CN113267792A - 一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法 - Google Patents

一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，属于卫星导航技术领域。本发明包括以下步骤：划分子网络；执行基于观测量差分的电离层空间梯度监测和单站电离层延迟时间梯度监测；确定电离层穿刺点的状态；对于状态待定的子网络中心站进一步确定穿刺点状态；综合信息处理设备估计区域广域异常的预计影响范围和局域扰动的实时影响范围；综合信息处理设备对穿刺点处于实时影响范围内的用户提供告警信息，对穿刺点处于预计影响范围内的用户提供预警信息。本发明可实现对异常影响范围与预计影响范围估计，具备实时性高、监测能力强的特点。

Description

一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法
技术领域
本发明涉及一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，属于卫星导航的完好性与电离层监测技术领域。
背景技术
电离层延迟是卫星导航领域中的主要误差源之一，电离层异常如电离层风暴、电离层闪烁是影响GNSS应用的主要完好性风险。针对电离层异常问题，GBAS(Ground-BasedAugmentation Systems，地基增强系统)基于局域监测站通过码载波一致性监测算法CCD、电离层空间梯度监测算法IGM等算法进行实时监测，但是，这种方式的监测范围有限，并且监测结果易受其它误差影响，监测结果不精准。SBAS(Satellite-Based AugmentationSystem，即星基增强系统)基于电离层网格实现电离层校正，具备一定的电离层异常监测功能，但是缺乏对异常的分类与预警能力。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，其克服了现有电离层完好性监测算法的不足，实现了电离层异常的实时监测、特征参数提取与预警。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，所述监测站网包括一个综合信息处理设备、N个广域分布的监测站，以及与监测站一一对应的监测站信息处理设备，N＞1；该方法包括以下步骤：
(1)以各监测站的位置为节点，生成不规则三角形网，任意一个监测站k以及不规则三角形网中与其直接相连的M个监测站，构成子网络k，其中，监测站信息处理设备k定义为子网络k的中心处理设备，监测站k及监测站信息处理设备k为子网络k的中心站，其余M个监测站及其监测站信息处理设备为子网络k的普通站；
(2)在各子网络的中心站上执行基于观测量差分的电离层空间梯度监测，得到各子网络中心站电离层穿刺点的电离层异常空间梯度
Figure BDA0003084497690000021
及告警信息，其中，下标k代表穿刺点对应的子网络的中心站，下标l代表穿刺点对应的卫星，
Figure BDA0003084497690000022
为二维矢量；
(3)在各子网络的中心站上执行单站电离层延迟时间梯度监测，得到各子网络中心站电离层穿刺点的电离层异常时间梯度Grid_Tk，l及告警信息，Grid_Tk，l为标量；
(4)在各子网络的中心站上执行电离层穿刺点状态判断，确定电离层穿刺点的状态为正常、局域扰动还是状态待定；
(5)对于状态待定的子网络中心站，再执行电离层穿刺点时间梯度与空间梯度匹配，进一步确定穿刺点状态为区域异常还是局域扰动；对于状态为区域异常的穿刺点，得到包括电离层空间梯度
Figure BDA0003084497690000023
电离层移动速度
Figure BDA0003084497690000024
的电离层信息；
(6)各子网络中心站将本站的穿刺点状态及相关信息上报综合信息处理设备；根据所有区域异常穿刺点的信息，综合信息处理设备估计区域广域异常的实时影响范围、移动速度、空间梯度，并根据影响范围、移动速度、预计时间估计得到区域广域异常的预计影响范围；此外，综合信息处理设备根据各局域扰动穿刺点的位置估计局域扰动的实时影响范围；
(7)综合信息处理设备根据用户坐标计算用户穿刺点，对穿刺点处于实时影响范围内的用户提供告警信息，对穿刺点处于预计影响范围内的用户提供预警信息。
进一步的，所述不规则三角形网的生成方式为凸包插值法。
进一步的，所述在全部子网络的中心站上执行基于观测量差分的电离层空间梯度监测，具体方式为：
(1)构建子网络中心站与普通站的RTK双差观测方程，解算得到电离层双差延迟；
(2)建立中心站与普通站的伪距单差观测方程，得到中心站与普通站的站间单差电离层延迟；
(3)根据电离层双差延迟、站间单差电离层延迟进行加权最小二乘估计，得到站间单差电离层延迟ΔIk，s，l，下标s表示对应的普通站；
(4)对于电离层异常卫星，根据监测站位置、卫星位置确定中心站穿刺点位置、穿刺点距离dk，s，l以及倾斜因子Fk，l，构建观测方程以估计电离层空间梯度
Figure BDA0003084497690000031
观测方程为：
Figure BDA0003084497690000032
其中，ΔIk，s，l表示站间电离层延迟单差，Fk，l表示电离层倾斜因子，
Figure BDA0003084497690000033
代表电离层穿刺点单位方向矢量的转置，dk，s，l代表电离层穿刺点距离，k表示中心站，s代表普通站，l代表卫星；
(5)对电离层空间梯度
Figure BDA0003084497690000041
的绝对值进行监测，当其超过门限值时产生告警信息。
进一步的，所述在各子网络的中心站上执行单站电离层延迟时间梯度监测，具体方式为：
在子网络中心站上执行码载波一致性监测和双频载波一致性监测，当两个监测均产生告警时，判定为异常，然后采用双频载波一致性监测的估计值与码载波一致性监测的估计值进行平差估计，得到电离层异常时间梯度Grid_Tk，l；
其中，码载波一致性监测表示为：
Figure BDA0003084497690000042
式中，Dvgc(t)代表历元t的码载波一致性监测估计的电离层时间梯度，w表示滤波权值系数，ρ(t)表示伪距观测量，
Figure BDA0003084497690000043
表示载波相位观测量，T表示历元间间隔；
双频载波一致性监测表示为：
Figure BDA0003084497690000044
式中，Dfgc(t)代表历元t的双频载波一致性估计的电离层时间梯度，下标i1、i2表示频点。
进一步的，所述在各子网络的中心站上执行电离层穿刺点状态判断，具体方式为：
(1)若电离层时间梯度与空间梯度均未告警，则判定为正常；
(2)若电离层时间梯度与空间梯度均告警，则判定为状态待定；
(3)其余情况，判定为局域扰动。
进一步的，所述对于状态待定的子网络中心站，再执行电离层穿刺点时间梯度与空间梯度匹配，具体方式为：
(1)状态待定的子网络中心站获取本站的所有邻接站穿刺点，若一领接站穿刺点的电离层时间梯度与本站穿刺点的电离层时间梯度的差的绝对值大于门限值，则判定该领接站穿刺点为有效领接站穿刺点，统计有效领接站穿刺点的数量，若数量小于阈值，则判定本站为局域扰动，匹配结束；否则，进入后续匹配流程；
(2)根据本站穿刺点与领接站穿刺点的告警时间差Δtk，s，l、距离dk，s，l以及电离层异常时间梯度Grid_Tk，l建立观测方程，估计电离层移动速度
Figure BDA0003084497690000051
和空间梯度
Figure BDA0003084497690000052
其中，观测方程为：
Figure BDA0003084497690000053
Figure BDA0003084497690000054
式中，上标T表示矩阵转置；
(3)计算空间梯度
Figure BDA0003084497690000055
与
Figure BDA0003084497690000056
矢量差值的绝对值，若该绝对值小于异常阈值，则判定为区域异常，并对
Figure BDA0003084497690000057
与
Figure BDA0003084497690000058
进行平差估计，得到
Figure BDA0003084497690000059
否则，判定为局域扰动。
进一步的，步骤(6)中，所述区域广域异常的实时影响范围的估计方式为，采用K均值聚类方法对区域异常穿刺点进行分组，对每组采用凸包生成法确定区域广域电离层异常的影响范围；
移动速度、空间梯度的估计方式为，对分组内穿刺点的移动速度、空间梯度进行平差估计，得到分组内的移动速度、空间速度；
局域扰动的实时影响范围的估计方式为，局域扰动穿刺点的周边正常领接站穿刺点连接所构成的闭合边界。
本发明与现有技术相比所取得的有益效果为：
1、本发明可实现对电离层异常的实时监测。
2、本发明可实现对电离层异常的分类。
3、本发明可实现对电离层异常特征参数的提取。
4、本发明可实现对电离层异常影响范围与预计影响范围限定。
附图说明
图1为本发明实施例中电离层异常监测预警方法的原理示意图。
图2为本发明实施例中监测站网不规则三角形网的生成示意图。
图3为本发明实施例中穿刺点异常分组、范围边界确定的示意图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，其原理如图1所示，所述监测站网包括一个综合信息处理设备、N个广域分布的监测站，以及与监测站一一对应的监测站信息处理设备，N＞1；该方法包括以下步骤：
(1)以各监测站的位置为节点，采用凸包插值法生成不规则三角形网，任意一个监测站k以及不规则三角形网中与其直接相连的M个监测站，构成子网络k，其中，监测站信息处理设备k定义为子网络k的中心处理设备，监测站k及监测站信息处理设备k为子网络k的中心站，其余M个监测站及其监测站信息处理设备为子网络k的普通站；
(2)在各子网络的中心站上执行基于观测量差分的电离层空间梯度监测，得到各子网络中心站电离层穿刺点的电离层异常空间梯度
Figure BDA0003084497690000071
及告警信息，其中，下标k代表穿刺点对应的子网络的中心站，下标l代表穿刺点对应的卫星，
Figure BDA0003084497690000072
为二维矢量；具体方式为：
具体方式为：
(a)构建子网络中心站与普通站的RTK双差观测方程，解算得到电离层双差延迟；
(b)建立中心站与普通站的伪距单差观测方程，得到中心站与普通站的站间单差电离层延迟；
(c)根据电离层双差延迟、站间单差电离层延迟进行加权最小二乘估计，得到站间单差电离层延迟ΔIk，s，l，下标s表示对应的普通站；
(d)对于电离层异常卫星，根据监测站位置、卫星位置确定中心站穿刺点位置、穿刺点距离dk，s，l以及倾斜因子Fk，l，构建观测方程以估计电离层空间梯度
Figure BDA0003084497690000073
观测方程为：
Figure BDA0003084497690000074
其中，ΔIk，s，l表示站间电离层延迟单差，Fk，l表示电离层倾斜因子，
Figure BDA0003084497690000081
代表电离层穿刺点单位方向矢量的转置，dk，s，l代表电离层穿刺点距离，k表示中心站，s代表普通站，l代表卫星；
(e)对电离层空间梯度
Figure BDA0003084497690000082
的绝对值进行监测，当其超过门限值时产生告警信息。
(3)在各子网络的中心站上执行单站电离层延迟时间梯度监测，得到各子网络中心站电离层穿刺点的电离层异常时间梯度Grid_Tk，l及告警信息，Grid_Tk，l为标量；具体方式为：
在子网络中心站上执行码载波一致性监测和双频载波一致性监测，当两个监测均产生告警时，判定为异常，然后采用双频载波一致性监测的估计值与码载波一致性监测的估计值进行平差估计，得到电离层异常时间梯度Grid_Tk，l；
其中，码载波一致性监测表示为：
Figure BDA0003084497690000083
式中，Dvgc(t)代表历元t的码载波一致性监测估计的电离层时间梯度，w表示滤波权值系数，ρ(t)表示伪距观测量，
Figure BDA0003084497690000084
表示载波相位观测量，T表示历元间间隔；
双频载波一致性监测表示为：
Figure BDA0003084497690000085
式中，Dfgc(t)代表历元t的双频载波一致性估计的电离层时间梯度，下标i1、i2表示频点。
(4)在各子网络的中心站上执行电离层穿刺点状态判断，确定电离层穿刺点的状态为正常、局域扰动还是状态待定；具体方式为：
(a)若电离层时间梯度与空间梯度均未告警，则判定为正常；
(b)若电离层时间梯度与空间梯度均告警，则判定为状态待定；
(c)其余情况，判定为局域扰动。
(5)对于状态待定的子网络中心站，再执行电离层穿刺点时间梯度与空间梯度匹配，进一步确定穿刺点状态为区域异常还是局域扰动；具体方式为：
(a)状态待定的子网络中心站获取本站的所有邻接站穿刺点，若一领接站穿刺点的电离层时间梯度与本站穿刺点的电离层时间梯度的差的绝对值大于门限值，则判定该领接站穿刺点为有效领接站穿刺点，统计有效领接站穿刺点的数量，若数量小于阈值，则判定本站为局域扰动，匹配结束；否则，进入后续匹配流程；
(b)根据本站穿刺点与领接站穿刺点的告警时间差Δtk，s，l、距离dk，s，l以及电离层异常时间梯度Grid_Tk，l建立观测方程，估计电离层移动速度
Figure BDA0003084497690000091
和空间梯度
Figure BDA0003084497690000092
其中，观测方程为：
Figure BDA0003084497690000093
Figure BDA0003084497690000094
式中，上标T表示矩阵转置；
(c)计算空间梯度
Figure BDA0003084497690000101
与
Figure BDA0003084497690000102
矢量差值的绝对值，若该绝对值小于异常阈值，则判定为区域异常，并对
Figure BDA0003084497690000103
与
Figure BDA0003084497690000104
进行平差估计，得到
Figure BDA0003084497690000105
否则，判定为局域扰动。对于状态为区域异常的穿刺点，得到包括电离层空间梯度
Figure BDA0003084497690000106
电离层移动速度
Figure BDA0003084497690000107
的电离层信息；
(6)各子网络中心站将本站的穿刺点状态及相关信息上报综合信息处理设备；根据所有区域异常穿刺点的信息，综合信息处理设备估计区域广域异常的实时影响范围、移动速度、空间梯度，并根据影响范围、移动速度、预计时间估计得到区域广域异常的预计影响范围；此外，综合信息处理设备根据各局域扰动穿刺点的位置估计局域扰动的实时影响范围；
其中，区域广域异常的实时影响范围的估计方式为，采用K均值聚类方法对区域异常穿刺点进行分组，对每组采用凸包生成法确定区域广域电离层异常的影响范围；
移动速度、空间梯度的估计方式为，对分组内穿刺点的移动速度、空间梯度进行平差估计，得到分组内的移动速度、空间速度；
局域扰动的实时影响范围的估计方式为，局域扰动穿刺点的周边正常领接站穿刺点连接所构成的闭合边界。
(7)综合信息处理设备根据用户坐标计算用户穿刺点，对穿刺点处于实时影响范围内的用户提供告警信息，对穿刺点处于预计影响范围内的用户提供预警信息。
以下为一个更具体的例子：
为了描述方便，进一步缩小问题的规模，本例中假定：监测站网共计包括8个监测站，区域异常状态电离层异常点共计11个。具体步骤为：
(1)采用凸包插值法生成全部监测站的不规则三角形网，如图2所示，以监测站3为例，其与监测站1、2、4、5、6构成子网络3。
(2)全部子网络中心站执行基于观测量差分的电离层空间梯度监测模块，得到子网络中心站全部电离层穿刺点的电离层异常空间梯度
Figure BDA0003084497690000111
及告警信息；以子网络3为例，具体方式为：
(a)依次构建子网络中心站3与普通站1、2、4、5、6的RTK双差观测方程，解算得到电离层双差延迟；
(b)建立中心站3与普通站1、2、4、5、6的伪距单差观测方程，得到中心站与普通站的电离层延迟；
(c)根据电离层双差延迟、站间单差电离层延迟进行加权最小二乘估计得到站间单差电离层延迟ΔIk，s，l；
(d)对于电离层异常卫星，根据监测站位置、卫星位置确定中心站穿刺点位置、穿刺点距离dk，s，l以及倾斜因子Fk，l，构建观测方程估计电离层空间梯度
Figure BDA0003084497690000112
针对编号为1的卫星的穿刺点，本例中的具体观测方程为：
Figure BDA0003084497690000113
Figure BDA0003084497690000114
Figure BDA0003084497690000115
Figure BDA0003084497690000116
Figure BDA0003084497690000121
假定估计得到的
Figure BDA0003084497690000122
(e)对电离层空间梯度
Figure BDA0003084497690000123
的绝对值100mm/km进行监测，当其超过门限值产生告警信息,假定门限值为50mm/km,则对应穿刺点告警。
(3)全部子网络中心站执行单站电离层延迟时间梯度监测模块，单站电离层延迟时间梯度估计模块包括码载波一致性监测算法、双频载波一致性监测算法，滤波权值系数为0.01，历元间间隔为1，则码载波监测一致性监测算法可表示为：
Figure BDA0003084497690000124
双频载波一致性监测算法可表示为
Figure BDA0003084497690000125
以对子网络3的1号卫星为例，假定两个监测算法均产生告警时，判定为异常。电离层时间梯度Grid_T3，1采用多频载波一致性监测估计值与码载波一致性监测估计值平差估计得到。
(4)子网络中心站执行电离层穿刺点状态判断模块，确定电离层穿刺点具体状态，状态分为：正常、局域扰动、待定、区域异常。具体判定逻辑为：电离层时间梯度与空间梯度均未告警，判定为正常；电离层时间梯度与空间梯度均告警，判定为待定；其余情况，判定为局域扰动。
以子网络3的1号卫星为例，其电离层时间梯度与空间梯度均告警，判定为待定状态。
(5)子网络中心站对于(4)处于待定状态的电离层穿刺点执行时间梯度与空间梯度匹配模块，确定穿刺点状态，得到区域异常状态穿刺点电离层信息，电离层信息包括电离层空间梯度
Figure BDA0003084497690000131
电离层移动速度
Figure BDA0003084497690000132
并且将处理后的穿刺点状态及电离层信息上报综合信息处理设备。
以子网络3的1号卫星为例，假定子网络3的1号卫星的穿刺点，有效领接点数量为5，编号为1、2、3、4、5，时间梯度与空间梯度匹配模块的执行过程为：
(a)子网络中心站3获取监测站网全部待定状态的电离层穿刺点的领接穿刺点，统计有效领接穿刺点的数量，数量不小于规定值，进入后续匹配流程。
(b)根据网络内电离层穿刺点与领接穿刺点的告警时间差Δtk，s，l、距离dk，s，l、电离层时间梯度Grid_Tk，l建立观测方程，估计电离层移动速度
Figure BDA0003084497690000133
空间梯度
Figure BDA0003084497690000134
观测方程可表示为
Figure BDA0003084497690000135
Figure BDA0003084497690000136
Figure BDA0003084497690000137
Figure BDA0003084497690000138
Figure BDA0003084497690000139
由上述观测方程可得
Figure BDA0003084497690000141
则
Figure BDA0003084497690000142
Figure BDA0003084497690000143
与
Figure BDA0003084497690000144
方向相同，则可得
Figure BDA0003084497690000145
(c)计算空间梯度
Figure BDA0003084497690000146
与
Figure BDA0003084497690000147
矢量差值的绝对值，并与门限值比较，当差值小于门限值，判定为区域异常，对二者平差估计得到
Figure BDA0003084497690000148
否则，判定为局域扰动。
本例中，假定其小于门限制，则判定为区域异常，将其编号为6，上报至综合信息处理设备。
(6)综合信息处理设备对全部区域异常状态穿刺点确定区域广域异常的实时影响范围、移动速度、空间梯度；根据影响范围、移动速度、预计时间估计得到区域广域异常预计影响范围边界；估计局域扰动的实时影响范围边界。
如图3所示，假定存在11个电离层穿刺点，则流程为：
(a)采用K均值聚类算法对区域异常穿刺点进行分组，分为两组，分组1包括1、2、3、4、5、6，分组2包括7、8、9、10、11，对每组采用凸包生成法确定区域广域电离层异常影响范围边界，如图3所示；
(b)移动速度、空间梯度的估计方法：对分组内穿刺点的移动速度、空间梯度进行平差估计，得到分组内的移动速度、空间速度；
(c)局域扰动实时影响范围估计方法：局域扰动穿刺点的周边正常领接点连接构成的闭合边界。
(7)综合信息处理设备根据用户坐标计算用户穿刺点，对穿刺点处于实时影响范围内的用户提供告警信息，对穿刺点处于预计影响范围内的用户提供预警信息。
总之，本发明针对电离层异常严重影响GNSS导航定位完好性的问题，提出了基于监测站网的电离层异常监测预警方法，可实现对电离层异常的实时监测、异常类型识别、异常特征参数的提取。该方法能够有效估计异常影响范围与预计影响范围，具备实时性高、监测能力强的特点。
需要说明的是，虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些变形和改进也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，所述监测站网包括一个综合信息处理设备、N个广域分布的监测站，以及与监测站一一对应的监测站信息处理设备，N＞1；其特征在于，包括以下步骤：
(1)以各监测站的位置为节点，生成不规则三角形网，任意一个监测站k以及不规则三角形网中与其直接相连的M个监测站，构成子网络k，其中，监测站信息处理设备k定义为子网络k的中心处理设备，监测站k及监测站信息处理设备k为子网络k的中心站，其余M个监测站及其监测站信息处理设备为子网络k的普通站；
(2)在各子网络的中心站上执行基于观测量差分的电离层空间梯度监测，得到各子网络中心站电离层穿刺点的电离层异常空间梯度
Figure FDA0003084497680000011
及告警信息，其中，下标k代表穿刺点对应的子网络的中心站，下标l代表穿刺点对应的卫星，
Figure FDA0003084497680000012
为二维矢量；
(3)在各子网络的中心站上执行单站电离层延迟时间梯度监测，得到各子网络中心站电离层穿刺点的电离层异常时间梯度Grid_Tk，l及告警信息，Grid_Tkul为标量；
(4)在各子网络的中心站上执行电离层穿刺点状态判断，确定电离层穿刺点的状态为正常、局域扰动还是状态待定；
(5)对于状态待定的子网络中心站，再执行电离层穿刺点时间梯度与空间梯度匹配，进一步确定穿刺点状态为区域异常还是局域扰动；对于状态为区域异常的穿刺点，得到包括电离层空间梯度
Figure FDA0003084497680000013
电离层移动速度
Figure FDA0003084497680000014
的电离层信息；
(6)各子网络中心站将本站的穿刺点状态及相关信息上报综合信息处理设备；根据所有区域异常穿刺点的信息，综合信息处理设备估计区域广域异常的实时影响范围、移动速度、空间梯度，并根据影响范围、移动速度、预计时间估计得到区域广域异常的预计影响范围；此外，综合信息处理设备根据各局域扰动穿刺点的位置估计局域扰动的实时影响范围；
(7)综合信息处理设备根据用户坐标计算用户穿刺点，对穿刺点处于实时影响范围内的用户提供告警信息，对穿刺点处于预计影响范围内的用户提供预警信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，其特征在于，所述不规则三角形网的生成方式为凸包插值法。
3.根据权利要求1所述的一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，其特征在于，所述在全部子网络的中心站上执行基于观测量差分的电离层空间梯度监测，具体方式为：
(1)构建子网络中心站与普通站的RTK双差观测方程，解算得到电离层双差延迟；
(2)建立中心站与普通站的伪距单差观测方程，得到中心站与普通站的站间单差电离层延迟；
(3)根据电离层双差延迟、站间单差电离层延迟进行加权最小二乘估计，得到站间单差电离层延迟ΔIk，s，l，下标s表示对应的普通站；
(4)对于电离层异常卫星，根据监测站位置、卫星位置确定中心站穿刺点位置、穿刺点距离dk，s，l以及倾斜因子Fk，l，构建观测方程以估计电离层空间梯度
Figure FDA0003084497680000031
观测方程为：
Figure FDA0003084497680000032
其中，ΔIk，s，l表示站间电离层延迟单差，Fk，l表示电离层倾斜因子，
Figure FDA0003084497680000033
代表电离层穿刺点单位方向矢量的转置，dk，sul代表电离层穿刺点距离，k表示中心站，s代表普通站，l代表卫星；
(5)对电离层空间梯度
Figure FDA0003084497680000034
的绝对值进行监测，当其超过门限值时产生告警信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，其特征在于，所述在各子网络的中心站上执行单站电离层延迟时间梯度监测，具体方式为：
在子网络中心站上执行码载波一致性监测和双频载波一致性监测，当两个监测均产生告警时，判定为异常，然后采用双频载波一致性监测的估计值与码载波一致性监测的估计值进行平差估计，得到电离层异常时间梯度Grid_Tkul；
其中，码载波一致性监测表示为：
Figure FDA0003084497680000035
式中，Dvgc(t)代表历元t的码载波一致性监测估计的电离层时间梯度，w表示滤波权值系数，ρ(t)表示伪距观测量，
Figure FDA0003084497680000036
表示载波相位观测量，T表示历元间间隔；
双频载波一致性监测表示为：
Figure FDA0003084497680000041
式中，Dfgc(t)代表历元t的双频载波一致性估计的电离层时间梯度，下标i1、i2表示频点。
5.根据权利要求1所述的一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，其特征在于，所述在各子网络的中心站上执行电离层穿刺点状态判断，具体方式为：
(1)若电离层时间梯度与空间梯度均未告警，则判定为正常；
(2)若电离层时间梯度与空间梯度均告警，则判定为状态待定；
(3)其余情况，判定为局域扰动。
6.根据权利要求1所述的一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，其特征在于，所述对于状态待定的子网络中心站，再执行电离层穿刺点时间梯度与空间梯度匹配，具体方式为：
(1)状态待定的子网络中心站获取本站的所有邻接站穿刺点，若一领接站穿刺点的电离层时间梯度与本站穿刺点的电离层时间梯度的差的绝对值大于门限值，则判定该领接站穿刺点为有效领接站穿刺点，统计有效领接站穿刺点的数量，若数量小于阈值，则判定本站为局域扰动，匹配结束；否则，进入后续匹配流程；
(2)根据本站穿刺点与领接站穿刺点的告警时间差Δtk，s，l、距离dk，s，l以及电离层异常时间梯度Grid_Tk，l建立观测方程，估计电离层移动速度
Figure FDA0003084497680000042
和空间梯度
Figure FDA0003084497680000043
其中，观测方程为：
Figure FDA0003084497680000051
Figure FDA0003084497680000052
式中，上标T表示矩阵转置；
(3)计算空间梯度
Figure FDA0003084497680000053
与
Figure FDA0003084497680000054
矢量差值的绝对值，若该绝对值小于异常阈值，则判定为区域异常，并对
Figure FDA0003084497680000055
与
Figure FDA0003084497680000056
进行平差估计，得到
Figure FDA0003084497680000057
否则，判定为局域扰动。
7.根据权利要求1所述的一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，其特征在于，步骤(6)中，所述区域广域异常的实时影响范围的估计方式为，采用K均值聚类方法对区域异常穿刺点进行分组，对每组采用凸包生成法确定区域广域电离层异常的影响范围；
移动速度、空间梯度的估计方式为，对分组内穿刺点的移动速度、空间梯度进行平差估计，得到分组内的移动速度、空间速度；
局域扰动的实时影响范围的估计方式为，局域扰动穿刺点的周边正常领接站穿刺点连接所构成的闭合边界。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115173925A (zh) * 2022-07-08 2022-10-11 中国科学院国家授时中心 一种星间单差电离层延迟确定方法及系统
CN115643159A (zh) * 2022-11-18 2023-01-24 奇点创新(江苏)智能科技有限公司 一种基于边缘计算的设备异常预警方法及系统
WO2024066476A1 (zh) * 2022-09-27 2024-04-04 千寻位置网络有限公司 电离层闪烁预警方法、装置、接收机终端、介质及产品

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101806911A (zh) * 2010-01-14 2010-08-18 国家卫星气象中心 一种电离层闪烁监测方法及电离层闪烁监测仪
JP2012042371A (ja) * 2010-08-20 2012-03-01 Electronic Navigation Research Institute 衛星航法システムにおける電離圏異常を検出する方法及びその装置。
CN106134454B (zh) * 2011-05-10 2014-08-27 中国电子科技集团公司第二十二研究所 电波环境综合监测预警装置
DE102013107994B3 (de) * 2013-07-26 2014-08-28 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren zur Bestimmung eines Ionosphärengradienten, Computerprogramm und Ionosphärengradientenmonitor
US20150219766A1 (en) * 2014-02-03 2015-08-06 Honeywell International Inc. Systems and methods to monitor for false alarms from ionosphere gradient monitors
CN109542084A (zh) * 2018-11-19 2019-03-29 北京航空航天大学 一种星基增强系统完好性故障仿真方法
CN109581430A (zh) * 2018-12-13 2019-04-05 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种基于伪卫星的gbas电离层空间梯度的监测方法
CN109828288A (zh) * 2019-01-23 2019-05-31 东南大学 一种基于区域cors的实时电离层建模与监测方法
US20190361129A1 (en) * 2018-05-14 2019-11-28 Indra Navia As Multi Frequency Monitor for Detecting Ionospheric and Tropospheric Disturbances
CN110687556A (zh) * 2019-11-04 2020-01-14 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种适用于laas的多径误差模型化方法
US20200096648A1 (en) * 2016-06-12 2020-03-26 Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy Of Sciences Zone correction-based method for improving the positioning accuracy in a satellite-based augmentation system

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101806911A (zh) * 2010-01-14 2010-08-18 国家卫星气象中心 一种电离层闪烁监测方法及电离层闪烁监测仪
JP2012042371A (ja) * 2010-08-20 2012-03-01 Electronic Navigation Research Institute 衛星航法システムにおける電離圏異常を検出する方法及びその装置。
CN106134454B (zh) * 2011-05-10 2014-08-27 中国电子科技集团公司第二十二研究所 电波环境综合监测预警装置
DE102013107994B3 (de) * 2013-07-26 2014-08-28 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren zur Bestimmung eines Ionosphärengradienten, Computerprogramm und Ionosphärengradientenmonitor
US20150219766A1 (en) * 2014-02-03 2015-08-06 Honeywell International Inc. Systems and methods to monitor for false alarms from ionosphere gradient monitors
US20200096648A1 (en) * 2016-06-12 2020-03-26 Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy Of Sciences Zone correction-based method for improving the positioning accuracy in a satellite-based augmentation system
US20190361129A1 (en) * 2018-05-14 2019-11-28 Indra Navia As Multi Frequency Monitor for Detecting Ionospheric and Tropospheric Disturbances
CN109542084A (zh) * 2018-11-19 2019-03-29 北京航空航天大学 一种星基增强系统完好性故障仿真方法
CN109581430A (zh) * 2018-12-13 2019-04-05 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种基于伪卫星的gbas电离层空间梯度的监测方法
CN109828288A (zh) * 2019-01-23 2019-05-31 东南大学 一种基于区域cors的实时电离层建模与监测方法
CN110687556A (zh) * 2019-11-04 2020-01-14 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种适用于laas的多径误差模型化方法

Non-Patent Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
R. J. NORMAN: "Simulating the Impact of Refractive Transverse Gradients Resulting From a Severe Troposphere Weather Event on GPS Signal Propagation", 《IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN APPLIED EARTH OBSERVATIONS AND REMOTE SENSING》 *
SUNGWOOK JUNG: "Long-term ionospheric anomaly monitoring for ground based augmentation systems", 《RADIO SCIENCE》 *
ZHAO JINGBO: "Study of application of Hybrid Spread Spectrum technology in satellite communication", 《2020 INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMMUNICATIONS ,INFORMATION SYSTEMS AND COMPUTER ENGINEERING(CISCE)》 *
于耕: "卫星地基增强系统下的级联双频载波相位平滑优化算法", 《测绘通报》 *
刘迪等: "区域格网电离层模型的建立和试算", 《城市勘测》 *
刘钝等: "中国区域电离层相关结构对卫星增强系统的影响", 《全球定位系统》 *
姚宜斌: "２０１５年尼泊尔地震的震前电离层异常探测", 《测绘学报》 *
张亚平: "影响卫星导航定位系统精度的关键技术", 《无线电工程》 *
张红波等: "卫星导航电离层闪烁环境保障方法研究", 《全球定位系统》 *
强同波等: "基于高精度北斗定位的风电基础沉降", 《现代电子技术》 *
牛飞等: "局部电离层异常对局域增强系统的影响及其监测方法", 《武汉大学学报(信息科学版)》 *
王志鹏: "一种抑制电离层异常的优化Hatch滤波方法", 《华中科技大学学报（自然科学版）》 *
盛传贞等: "一种新的中长基线GPS RTK解算方法", 《中国科技论文》 *
董恩强等: "利用北斗观测数据实时监测中国区域电离层变化", 《空间科学学报》 *
赵坤娟等: "基于北斗GEO卫星双频观测值连续监测电离层延迟", 《宇航计测技术》 *
陈洪雁等: "基于大数据的空间目标监测数据管理系统设计与应用", 《航天电子对抗》 *
高为广: "多卫星导航系统电离层穿刺点分布的仿真分析", 《测绘科学》 *
龚羽霞等: "电离层扰动对局域增强系统的影响分析", 《全球定位系统》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115173925A (zh) * 2022-07-08 2022-10-11 中国科学院国家授时中心 一种星间单差电离层延迟确定方法及系统
CN115173925B (zh) * 2022-07-08 2023-09-01 中国科学院国家授时中心 一种星间单差电离层延迟确定方法及系统
WO2024066476A1 (zh) * 2022-09-27 2024-04-04 千寻位置网络有限公司 电离层闪烁预警方法、装置、接收机终端、介质及产品
CN115643159A (zh) * 2022-11-18 2023-01-24 奇点创新(江苏)智能科技有限公司 一种基于边缘计算的设备异常预警方法及系统

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