CN112925033B - 一种长波授时等效大地电导率数据的差分测算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种长波授时用等效大地电导率精确测算方法，在测量点附近同一电导率区域内设立辅助测量点，两测量点与长波授时发播台的方位角相同；在测量点和辅助测量点分别搭建电导率测量系统，实时采集长波信号时延数据；计算两测量点间的时延差值；利用Millington公式，根据时延差值计算所求位置的电导率值。本发明方法简单有效，适合工程实现，能够实现千米级高分辨率大地电导率数据的精确测量。

Description

一种长波授时等效大地电导率数据的差分测算方法
技术领域
本发明涉及一种大地电导率的测算方法。
背景技术
长波授时是一种广域无线电陆基授时方式，在GNSS系统出现之前，长波授时系 统是我国最高精度的授时技术手段。长波授时系统采用了发播控制系统的时间基准在 地面，同时采用了大功率发射系统，相较于GNSS系统，长波系统具有系统稳定性好、 信号抗干扰能力强的特点，这正好弥补了GNSS系统的不足。进行现代化改造后的长 波系统授时精度可以从1微秒提升到100纳秒，与GNSS授时精度基本相当，作为GNSS 授时的备份冗余手段，可以极大提升系统的可用性和可靠性。
长波授时精度取决于多个因素，其中重要的一个影响因素是大地电导率取值问题。 达到百纳秒级的授时精度需要用户使用高分辨率的精确区域大地电导率数据，高分辨率电导率数据的获得需要精确的电导率测算。目前测量某地的大地电导率值的方法是： 首先测量长波信号由发波台到测量点间的传播时延。长波信号传播时延可以看成传播 距离d和电导率σ的函数t(d,σ)，根据时延计算公式对测量结果进行反演计算可以获 得电导率值σ。受地形条件的影响，长波信号传播路径上的大地电导率不是固定不变 的，信号从发射点到接收点经过的路径上，会经过多种不同地质地形区域，不同区域 间的大地电导率会有显著变化。因此，在电导率解算时，一般需要对复杂变化的传播 路径按照地形地质变化分段，将传播路径分成多个光滑均匀的路径段，在每一段上取 一个固定的大地电导率值。
如图1所示，一条传播路径上分成多个不同路径段di，则每个路径段有相应的电导率值σi。各路径段的传播时延t(di,σi)之和就是总的路径传播时延。计算电导率时， 先在接收点测量得到总的路径传播时延，然后根据电导率地图中的σ值范围为各个路 径段设置一个σi的初值，再根据积分方程计算整条路径的理论时延Tc。通过调整各段 σi值，使的Tc与实际测量的时延值Tm一致，此时得到的σi，就是各路径段上所求的 电导率值。
采用该方法反演得到的大地电导率精度受几个条件制约。一是传播路径分段精度。 需要根据传播路径上的地形地质情况进行精确划分；二是大地电导率地图分辨率，精确的路径分段需要相应高分辨率的电导率地图与之匹配，提供各个路径段的σi；三是 解算信号接收点的电导率，需要将整条路径各个段的电导率统一反演处理。
我国地形条件极为复杂，几百上千公里的地波传播路径上的精确变化情况难以掌握，精确分段只存在理论可能。现有大地电导率地图为三十多年前绘制，分辨率极低， 电导率取值只根据平原、高原、山脉等大的地形分布进行了粗略的划分，电导率取值 范围粗略。依据该地图数据进行路径分段和电导率初值设定，无法实现到对一条信号 传播路径上的精细划分，反演计算复杂且得到的电导率值精度较差，无法满足高精度 长波授时需求。统一反演整条路径各段电导率值的方式求解接收点单一区域的电导率 值，通过预设各段σi估计值进行反演，不仅算法复杂度高而且精度较低。
因此，为满足我国高精度长波授时建设需求，需要通过一种可工程实现的精确方法，解决大地电导率测量问题，实现高精度、高分辨率的大地电导率地图数据。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种长波授时用等效大地电导率精确测算方法，利用双观测站差分数据测算大地电导率，即在待测点附近设置另一个观测点， 这两个观测点面向信号发播台的方位角相同。同时，两测量点之间为单一路径条件， 即两点间的区域电导率相同，且只需分为一个路径段。通过对两个测试点测得的长波 信号传播时延值求差。得到的差值即为两测量点间的信号传播时延，该差值只与两测 试点间路径上的电导率值相关。通过公式计算就可即可得到精确的电导率值。本发明 利用双测站精确测所求位置的大地电导率值，将复杂的不规则路径下电导率求解转化 为单一平滑路径上的简单计算问题，可以实现千米级高分辨率大地电导率数据的精确 测量，避免了现有方法需要对整条信号传播路径精细分段，以及高分辨率大地电导率 地图的前提条件，克服了现有技术条件苛刻、精度低、计算复杂、应用困难的不足。 本发明方法简单、有效，适合工程实现。高分辨率的精确大地电导率数据将有效提高 长波用户定时精度，提升了长波授时系统的使用效能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
1)在测量点附近同一电导率区域内设立辅助测量点，两测量点与长波授时发播台的方位角相同；
2)在测量点和辅助测量点分别搭建电导率测量系统，实时采集长波信号时延数据；
3)计算两测量点间的时延差值；
4)利用Millington公式，根据时延差值计算所求位置的电导率值。
所述的辅助测量点与测量点的距离不超过30公里。
所述的长波信号时延数据
Figure BDA0002912762410000031
其中，PF表示一次相位因子， ω＝2πf表示角频率，根据公式求解地波衰减因子Wg；得到Wg后，再根据Millington 公式反演得出所求位置区域的电导率值。
本发明的有益效果是：利用双观测站差分测量的方法获得了所测区域单一电导率下的路径时延值，从而实现了电导率的精确计算。克服了现有方法中需要对传播路径 精确分段、配套高分辨率大地电导率地图，以及需要进行复杂演算带来的精度低、不 易工程实现的问题。只需要两个测试点一次测量就可以实现大地电导率值的精确测算。 本发明将为全国高分辨率大地电导率数字地图的绘制提供技术上的可行性支撑，有助 于系统服务的应用推广。
附图说明
图1是本发明的长波信号传播路径分段图关系图；
图2是双站观测位置关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明的实施例包括以下步骤：
步骤1.建立大地电导率观测站U1。准备好长波接收机、高精度GNSS授时接收 机、时间间隔计数器、工控机，搭建大地电导率测量系统。长波接收机和GNSS接收 机天线放置于坐标已知的观测点上，并计算得到该点与长波发播台之间的方位角θ。
步骤2.在观测站U1附近寻找并建立大地电导率观测站U2，观测站U2相对于长 波发播台的方位角也为θ，观测站U2与观测站U1的距离在30公里范围内。
步骤3.两个观测点计数器同时测量长波接收机输出的1PPS与GNSS接收机输出 的1PPS之差，得到该测试点长波信号传播时延，并将结果发送给工控机。工控机连 续记录长波信号时延，计算30分钟的时差数据平均值作为本观测站的基准时延测量值 T1、T2。
步骤4.计算T1、T2的差值ΔT，ΔT为长波信号两测站之间的传播路径时延。
步骤5.由长波信号时延计算公式
Figure BDA0002912762410000041
求解Wg。
其中：
PF表示一次相位因子，
Wg表示为地波衰减因子，
ω＝2πf表示角频率。
步骤6.得到Wg后，再根据Millington公式反演得出所求位置区域的σ值。
从上述实施步骤可知，本发明描述了利用双观测站差分计算大地电导率观测站所在区域大地电导率值的方法。其过程包括了观测站的选址，长波信号传播时延的测量， 以及大地电导率求解三部分内容。
由以上实施例可以看出，本发明的主要特点是利用在单一路径条件下局部区域内各点大地电导率值相同的特点，通过双测站差分测量方法，将复杂路径下的大地电导 率估算的方式，转化为对两观测点间的单一电导率值的精确计算。本发明所提方法需 要配置两套长波信号电导率测量系统。高精度的大地电导率数据是我国大科学工程高 精度地基授时系统运行的重要支撑，其测量设备和条件有充分的支持和保障。本发明 对长波授时用户来说，只需要使用两套电导率测量系统，不需要了解整条信号传播路 径的地形特征，也不用高分辨率的电导率地图数据。计算时根据标准的长波时延计算 公式即可求得电导率值，方法简单有效。有较好的发展前途和应用前景。

Claims (2)

1.一种长波授时用等效大地电导率精确测算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在测量点附近同一电导率区域内设立辅助测量点，两测量点与长波授时发播台的方位角相同；
2)在测量点和辅助测量点分别搭建电导率测量系统，实时采集长波信号时延数据；
所述的长波信号时延数据
Figure FDA0003828384010000011
其中，PF表示一次相位因子，ω＝2πf表示角频率，根据公式求解地波衰减因子Wg；得到Wg后，再根据Millington公式反演得出所求位置区域的电导率值；
3)计算两测量点间的时延差值；
4)利用Millington公式，根据时延差值计算所求位置的电导率值。
2.根据权利要求1所述的长波授时用等效大地电导率精确测算方法，其特征在于，所述的辅助测量点与测量点的距离不超过30公里。
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