CN112781593A - 陆基长波导航/授时系统asf预测数据库快速建库方法 - Google Patents

陆基长波导航/授时系统asf预测数据库快速建库方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种陆基长波导航/授时系统ASF预测数据库快速建库方法。首先将区域网格化：针对某发射台站，确定发射台站经纬度信息，并以其为中心，以q角度为间隔形成辐射路径。按照步长Dd等分各路径，获取各等分点的经纬度信息；然后获取路径参数信息：通过长波地理信息系统，基于各等分点的经纬度信息，获取路径参数信息，包括高程h、大地电导率s、相对介电常数er，形成路径参数数据库；最后根据获得的数据，并行计算各点的ASF。本发明基于GPU平台，利用积分方法的迭代过程实现了快速计算发射台站周围ASF修正值，大大缩短了计算时间。

Description

陆基长波导航/授时系统ASF预测数据库快速建库方法
技术领域
本发明属于陆基长波导航/授时技术领域，具体涉及一种陆基长波导航/授时系统ASF预测数据库快速建库方法。
背景技术
以罗兰C系统、e罗兰系统、长河二号系统等为代表的陆基长波导航/授时系统，具有覆盖范围大、全天候、抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好等突出优点，是现代PNT体系的重要组成部分。然而，陆基长波导航/授时系统的精度受到诸多因素的影响，其中，影响最大的是附加二次相位因子(Additional Secondary phase Factor，ASF)的修正精度，它可能使系统定位误差达到几海里甚至更大。
通常采用理论预测或实测的方法获取不同位置的ASF修正数据，并制备成以地理网格形式分布的ASF数据库，加载于陆基长波导航/授时接收机中。然而，对于陆基长波导航/授时台所覆盖的广大区域而言，目前并未构建完成高精度的ASF修正数据库，仅在局部区域进行了ASF修正方法的验证。快速制备大面积高精度的ASF修正数据库，尤其是随传播路径环境变化，实现ASF修正数据的快速更新，是该领域的迫切需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种陆基长波导航/授时系统ASF预测数据库快速建库方法，实现在较短时间内完成陆基长波导航/授时发射台站周围ASF修正值的计算或更新。
本发明所采用的技术方案是，陆基长波导航/授时系统ASF预测数据库快速建库方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、区域网格化，针对某发射台站，确定发射台站经纬度信息，并以发射台为中心，以θ角度为间隔形成辐射路径，以正北方向为起始方向，顺时针划分角度间隔，按照步长Δd等分各路径，称所有路径上的等分点为区域的网格点，获取各网格点的经纬度信息；
步骤2、获取网格点地理信息，通过长波地理信息系统，基于各网格点的经纬度信息，获取路径参数信息，包括高程h、大地电导率σ、相对介电常数εr，形成路径参数数据库；
步骤3、计算附加二次相位因子ASF，根据步骤2获得的数据，通过积分方法的迭代过程，并行计算出各网格点的附加二次相位因子ASF，并将各网格点的附加二次相位因子ASF按路径存入文件中，一条路径的附加二次相位因子ASF存于一个.dat文件，文件以“发射台名+路径与正北方向的夹角θ”命名，最终得到发射台附近区域的ASF预测数据库。
本发明的特点还在于，
步骤1中θ大于0度，小于1度。
步骤1中步长Δd小于200m。
步骤3具体如下：
步骤3.1、从所述步骤2得到的路径参数数据库中读入各网格点的地理信息存入二维数组中，对高程h进行小波滤波处理，将参数数组从CPU内存复制到GPU内存，以便后续在GPU中并行计算；
步骤3.2、利用积分方法的迭代过程并行计算各点的衰减因子Wg，并存入衰减因子数组中；
步骤3.3、将在GPU计算得到的衰减因子数组复制回CPU中，地波衰减因子的相位又称为二次时延，可得到时延tw；
步骤3.4、利用积分方法计算得到一条海水路径下的衰减因子，海水路径下衰减因子的相位即为二次相位因子SF；
步骤3.5、根据附加二次相位因子ASF＝tw-SF得到各网格点的ASF值。
步骤3.2具体如下：
以发射台为中心，半径2km的区域内看作均匀平地面，采用平地面公式(1)～(7)并行计算每条路径上前
Figure BDA0002876673200000031
个点的衰减因子Wg，Δd为步长，
Figure BDA0002876673200000032
Figure BDA0002876673200000033
Figure BDA0002876673200000034
其中
Figure BDA0002876673200000035
Figure BDA0002876673200000041
Figure BDA0002876673200000042
Figure BDA0002876673200000043
式中，Ez为接受点P(ρ,Φ,z)处z方向的场强，Eb为发射源和接收点P都位于理想导电平面时P点的场强，ω为地波的角频率，μ0为真空磁导率，Idl为垂直电偶极子大小，垂直电偶极子即为发射源，i为虚数单位，k0为空气的波数，kg为地面的波数，z、ρ分别为接收点P在柱坐标系下z方向、ρ方向的坐标值，h为垂直电偶极子Idl的离地高度，pr为发射源与接收点P之间的大圆距离；
从第
Figure BDA0002876673200000044
个点开始，根据各点的地理信息以及计算得到的地面的衰减因子Wg，利用积分法公式(8)～(10)并行计算出所有路径第
Figure BDA0002876673200000045
个点的地面的衰减因子Wg，按照此步骤，依次迭代计算出路径上剩余各点的地面的衰减因子Wg：
Figure BDA0002876673200000046
式中，fg是接收点处的地波衰减函数，dp为接收点与发射点的大圆距离，r0表示从发射点到接收点的直线距离，
Figure BDA0002876673200000047
式中，r1表示从源点到地面上积分动点Q之间的直线距离，r2表示从Q点到接收点P的距离，k0为空气的波数，fg(Q)为动点Q处的衰减函数，
Figure BDA0002876673200000051
表示r2在表面上的法向导数，在地面接收时，A＝1,高空接收时A＝0.5，L、D分别表示动点Q和接收点P在x轴上投影至发射点的距离，Δg是地面的归一化表面阻抗：
Figure BDA0002876673200000052
式中，εr为地面的相对介电常数，i为虚数单位，λ为波长，σ为大地电导率。
步骤3.4中，利用积分方法计算衰减因子时，令电导率为5S/m，介电常数为81，高程为0。
本发明的有益效果是，一种陆基长波导航/授时系统ASF预测数据库快速建库方法，采用CPU+GPU异构模式，利用积分方法的迭代过程，通过并行计算快速得到多个位置点的ASF预测结果，从而实现在较短时间内计算完成发射台站周围的ASF修正值。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是本发明实施中区域网格化的示意图；
图3是本发明的程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
陆基长波导航/授时系统ASF预测数据库快速建库方法，流程图如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1、区域网格化，针对某发射台站，确定发射台站经纬度信息，并以发射台为中心，以θ角度为间隔形成辐射路径，以正北方向为起始方向，顺时针划分角度间隔，按照步长Δd等分各路径，称所有路径上的等分点为区域的网格点，获取各网格点的经纬度信息；
步骤2、获取网格点地理信息，通过长波地理信息系统(该系统集成了中国高程数据SRTM90文件、中国大地电导率电子地图、介电常数与电导率对应表，给出点的经纬度，系统可查询高程数据SRTM90文件得到点的高程，查询大地电导率电子地图得到该点的电导率，根据电导率查询介电常数与电导率的对应表得出介电常数)，基于各网格点的经纬度信息，获取路径参数信息，包括高程h、大地电导率σ、相对介电常数εr，形成路径参数数据库；
步骤3、计算附加二次相位因子ASF(Additional Secondary phase Factor)，根据步骤2获得的数据，通过积分方法的迭代过程，并行计算出各网格点的附加二次相位因子ASF，并将各网格点的附加二次相位因子ASF按路径存入文件中，一条路径的附加二次相位因子ASF存于一个.dat文件，文件以“发射台名+路径与正北方向的夹角θ”命名(例如：“蒲城A＝100.1”)，最终得到发射台附近区域的ASF预测数据库。
步骤1中θ大于0度，小于1度。
步骤1中步长Δd小于200m。
步骤3具体如下：
步骤3.1、从所述步骤2得到的路径参数数据库中读入各网格点的地理信息存入二维数组中，对高程h进行小波滤波处理，将参数数组从CPU内存复制到GPU内存，以便后续在GPU中并行计算；
步骤3.2、利用积分方法的迭代过程并行计算各点的衰减因子Wg，并存入衰减因子数组中；
步骤3.3、将在GPU计算得到的衰减因子数组复制回CPU中，地波衰减因子的相位又称为二次时延，可得到时延tw；
步骤3.4、利用积分方法计算得到一条海水路径下的衰减因子，海水路径下衰减因子的相位即为二次相位因子SF(Secondary phase Factor)；
步骤3.5、根据附加二次相位因子ASF＝tw-SF得到各网格点的ASF值。
步骤3.2具体如下：
以发射台为中心，半径2km的区域内看作均匀平地面，采用平地面公式(1)～(7)并行计算每条路径上前
Figure BDA0002876673200000071
个点的衰减因子Wg，Δd为步长，
Figure BDA0002876673200000072
Figure BDA0002876673200000073
Figure BDA0002876673200000074
其中
Figure BDA0002876673200000081
Figure BDA0002876673200000082
Figure BDA0002876673200000083
Figure BDA0002876673200000084
式中，Ez为接受点P(ρ,Φ,z)处z方向的场强，Eb为发射源和接收点P都位于理想导电平面时P点的场强，ω为地波的角频率，μ0为真空磁导率，Idl为垂直电偶极子大小，垂直电偶极子即为发射源，i为虚数单位，k0为空气的波数，kg为地面的波数，z、ρ分别为接收点P在柱坐标系下z方向、ρ方向的坐标值，h为垂直电偶极子Idl的离地高度，pr为发射源与接收点P之间的大圆距离；
从第
Figure BDA0002876673200000085
个点开始，根据各点的地理信息以及计算得到的地面的衰减因子Wg，利用积分法公式(8)～(10)并行计算出所有路径第
Figure BDA0002876673200000086
个点的地面的衰减因子Wg，按照此步骤，依次迭代计算出路径上剩余各点的地面的衰减因子Wg：
Figure BDA0002876673200000087
式中，fg是接收点处的地波衰减函数，dp为接收点与发射点的大圆距离，r0表示从发射点到接收点的直线距离，
Figure BDA0002876673200000091
式中，r1表示从源点到地面上积分动点Q之间的直线距离，r2表示从Q点到接收点P的距离，k0为空气的波数，fg(Q)为动点Q处的衰减函数，
Figure BDA0002876673200000092
表示r2在表面上的法向导数，在地面接收时A＝1，高空接收时A＝0.5，L、D分别表示动点Q和接收点P在x轴上投影至发射点的距离，Δg是地面的归一化表面阻抗：
Figure BDA0002876673200000093
式中，εr为地面的相对介电常数，i为虚数单位，λ为波长，σ为大地电导率。
步骤3.4中，利用积分方法计算衰减因子时，令电导率为5S/m，介电常数为81，高程为0。
实施例
以中国科学院国家授时中心的长波发波台(蒲城)作实验，快速建立以蒲城台为中心，半径为94.607km的圆形区域的ASF预测数据库，流程图如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1、区域网格化。针对蒲城发射台，经度：109°32′35″，纬度：34°56′55″，以其为中心，以0.1°为间隔形成3600条长94.607km的辐射路径，将大圆距离映射到直角坐标系下，按照步长100m等分，每条路径922个点，如图2所示。共3600×922＝3319200个网格点，通过大地主题解算获取各网格点的经纬度信息；
步骤2、获取网格点地理信息。通过长波地理信息系统，基于各等分点的经纬度信息，获取路径参数信息，包括高程h、大地电导率σ、相对介电常数εr，形成路径参数数据库；
步骤3、根据步骤2获得的数据，并行计算各点的ASF。并行计算程序流程图如图3所示。
步骤3中并行计算的流程如下：
步骤3.1、从路径参数数据库中读入各网格点的地理信息存入二维数组中，对各路径的高程h进行小波滤波处理，将参数数组从CPU拷贝到GPU；
步骤3.2、利用积分方法迭代过程并行计算各点的衰减因子Wg。
前2km可看作均匀平地面，采用平地面公式(1)～(7)可并行计算所有路径前19个点的衰减因子Wg。
Figure BDA0002876673200000101
Figure BDA0002876673200000102
Figure BDA0002876673200000103
Figure BDA0002876673200000104
Figure BDA0002876673200000105
Figure BDA0002876673200000111
Figure BDA0002876673200000112
式中k0、ε0分别为空气的波数和介电常数，kg、εr、σ分别为地面的波数、相对介电常数以及电导率。垂直电偶极子Idl位于z轴中离地高度为h处，观察点P的坐标为(ρ,Φ,z)，pr为源点与发射点之间的大圆距离。
从第20个点开始，根据点的地理信息以及路径前19个点的衰减因子Wg，利用积分法公式(8)～(10)可并行计算出所有路径上第20个点的Wg。按照此步骤，依次迭代计算出路径剩余各点的Wg。
Figure BDA0002876673200000113
式中fg为接收处的地波衰减函数。dp为接收点距发射台的大圆距离。r0表示从源点到接收点的直线距离。
Figure BDA0002876673200000114
式中r1表示从源点到地面上积分动点Q之间的直线距离，r2表示从Q点到接收点P的距离。
Figure BDA0002876673200000115
表示r2在表面上的法向导数。Δg是地面的归一化表面阻抗。
Figure BDA0002876673200000116
步骤3.3、将计算得到的衰减函数数组拷贝回CPU中，地波衰减因子的相位又称为二次时延，可得到时延tw；
步骤3.4、令电导率为5S/m，介电常数为81，高程为0，利用积分方法公式(8)～(10)，可得到一条海水路径下的衰减因子，对其计算得到时延SF；
步骤3.5、根据ASF＝tw-SF可得到各网格点的ASF值。
本发明耗时1714s即28:34min完成了蒲城台方圆94.607公里内3319200个网格点的ASF修正值的计算，耗时较短，实现了针对一个发射台站周围ASF修正数据的快速计算。
本发明实施例中实验环境如下表所示：
表1实施例中实验环境
Figure BDA0002876673200000121
本发明的实施例结果如下表所示：
表2实施例结果
Figure BDA0002876673200000122
由表2可以看出，在扩大计算区域与网格点数后，本发明方法依然能在较短时间内计算出发射台站周围ASF修正值。

Claims (6)

1.陆基长波导航/授时系统ASF预测数据库快速建库方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、区域网格化，针对某发射台站，确定发射台站经纬度信息，并以发射台为中心，以θ角度为间隔形成辐射路径，以正北方向为起始方向，顺时针划分角度间隔，按照步长Δd等分各路径，称所有路径上的等分点为区域的网格点，获取各网格点的经纬度信息；
步骤2、获取网格点地理信息，通过长波地理信息系统，基于各网格点的经纬度信息，获取路径参数信息，包括高程h、大地电导率σ、相对介电常数εr，形成路径参数数据库；
步骤3、计算附加二次相位因子ASF，根据步骤2获得的数据，通过积分方法的迭代过程，并行计算出各网格点的附加二次相位因子ASF，并将各网格点的附加二次相位因子ASF按路径存入文件中，一条路径的附加二次相位因子ASF存于一个.dat文件，文件以“发射台名+路径与正北方向的夹角θ”命名，最终得到发射台附近区域的ASF预测数据库。
2.根据权利要求1所述的陆基长波导航/授时系统ASF预测数据库快速建库方法，其特征在于，所述步骤1中θ大于0度，小于1度。
3.根据权利要求1所述的陆基长波导航/授时系统ASF预测数据库快速建库方法，其特征在于，所述步骤1中步长Δd小于200m。
4.根据权利要求1所述的陆基长波导航/授时系统ASF预测数据库快速建库方法，其特征在于，所述步骤3具体如下：
步骤3.1、从所述步骤2得到的路径参数数据库中读入各网格点的地理信息存入二维数组中，对高程h进行小波滤波处理，将参数数组从CPU内存复制到GPU内存，以便后续在GPU中并行计算；
步骤3.2、利用积分方法的迭代过程并行计算各点的衰减因子Wg，并存入衰减因子数组中；
步骤3.3、将在GPU计算得到的衰减因子数组复制回CPU中，地波衰减因子的相位又称为二次时延，可得到时延tw；
步骤3.4、利用积分方法计算得到一条海水路径下的衰减因子，海水路径下衰减因子的相位即为二次相位因子SF；
步骤3.5、根据附加二次相位因子ASF＝tw-SF得到各网格点的ASF值。
5.根据权利要求4所述的陆基长波导航/授时系统ASF预测数据库快速建库方法，其特征在于，所述步骤3.2具体如下：
以发射台为中心，半径2km的区域内看作均匀平地面，采用平地面公式(1)～(7)并行计算每条路径上前
Figure FDA0002876673190000021
个点的衰减因子Wg，Δd为步长，
Figure FDA0002876673190000022
Figure FDA0002876673190000023
Figure FDA0002876673190000024
其中
Figure FDA0002876673190000031
Figure FDA0002876673190000032
Figure FDA0002876673190000033
Figure FDA0002876673190000034
式中，Ez为接受点P(ρ，Φ，z)处z方向的场强，Eb为发射源和接收点P都位于理想导电平面时P点的场强，ω为地波的角频率，μ0为真空磁导率，Idl为垂直电偶极子大小，垂直电偶极子即为发射源，i为虚数单位，k0为空气的波数，kg为地面的波数，z、ρ分别为接收点P在柱坐标系下z方向、ρ方向的坐标值，h为垂直电偶极子Idl的离地高度，pr为发射源与接收点P之间的大圆距离；
从第
Figure FDA0002876673190000035
个点开始，根据各点的地理信息以及计算得到的地面的衰减因子Wg，利用积分法公式(8)～(10)并行计算出所有路径第
Figure FDA0002876673190000036
个点的地面的衰减因子Wg，按照此步骤，依次迭代计算出路径上剩余各点的地面的衰减因子Wg：
Figure FDA0002876673190000037
式中，fg是接收点处的地波衰减函数，dp为接收点与发射点的大圆距离，r0表示从发射点到接收点的直线距离，
Figure FDA0002876673190000041
式中，r1表示从源点到地面上积分动点Q之间的直线距离，r2表示从Q点到接收点P的距离，k0为空气的波数，fg(Q)为动点Q处的衰减函数，
Figure FDA0002876673190000042
表示r2在表面上的法向导数，在地面接收时，A＝1，高空接收时A＝0.5，L、D分别表示动点Q和接收点P在x轴上投影至发射点的距离，Δg是地面的归一化表面阻抗：
Figure FDA0002876673190000043
式中，εr为地面的相对介电常数，i为虚数单位，λ为波长，σ为大地电导率电导率。
6.根据权利要求5所述的陆基长波导航/授时系统ASF预测数据库快速建库方法，其特征在于，所述步骤3.4中，利用积分方法计算衰减因子时，令电导率为5S/m，介电常数为81，高程为0。
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