步骤2.1进一步包括：
设置窗口时间ΔT，对于当前时刻tk，计算tk至tk+ΔT时段内地面站J接收卫星s的载噪比均值
Figure BDA0002643508130000031
以及tk-1-ΔT至tk-1时段载噪比均值
Figure BDA0002643508130000032
两个均值作差，得到tk时刻的载噪比变化量ΔCNRk，
Figure BDA0002643508130000033
进一步的，用于对载噪比数据求平均的窗口时长ΔT设置范围为5s～300s。
进一步的，所述步骤2.2中，载噪比跳变门限HCNR设置范围为3dB～6dB。
进一步的，所述步骤2.3中，同一时刻观测到同一颗卫星功率变化的地面站数量门限N0设置范围为2个～10个。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供的基于多地面站数据的GNSS功率变化时刻自动分析方法，首先通过筛选去除俯仰角较低时的载噪比数据，然后采用窗口平均的方法减小噪声影响，最后使用多地面站联合检测的方法降低虚警概率，由于采用了以上方法，可实现对卫星功率变化时刻的自动分析检测，检测概率高，虚警概率低，可用于实时和事后数据分析处理，能够高效可靠地检测卫星功率变化，本发明的分析结果可为GNSS增强区域可用性分析提供依据。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为根据网络公开国际GNSS服务(简称IGS)事后数据绘制的GPS卫星载噪比变化图，经过人工判读，AIRA站观测到GPS03卫星信号功率于13:13:30发生突然增强。
表1为使用本发明方法，对UTC时间2月16日的IGS事后数据进行自动分析，得出的GPS卫星功率突变时刻表，其中GPS03卫星信号功率增强时刻为13:13:30 (已做字体加粗和填充标黄)，与图2的人工判读结果一致。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1给出了本发明提供的一种基于多地面站数据的GNSS功率变化时刻自动分析方法的流程，包括如下步骤：
步骤1、对地面站接收卫星信号载噪比数据进行筛选，丢弃卫星俯仰角低于门限He,c的载噪比数据；
注1：分析对象是一个时段内的M个地面站对GNSS卫星的观测载噪比数据，时段起始时刻记为t0，结束时刻记为tN，时间间隔为Δt,用ti表示该时段内的一个时刻。
注2：用J表示一个地面站编号，1≤J≤M，经过分析得出导航卫星信号功率增强开启和关闭的时刻。
注3：GNSS每颗导航卫星有唯一的PRN编号，有待实施功率增强的导航卫星编号集合记为S，单颗导航卫星编号记为s，s∈S。
具体为：
1.1选取地面站J，1≤J≤M，根据GNSS卫星历书(来自网络公布或卫星导航接收机接收后解析得到的导航电文)，计算ti时刻(t0≤ti≤tN)卫星s在地心地固坐标系中的空间直角坐标，记为Ps＝[xs,ys,zs]T。
注4：目前各GNSS系统采用的地心地固坐标系有所区别，GPS的坐标参考系是世界大地系1984(简称WGS84)，北斗系统的坐标参考系是2000中国大地坐标系(简称CGCS2000)，GLONASS的坐标参考系是1990年地球参数系统(简称PZ-90)，GALILEO系统的坐标参考系是GALILEO地球参考系(简称GTRF)。
1.2计算ti时刻卫星相对于地面站J的仰角。
近似认为地球为半径为RG的球体，根据卫星s的坐标Ps＝[xs,ys,zs]T与地面站 J的坐标PJ＝[xJ,yJ,zJ]T以及地面站的经度
Figure BDA0002643508130000051
和纬度λJ,通过式(1)计算卫星s相对地面站J的仰角E。
Figure BDA0002643508130000052
其中，Δxs＝xs-xJ，Δys＝ys-yJ，Δzs＝zs-zJ。
1.3如果仰角E低于门限He,c,则丢弃当前时刻该地面站对该卫星的载噪比观测数据。
用于数据筛选的俯仰角门限He,c设置范围为10°～20°。
1.4选取下一颗卫星，重复执行步骤1.1～1.3，直至遍历全部卫星。
1.5选取下一个地面站，重复执行步骤1.1～1.4，直至遍历全部M个地面站，即遍历J＝1,…,M。
1.6遍历t0至tN时段全部时刻，重复执行步骤1.1～1.5。
步骤2、对筛选后的数据进行分析，得出卫星信号功率变化时刻表。
具体为：
2.1重新选取地面站J，1≤J≤M，对地面站J在tk时刻接收到卫星s(s是卫星PRN号,每颗卫星对应唯一的PRN号)的载噪比数据执行窗口平均和差分运算J。
对筛选后的载噪比数据，采用窗口平均的方法减小噪声影响，设置窗口时间ΔT，对于当前时刻tk，计算tk至tk+ΔT时段内地面站J接收卫星s的载噪比均值
Figure BDA0002643508130000061
以及tk-1-ΔT至tk-1时段载噪比均值
Figure BDA0002643508130000062
两个均值作差，得到tk时刻的载噪比变化量ΔCNRk。
Figure BDA0002643508130000063
用于对载噪比数据求平均的窗口时长ΔT设置范围为5s～300s。
2.2判断地面站J是否观测到卫星s信号功率发生跳变。
若差值ΔCNRk大于载噪比跳变门限HCNR,则认为地面站J在tk时刻观测到该卫星信号功率突然增强，若ΔCNRk<-HCNR，则认为地面站J在tk时刻观测到该卫星信号功率突然降低。
载噪比跳变门限HCNR设置范围为3dB～6dB。
2.3选取下一个地面站，重复执行步骤2.1～步骤2.2，直至遍历全部M个地面站，即遍历J＝1,…,M，，统计观测到该卫星功率增强和减弱的地面站数量。
2.4综合多个地面站判断tk时刻卫星s信号功率是否进行了调整。
若tk时刻观测到卫星s信号功率突然增强的地面站数量大于门限N0，则判定卫星s在tk时刻突然功率增强；若tk时刻观测到卫星s功率突然降低的地面站数量大于门限N0，则判定卫星s信号在tk时刻突然功率减弱；否则，卫星s信号在该时刻未发生功率突变。
同一时刻观测到同一颗卫星信号功率变化的地面站数量门限N0设置范围为2个～10个。
2.5遍历所述GNSS系统各颗导航卫星，重复执行步骤2.1至步骤2.4，得出 tk时刻全部导航卫星信号功率是否发生突变。
2.6遍历t0至tN-1时段全部时刻，tk＝t0,...,tN-1，重复执行步骤2.1至步骤2.5，得出所述GNSS系统在该时段发生信号功率突变的卫星信息列表，其中包含卫星PRN编号、突变类型(增强或减弱)和突变发生时刻。
图2为根据网络公开国际GNSS服务(简称IGS)事后数据绘制的GPS卫星载噪比变化图，经过人工判读，AIRA站观测到GPS03卫星信号功率于13:13:30发生突然增强。
表1为使用本发明方法，对UTC时间2月16日的IGS事后数据进行自动分析，得出的GPS卫星功率突变时刻表，其中GPS03卫星信号功率增强时刻为13:13:30 (已做字体加粗和填充标黄)，与图2的人工判读结果一致。
表1 GPS卫星功率突变时刻表(UTC时间2月16日)
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure DEST_PATH_IMAGE002
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于多地面站数据的GNSS功率变化时刻自动分析方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1、对一个时间段Δt内的M个地面站接收GNSS系统卫星信号载噪比数据进行筛选，时段起始时刻记为t0，结束时刻记为tN，丢弃GNSS卫星俯仰角低于门限He,c的载噪比数据；
步骤2、对步骤1中筛选后的数据进行分析，判断一个时间段Δt内GNSS系统卫星信号功率是否发生突变，得出GNSS系统在该时段发生信号功率突变的卫星信息列表。
2.如权利要求1所述的一种基于多地面站数据的GNSS功率变化时刻自动分析方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括：
1.1选取地面站J，1≤J≤M，根据GNSS卫星历书，计算ti时刻卫星s在地心地固坐标系中的空间直角坐标，记为Ps＝[xs,ys,zs]T，t0≤ti≤tN；
1.2计算ti时刻卫星s相对于地面站J的仰角E；
1.3如果仰角E低于门限He,c,则丢弃当前时刻该地面站对该卫星的载噪比观测数据；
1.4选取下一颗卫星，重复执行步骤1.1～1.3，直至遍历全部卫星；
1.5选取下一个地面站，重复执行步骤1.1～1.4，直至遍历全部M个地面站，即遍历J＝1,…,M。
1.6遍历t0至tN时段全部时刻，重复执行步骤1.1～1.5。
3.如权利要求2所述的一种基于多地面站数据的GNSS功率变化时刻自动分析方法，其特征在于，计算ti时刻卫星相对于地面站J的仰角E的方法如下：
近似认为地球为半径为RG的球体，根据卫星s的坐标Ps＝[xs,ys,zs]T与地面站J的坐标Pj＝[xJ,yJ,zJ]T以及地面站的经度
Figure FDA0002643508120000011
和纬度λJ，通过式(1)计算卫星s相对地面站J的仰角E：
Figure FDA0002643508120000012
其中，Δxs＝xs-xJ，Δys＝ys-yJ，Δzs＝zs-zJ。
4.如权利要求3所述的一种基于多地面站数据的GNSS功率变化时刻自动分析方法，其特征在于，用于数据筛选的俯仰角门限He,c设置范围为10°～20°。
5.如权利要求4所述的一种基于多地面站数据的GNSS功率变化时刻自动分析方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：
2.1重新选取地面站J，1≤J≤M，对地面站J在tk时刻接收到卫星s的载噪比数据执行窗口平均和差分运算，得到tk时刻的载噪比变化量ΔCNRk，tk＝t0,...,tN-1；
2.2判断地面站J是否观测到卫星s信号功率发生跳变；
若差值ΔCNRk大于载噪比跳变门限HCNR,则认为地面站J在tk时刻观测到该卫星信号功率突然增强，若ΔCNRk<-HCNR，则认为地面站J在tk时刻观测到该卫星信号功率突然降低；
2.3选取下一个地面站，重复执行步骤2.1～步骤2.2，直至遍历全部M个地面站，即遍历J＝1,…,M，统计观测到该卫星功率增强和减弱的地面站数量；
2.4综合多个地面站判断tk时刻卫星s信号功率是否进行了调整；
若tk时刻观测到卫星s信号功率突然增强的地面站数量大于门限N0，则判定卫星s在tk时刻突然功率增强；若tk时刻观测到卫星s功率突然降低的地面站数量大于门限N0，则判定卫星s在tk时刻突然功率减弱；否则，该卫星在该时刻未发生功率突变；
2.5遍历所述GNSS系统所有待实施功率增强的导航卫星，重复执行步骤2.1至步骤2.4，得出tk时刻全部导航卫星的信号功率是否发生突变；
2.6遍历t0至tN-1时段全部时刻，重复执行步骤2.1至步骤2.5，得出所述GNSS系统在该时段发生功率突变的卫星信息列表，其中卫星信息表内容包含卫星PRN编号、突变类型和突变发生时刻，所述突变类型分为增强或减弱。
6.如权利要求5所述的一种基于多地面站数据的GNSS功率变化时刻自动分析方法，其特征在于，所述步骤2.1进一步包括：
设置窗口时间ΔT，对于当前时刻tk，计算tk至tk+ΔT时段内地面站J接收卫星s的载噪比均值
Figure FDA0002643508120000031
以及tk-1-ΔT至tk-1时段载噪比均值
Figure FDA0002643508120000032
两个均值作差，得到tk时刻的载噪比变化量ΔCNRk，
Figure FDA0002643508120000033
7.如权利要求6所述的一种基于多地面站数据的GNSS功率变化时刻自动分析方法，其特征在于，用于对载噪比数据求平均的窗口时长ΔT设置范围为5s～300s。
8.如权利要求7所述的一种基于多地面站数据的GNSS功率变化时刻自动分析方法，其特征在于，所述步骤2.2中，载噪比跳变门限HCNR设置范围为3dB～6dB。
9.如权利要求8所述的一种基于多地面站数据的GNSS功率变化时刻自动分析方法，其特征在于，所述步骤2.3中，同一时刻观测到同一颗卫星功率变化的地面站数量门限N0设置范围为2个～10个。
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