CN113534211B - 基于gnss的公里级区域大气相位不一致性高精度监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GNSS的公里级区域大气相位不一致性高精度监测系统，主要解决1km×1km范围内区域上行天线组阵系统中的大气波动相位差补偿问题。其实现过程是：在1km×1km的区域范围内，布设至少五个GNSS连续运行参考站，每个站点配置一台气象仪，实时的卫星数据和气象数据通过无线通信设备传输至数据中心，利用专业化的全星座虚拟参考站软件进行联合解算与定位，原始数据和处理后的数据输入高精度区域大气相位空‑时建模软件，获得毫米量级精度的大气延迟量，用来实时补偿大气扰动对上行天线组阵信号相位的影响。本发明建立了不同季节的气象数据和区域大气相位数据库，提高了观测数据的水平空间分辨率，具有精度高、实时性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及深空测控领域中的一种基于GNSS的公里级区域大气相位不一致性高精度监测系统，特别适用于深空测控上行天线组阵补偿大气扰动对信号相位的影响。
背景技术
在深空测控中，上行天线组阵发射的深空信号在通过大气层时，会发生电离层折射效应和对流层折射效应，其中对流层波动(扰动)是时空高频扰动，对信号相位的影响很大，电离层折射效应对低频段信号而言也是时空高频扰动，1km范围内S波段延迟差在不利情况下可以达到1厘米，这会导致天线组阵信号合成算法的相位差估计精度降低，是影响天线组阵合成信噪比提高的主要因素。上行天线组阵的关键技术在于如何补偿地面天线组阵信号相位，以使航天器将不同的接收信号对齐，其中，大气扰动是重要的补偿项，这就需要对大气相位不一致性进行实时连续监测。
大气扰动对信号相位的影响与天线组阵所处的位置、气象和季节因素强相关，使用气象参数建立的大气模型得到的相位差在时效性和精度方面都得不到保障。基于GNSS接收机的方法测量精度高，实时性好，成本也相对较低，但当前的GNSS连续运行参考站网最近的站间距约为10km，测量精度在厘米量级，对1km×1km范围内的上行天线组阵系统而言，观测数据的水平空间分辨率太低，无法反映区域内大气相位的差异，而且也满足不了毫米量级的高精度需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种基于GNSS的公里级区域大气相位不一致性高精度监测系统。
本发明采用的技术方案为：
一种基于GNSS的公里级区域大气相位不一致性高精度监测系统，包括气象仪、数据中心、无线通信设备、全星座虚拟参考站、区域大气相位空-时建模软件以及至少5个连续运行GNSS接收机；
GNSS接收机用于跟踪和观测所有可见GNSS卫星信号，并接收气象仪监测的气象数据，将卫星观测数据和气象观测数据传输至无线通信设备；
气象仪用于监测气象数据，包括风速、风向、气压、温度和湿度，并传输给GNSS接收机；
无线通信设备，用于实时地将GNSS接收机传输的卫星观测数据和气象观测数据传输至数据中心；
数据中心配置有全星座虚拟参考站软件，用于基于卫星观测数据进行全星座的联合解算与定位，得出导航卫星的位置，并将导航卫星的位置、卫星观测数据和气象数据传输至区域大气相位空-时建模软件；
区域大气相位空-时建模软件，用于首先基于卫星观测数据和导航卫星的位置建立测站间单差方程，解算整周模糊度和接收机钟差后，提取多路径模型并消除多路径误差，求解得到导航卫星方向上的单差对流层延迟和单差电离层延迟；然后针对公里级区域大气相位扰动特性，建立小尺度对流层实时三维层析模型和电离层扰动模型，基于气象数据、单差对流层延迟和单差电离层延迟对模型参数进行精确估计；最后根据天线阵信号路径及三维大气信息精确标定上行组阵信号的对流层延迟和电离层延迟，用来实时补偿大气扰动对上行天线组阵信号相位的影响。
本发明相比背景技术具有如下优点：
本发明大大提高了观测数据的水平空间分辨率，更适用于公里级区域上行天线组阵系统；可同时获得风速、风向、气压、温度、湿度等气象观测数据和卫星观测数据，构建了小尺度实时三维层析模型，能够反映公里级小区域的大气相位差异；可24小时连续不间断运行，实时性好；测量精度高，可达到毫米量级，满足公里级区域上行天线组阵系统需求。
附图说明
图1是本发明基于GNSS的公里级区域大气相位不一致性高精度监测系统的结构与原理图。
具体实施方式
本发明实施例在1km×1km的区域范围布设五个连续运行GNSS接收机，通过连接专业的扼流圈天线，有效地降低多路径信号的影响，精确地跟踪所有可见GNSS卫星信号；通过无线通信设备，实时地将卫星数据和气象数据传输至数据中心进行存储和处理；利用全星座虚拟参考站软件对全星座进行联合解算与定位，实时输出导航卫星的位置信息；原始气象观测数据、卫星观测数据和处理后的卫星位置数据输入区域大气相位空-时建模软件，输出毫米量级精度的大气延迟量，用来实时补偿大气扰动对上行天线组阵信号相位的影响。本发明的特点是：第一，在1km×1km的区域范围布设五个连续运行参考站，大大提高了观测数据的水平空间分辨率，更适用于公里级区域上行天线组阵系统；第二，可同时获得风速、风向、气压、温度、湿度等气象观测数据和卫星观测数据，构建了小尺度实时三维层析模型，能够反映公里级小区域的大气相位差异；第三，可24小时连续不间断运行，实时性好；第四，测量精度高，可达到毫米量级，满足公里级区域上行天线组阵系统需求。
参照图1，本实施例的一种基于GNSS的公里级区域大气相位不一致性高精度监测系统，包括气象仪、数据中心、无线通信设备、全星座虚拟参考站、区域大气相位空-时建模软件以及5个连续运行GNSS接收机；
GNSS接收机用于跟踪和观测所有可见GNSS卫星信号，并接收气象仪监测的气象数据，将卫星观测数据和气象观测数据传输至无线通信设备；
气象仪用于监测气象数据，包括风速、风向、气压、温度和湿度，并传输给GNSS接收机；
无线通信设备，用于实时地将GNSS接收机传输的卫星观测数据和气象观测数据传输至数据中心；
数据中心配置有全星座虚拟参考站软件，用于基于卫星观测数据进行全星座的联合解算与定位，得出导航卫星的位置，并将导航卫星的位置、卫星观测数据和气象数据传输至区域大气相位空-时建模软件；
区域大气相位空-时建模软件，用于首先基于卫星观测数据和导航卫星的位置建立测站间单差方程，解算整周模糊度和接收机钟差后，提取多路径模型并消除多路径误差，求解得到导航卫星方向上的单差对流层延迟和单差电离层延迟；然后针对公里级区域大气相位扰动特性，建立小尺度对流层实时三维层析模型和电离层扰动模型，基于气象数据、单差对流层延迟和单差电离层延迟对模型参数进行精确估计；最后根据天线阵信号路径及三维大气信息精确标定上行组阵信号的对流层延迟和电离层延迟，用来实时补偿大气扰动对上行天线组阵信号相位的影响。
实施例的实现过程如下：
1)在1km×1km的区域范围，布设五个连续运行参考站，采用支持全星座系统的GNSS接收机，以最大限度地跟踪和观测所有可见GNSS卫星信号；连接专业的扼流圈天线，以有效地降低多路径信号的影响；配置RS232数据接口，用于连接气象仪等传感器；
2)五个参考站各配置一台气象仪，实时监测风速、风向、气压、温度、湿度等气象要素，通过RS232将气象数据传输至参考站GNSS接收机；
3)为五个站点各配置一台不间断电源，当外部市电突然断电时，自动切换到不间断电源供电，保证设备连续稳定运行；
4)配置一台专用服务器作为数据中心，用于存储和处理五个连续运行参考站传来的卫星数据和气象数据；
5)配置无线通信设备，用于实时地将卫星观测数据和气象观测数据由各个连续运行参考站一起传输至数据中心；
6)在数据中心的专用服务器上配置全星座虚拟参考站软件，用于全星座的联合解算与定位，输出导航卫星的位置；
7)原始气象观测数据、卫星观测数据和处理后的卫星位置数据输入区域大气相位空-时建模软件，输出毫米量级精度的大气延迟量，用来补偿大气扰动对上行天线组阵信号相位的影响。
完成基于基于GNSS的公里级区域大气相位不一致性高精度监测系统的实现。
Claims (1)
1.一种基于GNSS的公里级区域大气相位不一致性高精度监测系统，其特征在于，包括气象仪、数据中心、无线通信设备、全星座虚拟参考站、区域大气相位空-时建模软件以及至少5个连续运行GNSS接收机；
GNSS接收机用于跟踪和观测所有可见GNSS卫星信号，并接收气象仪监测的气象数据，将卫星观测数据和气象观测数据传输至无线通信设备；
气象仪用于监测气象数据，包括风速、风向、气压、温度和湿度，并传输给GNSS接收机；
无线通信设备，用于实时地将GNSS接收机传输的卫星观测数据和气象观测数据传输至数据中心；
数据中心配置有全星座虚拟参考站软件，用于基于卫星观测数据进行全星座的联合解算与定位，得出导航卫星的位置，并将导航卫星的位置、卫星观测数据和气象数据传输至区域大气相位空-时建模软件；
区域大气相位空-时建模软件，用于首先基于卫星观测数据和导航卫星的位置建立测站间单差方程，解算整周模糊度和接收机钟差后，提取多路径模型并消除多路径误差，求解得到导航卫星方向上的单差对流层延迟和单差电离层延迟；然后基于气象数据、单差对流层延迟和单差电离层延迟建立小尺度对流层实时三维层析模型和小尺度电离层扰动三维层析模型，并对模型参数进行精确估计，反映公里级区域大气相位扰动特性；最后根据天线阵信号路径及三维大气信息精确标定上行组阵信号的对流层延迟和电离层延迟，用来实时补偿大气扰动对上行天线组阵信号相位的影响。
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