CN113253326B - 基于测地型接收机的电离层不规则体漂移速度估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于测地型接收机的电离层不规则体漂移速度估计方法，适用于监测电离层闪烁天文灾害。首先研究电离层F区中峰值电子密度变化区间，确定电离层假定高度，结合矢量三角函数，估计GNSS卫星在电离层假定高度的扫描速度；对载波相位数据经大地测量趋势分离和接收机硬件延迟改正，同步测地型接收机网络载波相位信号；估计接收机网络观测到的不规则体形态漂移速度；对GNSS卫星在电离层假定高度的扫描速度和接收机网络观测到的不规则体形态漂移速度做矢量和，获取电离层不规则体漂移速度。本方法步骤简单，大幅度降低电离层不规则体监测的成本，使用现有测站技术局，有利于对全球电离层不规则体动态变化的完备监测，具有广泛的实用性。

Description

基于测地型接收机的电离层不规则体漂移速度估计方法

技术领域

本发明适用于一种电离层不规则体漂移速度估计方法，尤其适用于监测电离层闪烁天文灾害的一种基于测地型接收机的电离层不规则体漂移速度估计方法。

技术背景

GNSS卫星信号穿过电离层不规则体会产生振幅或相位的剧烈波动，这种现象被称为电离层闪烁。电离层闪烁是赤道和极区频发的一种天文灾害，是近年来空间科学面临的一大难题，给GNSS系统位置、导航与时间服务的稳定性带来巨大挑战，例如2003年的万圣节电离层闪烁事件造成GNSS导航卫星中断服务，严重干扰了电力、银行系统以及北极航线的航行安全，造成经济损失。由此可见，电离层闪烁灾害对人类社会可持续发展构成了重大威胁，估计电离层不规则体漂移速度，监测其变化规律，对于预报电离层闪烁天文灾害、防灾减灾具有重大现实意义。

电离层不规则体处于不断运动变化中，但已有关于电离层闪烁时空变化规律研究多是在假设电离层不规则体在观测时刻是静止的基础上，统计闪烁的数值变化规律，而利用电离层不规则体的漂移速度可以建立起多个静态变化之间的运动联系，将静态的变化规律动态化，提高所构建电离层闪烁模型的精度。当前利用GNSS技术估计电离层不规则体漂移速度的方法主要为接收机阵列技术，即假设穿过同一电离层不规则体的GNSS信号所产生的闪烁作用相同，利用接收机阵列中接收到同一闪烁信号的时间差即可推断不规则体的漂移速度。早期研究主要集中在利用振幅闪烁因子或电离层总电子含量观测值研究赤道区域电离层不规则体漂移速度。在北极区域，电离层不规则体的漂移速度更快，主要使相位观测值产生闪烁，而相位观测值极容易受到周跳、钟差等误差的影响，难以给出可靠的速度估计。随着GNSS数据处理手段的不断完善，2015年，Wang和Morton首次利用载波相位观测值估计了极小范围内的电离层不规则体漂移速度。此后众多研究对该方法进行了不断完善，并利用后相干散射雷达进行了精度验证。但以上方法均基于特制的天线阵列且接收机均采用电离层闪烁监测接收机，难以应用于较大区域。目前，尚未见基于测地型接收机网络估计电离层不规则体漂移速度的相关研究。

发明内容

针对现有技术的不足之处，提供一种基于测地型接收机的电离层不规则体漂移速度估计方法，将分布广泛的低采样频率测地型接收机用于估计电离层不规则体漂移速度，解决了难以在全球范围内动态监测电离层不规则体的技术难题。

为实现上述技术目的，本发明的一种基于测地型接收机的电离层不规则体漂移速度估计方法：

a首先选择监测区域内基线长度小于3km的三个测地型接收机，通过非相干散射雷达和电离层测高仪电子密度文件获取电离层F区中峰值电子密度变化区间，确定电离层假定高度，结合矢量三角函数，估计GNSS卫星在电离层假定高度的扫描速度；

b然后通过对载波相位数据进行大地测量趋势分离、修正接收机硬件延迟，从而同步监测区域内所有测地型接收机网络载波相位信号，消除各测地型接收机间的时间延迟；

c利用时频分析法和交叉相关方法，通过信号反演估计测地型接收机网络观测到的电离层不规则体形态漂移速度估计；

d最后，将GNSS卫星在电离层假定高度的扫描速度和接收机网络观测到的不规则体形态漂移速度做矢量和，即为电离层不规则体漂移速度。

GNSS卫星在电离层假定高度的扫描速度估计获取方法为：

确定电离层假定高度：电离层假定高度为电离层F区中峰值电子密度所在高度，通过电离层薄壳模型，利用非相干散射雷达和电离层测高仪电子密度文件，获得电离层F区中峰值电子密度所在高度，并结合该高度随季节、太阳活动、地磁经纬度的变化规律，确定该高度的变化区间，进而获得电离层假定高度的平均经验值；

计算GNSS卫星的扫描速度：根据IGS精密星历提供的卫星坐标、由CSRS在线精密单点定位软件获得测站精密坐标和电离层假定高度，测站即为设置有测地型接收机的观测台站，利用电离层穿刺点公式计算出卫星在两相邻时刻的电离层穿刺点经纬度，由半正矢公式获得两个电离层穿刺点在电离层假定高度的大圆距离，结合时间差和球面三角函数可以获得卫星在电离层假定高度的扫描速度大小与方向。

测地型接收机网络载波相位信号同步方法如下：

首先进行大地测量趋势分离：采用静态精密单点定位和IGS精密星历估计站星几何距离，采用二阶简化潮汐模型估计固体潮误差，采用国际地球自转服务IERS推荐的惯用模型估计海潮、大气潮和极潮误差，采用IGS提供的相关模型估计卫星和接收机天线相位中心、卫星钟误差，采用双频无电离层组合对时间求导后再积分的方法估计接收机钟差，采用UNB3m模型估计对流层干延迟误差，采用静态精密单点定位的方法估计对流层湿延迟；结合以上各估计值和载波相位原始观测方程，利用载波相位原始观测方程对GNSS载波相位进行修正，获得大地测量趋势分离后的载波相位信号；

然后估计每个设有测地型接收机的测站上空的电离层垂直总电子含量，即VTEC，基于欧洲定轨中心提供的全球电离层地图，采用克里金差值方法，获得每一观测台站上空观测历元所在时刻的VTEC；

最后改正监测区域内全部测地型接收机硬件延迟，同步接收机间的载波相位信号；基于电离层薄层假设理论可构建如下斜路径总电子含量、VTEC和接收机硬件延迟之间的函数方程：

其中，STEC为斜路径总电子含量，r_e为地球的平均半径，h_m表示电离层假定高度，E表示卫星高度角，B表示接收机硬件延迟；STEC由载波相位平滑伪距方法获得，利用最小二乘法求解建立的函数方程，获得每个历元的接收机硬件延迟误差；结合GNSS载波相位观测方程，改正每一卫星观测值中的接收机硬件延迟，进而获得所有接收机间同步的载波相位信号。

接收机网络观测到的不规则体形态漂移速度估计：

测定同一GNSS卫星播发的信号穿过同一电离层闪烁不规则体引发的相位波动到达每相邻两个测地型接收机观测台站的时间差，结合观测台站间大地线长度，即可获得接收机网络观测到的不规则体形态漂移速度。

接收机网络观测到的不规则体形态漂移速度具体步骤为：

首先通过时频分析技术获取所有接收机同步后的载波相位信号的功率谱图，即采用基于Lomb的自适应功率谱时频分析方法APT，对载波相位信号进行时频分析，从而获得每个测站的载波相位信号的功率谱，将时间域的载波相位信号转换到时间频率域，通过过滤掉功率谱中幅值小于0.1的系数，降低噪声对电离层闪烁信号的干扰，提高在有噪声情况下对电离层闪烁频率的分辨率；

然后通过交叉相关方法获得穿过同一电离层不规则体的卫星信号到达不同测站的时间差，即利用电离层闪烁因子的幅值及阈值，确定出电离层闪烁发生时段；在发生电离层闪烁时段，计算由每两个临近观测台站获得的功率谱相关性，较高相关性对应的时间间隔作为闪烁信号到达两个测站的时间差；

最后结合两个测站间大地线长度和卫星信号到达两个测站的时间差，利用速度时间公式即可估计出电离层不规则体在这两个测站间的形态漂移速度。

矢量和方法获取电离层不规则体漂移速度具体如下：

将GNSS卫星在电离层假定高度层的扫描速度和由接收机网络观测到的不规则体形态漂移速度做矢量和，即可获得每两个相邻测站间的电离层不规则体漂移速度；采用反距离加权法，对全部的每两个相邻测站的电离层不规则体漂移速度做矢量和，获得最终的电离层不规则体漂移速度。

有益效果：

相比于现有利用电离层闪烁监测接收机开展电离层不规则体漂移速度研究，本方法引入的普通测地型接收机进行电离层不规则体漂移速度监测，大幅度降低电离层不规则体监测的成本，结合现有普通测地型接收机分布广泛的特性，有利于对全球电离层不规则体动态变化的完备监测，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明基于测地型接收机的电离层不规则体漂移速度估计方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：

如图1所示，本发明的一种基于测地型接收机的电离层不规则体漂移速度估计方法：

a由于北极区域的电离层不规则体的漂移速度通常在300m/s到3000m/s，对于1s采样频率，电离层不规则体在采样间隔内的漂移距离为300m到3km，为估计上述区域内的电离层不规则体漂移速度，选择监测区域内基线长度小于3km的三个测地型接收机，通过非相干散射雷达和电离层测高仪电子密度文件获取电离层F区中峰值电子密度变化区间，确定电离层假定高度，结合矢量三角函数，估计GNSS卫星在电离层假定高度的扫描速度；

GNSS卫星在电离层假定高度的扫描速度的估计方法为：

确定电离层假定高度：电离层假定高度为电离层F区中峰值电子密度所在高度，通过电离层薄壳模型，利用非相干散射雷达和电离层测高仪电子密度文件，获得电离层F区中峰值电子密度所在高度，并结合该高度随季节、太阳活动、地磁经纬度的变化规律，确定该高度的变化区间，进而获得电离层假定高度的平均经验值；

计算GNSS卫星的扫描速度：根据IGS精密星历提供的卫星坐标、由CSRS在线精密单点定位软件获得测站精密坐标和电离层假定高度，测站即为设置有测地型接收机的观测台站，利用电离层穿刺点公式计算出卫星在两相邻时刻的电离层穿刺点经纬度，由半正矢公式获得两个电离层穿刺点在电离层假定高度的大圆距离，结合时间差和球面三角函数可以获得卫星在电离层假定高度的扫描速度大小与方向。

b然后通过对载波相位数据进行大地测量趋势分离、修正接收机硬件延迟，从而同步监测区域内所有测地型接收机网络载波相位信号，消除各测地型接收机间的时间延迟；

所有测地型接收机网络载波相位信号的同步方法为

首先进行大地测量趋势分离：采用静态精密单点定位和IGS精密星历估计站星几何距离，采用二阶简化潮汐模型估计固体潮误差，采用国际地球自转服务IERS推荐的惯用模型估计海潮、大气潮和极潮误差，采用IGS提供的相关模型估计卫星和接收机天线相位中心、卫星钟误差，采用双频无电离层组合对时间求导后再积分的方法估计接收机钟差，采用UNB3m模型估计对流层干延迟误差，采用静态精密单点定位的方法估计对流层湿延迟；结合以上各估计值和载波相位原始观测方程，利用载波相位原始观测方程对GNSS载波相位进行修正，获得大地测量趋势分离后的载波相位信号；

然后估计每个设有测地型接收机的测站上空的电离层垂直总电子含量，即VTEC，基于欧洲定轨中心提供的全球电离层地图，采用克里金差值方法，获得每一观测台站上空观测历元所在时刻的VTEC；

最后改正监测区域内全部测地型接收机硬件延迟，同步接收机间的载波相位信号；基于电离层薄层假设理论可构建如下斜路径总电子含量、VTEC和接收机硬件延迟之间的函数方程：

其中，STEC为斜路径总电子含量，r_e为地球的平均半径，h_m表示电离层假定高度，E表示卫星高度角，B表示接收机硬件延迟；STEC由载波相位平滑伪距方法获得，利用最小二乘法求解建立的函数方程，获得每个历元的接收机硬件延迟误差；结合GNSS载波相位观测方程，改正每一卫星观测值中的接收机硬件延迟，进而获得所有接收机间同步的载波相位信号。

c利用时频分析法和交叉相关方法，通过信号反演估计测地型接收机网络观测到的电离层不规则体形态漂移速度；具体的，测定同一GNSS卫星播发的信号穿过同一电离层闪烁不规则体引发的相位波动到达每相邻两个测地型接收机观测台站的时间差，结合观测台站间大地线长度，即可获得接收机网络观测到的不规则体形态漂移速度，

接收机网络观测到的不规则体形态漂移速度具体步骤为：

首先通过时频分析技术获取所有接收机同步后的载波相位信号的功率谱图，即采用基于Lomb的自适应功率谱时频分析方法APT，对载波相位信号进行时频分析，从而获得每个测站的载波相位信号的功率谱，将时间域的载波相位信号转换到时间频率域，通过过滤掉功率谱中幅值小于0.1的系数，降低噪声对电离层闪烁信号的干扰，提高在有噪声情况下对电离层闪烁频率的分辨率；

然后通过交叉相关方法获得穿过同一电离层不规则体的卫星信号到达不同测站的时间差，即利用电离层闪烁因子的幅值及阈值，确定出电离层闪烁发生时段；在发生电离层闪烁时段，计算由每两个临近观测台站获得的功率谱相关性，较高相关性对应的时间间隔作为闪烁信号到达两个测站的时间差；

最后结合两个测站间大地线长度和卫星信号到达两个测站的时间差，利用速度时间公式即可估计出电离层不规则体在这两个测站间的形态漂移速度。

d最后，将GNSS卫星在电离层假定高度的扫描速度和接收机网络观测到的不规则体形态漂移速度做矢量和，即为电离层不规则体漂移速度。

矢量和方法获取电离层不规则体漂移速度具体为：

将GNSS卫星在电离层假定高度层的扫描速度和由接收机网络观测到的不规则体形态漂移速度做矢量和，即可获得每两个相邻测站间的电离层不规则体漂移速度；采用反距离加权法，对全部的每两个相邻测站的电离层不规则体漂移速度做矢量和，获得最终的电离层不规则体漂移速度。

Claims (5)

1.一种基于测地型接收机的电离层不规则体漂移速度估计方法，其特征在于：

a首先选择监测区域内基线长度小于3km的三个测地型接收机，通过非相干散射雷达和电离层测高仪电子密度文件获取电离层F区中峰值电子密度变化区间，确定电离层假定高度，结合矢量三角函数，估计GNSS卫星在电离层假定高度的扫描速度；

b然后通过对载波相位数据进行大地测量趋势分离、修正接收机硬件延迟，从而同步监测区域内所有测地型接收机网络载波相位信号，消除各测地型接收机间的时间延迟；

c利用时频分析法和交叉相关方法，通过信号反演估计测地型接收机网络观测到的电离层不规则体形态漂移速度；

d最后将GNSS卫星在电离层假定高度的扫描速度和接收机网络观测到的不规则体形态漂移速度做矢量和，即为电离层不规则体漂移速度；

所有测地型接收机网络载波相位信号的同步方法为：

首先进行大地测量趋势分离：采用静态精密单点定位和IGS精密星历估计站星几何距离，采用二阶简化潮汐模型估计固体潮误差，采用国际地球自转服务IERS推荐的惯用模型估计海潮、大气潮和极潮误差，采用IGS提供的相关模型估计卫星和接收机天线相位中心、卫星钟误差，采用双频无电离层组合对时间求导后再积分的方法估计接收机钟差，采用UNB3m模型估计对流层干延迟误差，采用静态精密单点定位的方法估计对流层湿延迟；结合以上各估计值和载波相位原始观测方程，利用载波相位原始观测方程对GNSS载波相位进行修正，获得大地测量趋势分离后的载波相位信号；

然后估计每个设有测地型接收机的测站上空的电离层垂直总电子含量，即VTEC，基于欧洲定轨中心提供的全球电离层地图，采用克里金差值方法，获得每一观测台站上空观测历元所在时刻的VTEC；

最后改正监测区域内全部测地型接收机硬件延迟，同步接收机间的载波相位信号；基于电离层薄层假设理论可构建如下斜路径总电子含量、VTEC和接收机硬件延迟之间的函数方程：

其中，STEC为斜路径总电子含量，r_e为地球的平均半径，h_m表示电离层假定高度，E表示卫星高度角，B表示接收机硬件延迟；STEC由载波相位平滑伪距方法获得，利用最小二乘法求解建立的函数方程，获得每个历元的接收机硬件延迟误差；结合GNSS载波相位观测方程，改正每一卫星观测值中的接收机硬件延迟，进而获得所有接收机间同步的载波相位信号。

2.根据权利要求1所述的基于测地型接收机的电离层不规则体漂移速度估计方法，其特征在于GNSS卫星在电离层假定高度的扫描速度估计方法为：

确定电离层假定高度：电离层假定高度为电离层F区中峰值电子密度所在高度，通过电离层薄壳模型，利用非相干散射雷达和电离层测高仪电子密度文件，获得电离层F区中峰值电子密度所在高度，并结合该高度随季节、太阳活动、地磁经纬度的变化规律，确定该高度的变化区间，进而获得电离层假定高度的平均经验值；

计算GNSS卫星的扫描速度：根据IGS精密星历提供的卫星坐标、由CSRS在线精密单点定位软件获得测站精密坐标和电离层假定高度，测站即为设置有测地型接收机的观测台站，利用电离层穿刺点公式计算出卫星在两相邻时刻的电离层穿刺点经纬度，由半正矢公式获得两个电离层穿刺点在电离层假定高度的大圆距离，结合时间差和球面三角函数可以获得卫星在电离层假定高度的扫描速度大小与方向。

3.根据权利要求1所述的基于测地型接收机的电离层不规则体漂移速度估计方法，其特征在于接收机网络观测到的不规则体形态漂移速度获取方法为：

测定同一GNSS卫星播发的信号穿过同一电离层闪烁不规则体引发的相位波动到达每相邻两个测地型接收机观测台站的时间差，结合观测台站间大地线长度，即可获得接收机网络观测到的不规则体形态漂移速度。

4.根据权利要求1所述的基于测地型接收机的电离层不规则体漂移速度估计方法，其特征在于接收机网络观测到的不规则体形态漂移速度具体步骤为：

首先通过时频分析技术获取所有接收机同步后的载波相位信号的功率谱图，即采用基于Lomb的自适应功率谱时频分析方法APT，对载波相位信号进行时频分析，从而获得每个测站的载波相位信号的功率谱，将时间域的载波相位信号转换到时间频率域，通过过滤掉功率谱中幅值小于0.1的系数，降低噪声对电离层闪烁信号的干扰，提高在有噪声情况下对电离层闪烁频率的分辨率；

然后通过交叉相关方法获得穿过同一电离层不规则体的卫星信号到达不同测站的时间差，即利用电离层闪烁因子的幅值及阈值，确定出电离层闪烁发生时段；在发生电离层闪烁时段，计算由每两个临近观测台站获得的功率谱相关性，较高相关性对应的时间间隔作为闪烁信号到达两个测站的时间差；

最后结合两个测站间大地线长度和卫星信号到达两个测站的时间差，利用速度时间公式即可估计出电离层不规则体在这两个测站间的形态漂移速度。

5.根据权利要求1所述的基于测地型接收机的电离层不规则体漂移速度估计方法，其特征在于矢量和方法获取电离层不规则体漂移速度具体如下：

将GNSS卫星在电离层假定高度层的扫描速度和由接收机网络观测到的不规则体形态漂移速度做矢量和，即可获得每两个相邻测站间的电离层不规则体漂移速度；采用反距离加权法，对全部的每两个相邻测站的电离层不规则体漂移速度做矢量和，获得最终的电离层不规则体漂移速度。

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