CN114200490A - 电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法及装置，该方法包括：采集原始数据；根据原始数据计算结果数据；构建时空坐标系，并对时空坐标系按照预设的方位角步长、仰角步长和观测时间步长进行三维划分，形成三维统计网格；将结果数据按照方位角、仰角以及所处时间段划分至三维统计网格作为样本数据集；遍历样本数据集，使用聚类算法确定三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限。本申请有效的从数据样本中量化出了不同方位角、仰角以及观测时间范围内受多径影响的电离层闪烁指数的多径干扰判定区间。

Description

电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法及装置
技术领域
本申请涉及全球卫星导航技术领域，尤其涉及一种电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法及装置。
背景技术
全球导航卫星系统(英文：Global Navigation Satellite System，简称：GNSS)能够提供全天候高精度的全球定位、导航以及授时功能，在航空、资源环境、防灾减灾、测绘等领域中都发挥了关键性作用。但是，由于卫星信号功率较低，在传播过程中易受到环境因素的干扰。尤其在存在极端电离层扰动的低纬度地区，电离层闪烁对GNSS卫星信号的影响尤为明显。所以，需要建立GNSS监测站，来收集并分析电离层闪烁的规律。
目前，通常采用电离层闪烁指数来量化电离层闪烁现象，电离层闪烁通常会引起GNSS卫星信号幅度变化，但引起GNSS卫星信号幅度变化的因素除电离层扰动之外还有多径噪声因素，其也会造成信号幅度的相似变化。为了研究电离层扰动的情况，需要将电离层闪烁指数中的多径噪声造成的干扰排除。
为了减小多径干扰对电离层闪烁监测结果的影响，当前的通常做法是设置适当的仰角掩角，将GNSS卫星观测数据中低于仰角掩角的部分屏蔽，以抑止地面多径噪声的影响。然而，这种依靠经验而非量化的掩角设置，在复杂的地面多径噪声干扰情况下，只能笼统地将仰角低于掩角的数据筛除，无法准确地屏蔽多径噪声影响，也无法充分利用有效观测数据。
发明内容
本发明实施例通过提供一种电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法及装置，解决了现有技术中无法准确地屏蔽多径噪声影响，也无法充分利用有效观测数据的技术问题。
第一方面，本申请提供了一种电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法，所述方法包括：采集原始数据，所述原始数据包括卫星观测数据和星历数据；根据所述原始数据计算结果数据，所述结果数据包括固定时间间隔的电离层闪烁指数，以及所述电离层闪烁指数每个输出时刻的卫星的位置、仰角和方位角；构建时空坐标系，并对所述时空坐标系按照预设的方位角步长、仰角步长和观测时间步长进行三维划分，形成三维统计网格；将所述结果数据按照方位角、仰角以及所处时间段划分至所述三维统计网格作为样本数据集；遍历所述样本数据集；使用聚类算法确定所述三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述根据所述原始数据计算结果数据包括：以固定时间间隔计算并输出所述电离层闪烁指数；其中，所述电离层闪烁指数的计算公式如下：
Figure BDA0003404267710000021
上式中，S4表示所述电离层闪烁指数，＜SI2＞表示所述固定时间间隔内的信号强度平方的均值；＜SI＞2表示所述固定时间间隔内的信号强度均值的平方；S/N0表示信噪比；根据所述星历数据计算所述电离层闪烁指数每个输出时刻的卫星的位置；根据监测站接收机天线的相位中心位置，计算所述电离层闪烁指数每个输出时刻的卫星的仰角和方位角。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述构建时空坐标系包括：以监测站信号接收天线的相位中心，以及卫星的仰角、方位角和基于卫星运行周期的观测时间为基准，建立所述时空坐标系。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述使用聚类算法确定所述三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限包括：对所述样本数据集中的所述电离层闪烁指数进行第一次聚类，并将样本密度出现极大值的个数作为聚类结果中簇的个数；使用所述第一次聚类得到的簇的个数，对所述电离层闪烁指数进行第二次聚类，将所述三维统计网格内所述样本数据集中的所述电离层闪烁指数聚类为多个初始簇，并找出包含样本数量最多的目标簇；确定所述目标簇的所述电离层闪烁指数的聚类中心Cn，以及所述目标簇内所有样本的所述电离层闪烁指数到所述聚类中心Cn的距离dsn；找出所有所述距离dsn中满足预设标准的最大值dm，并以Cn-dm和Cn+dm作为所述电离层闪烁指数多径干扰判定门限。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述第一次聚类包括核密度估计聚类算法，和/或所述第二次聚类包括K均值聚类算法。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法还包括：在遍历所述样本数据集时，判断所述样本数据集中的样本数量是否达到预设临界值；若所述样本数据集中的样本数量达到所述预设临界值，执行所述使用聚类算法确定所述三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限；否则，将所述三维统计网格的所述电离层闪烁指数多径干扰判定门限置空，待所有所述三维统计网络遍历完毕后，补全所述三维统计网格的所有电离层闪烁指数多径干扰判定门限。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述补全所述三维统计网格的所有电离层闪烁指数多径干扰判定门限包括：按照观测时间区间进行循环，在仰角和方位角纬度上，利用二维最邻近插值法将置空的所述电离层闪烁多径干扰门限补充完整。
第二方面，本申请提供了一种电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估装置，所述装置包括：采集模块，用于采集原始数据，所述原始数据包括卫星观测数据和星历数据；计算模块，用于根据所述原始数据计算结果数据，所述结果数据包括固定时间间隔的电离层闪烁指数，以及所述电离层闪烁指数每个输出时刻的卫星的位置、仰角和方位角；构建模块，用于构建时空坐标系，并对所述时空坐标系按照预设的方位角步长、仰角步长和观测时间步长进行三维划分，形成三维统计网格；划分模块，用于将所述结果数据按照方位角、仰角以及所处时间段划分至所述三维统计网格作为样本数据集；遍历模块，用于遍历所述样本数据集；聚类模块，用于使用聚类算法确定所述三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述计算模块具体用于：以固定时间间隔计算并输出所述电离层闪烁指数；其中，所述电离层闪烁指数的计算公式如下：
Figure BDA0003404267710000041
上式中，S4表示所述电离层闪烁指数，＜SI2＞表示所述固定时间间隔内的信号强度平方的均值；＜SI＞2表示所述固定时间间隔内的信号强度均值的平方；S/N0表示信噪比；根据所述星历数据计算所述电离层闪烁指数每个输出时刻的卫星的位置；根据监测站接收机天线的相位中心位置，计算所述电离层闪烁指数每个输出时刻的卫星的仰角和方位角。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述构建模块具体用于：以监测站信号接收天线的相位中心，以及卫星的仰角、方位角和基于卫星运行周期的观测时间为基准，建立所述时空坐标系。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述聚类模块具体用于：对所述样本数据集中的所述电离层闪烁指数进行第一次聚类，并将样本密度出现极大值的个数作为聚类结果中簇的个数；使用所述第一次聚类得到的簇的个数，对所述电离层闪烁指数进行第二次聚类，将所述三维统计网格内所述样本数据集中的所述电离层闪烁指数聚类为多个初始簇，并找出包含样本数量最多的目标簇；确定所述目标簇的所述电离层闪烁指数的聚类中心Cn，以及所述目标簇内所有样本的所述电离层闪烁指数到所述聚类中心Cn的距离dsn；找出所有所述距离dsn中满足预设标准的最大值dm，并以Cn-dm和Cn+dm作为所述电离层闪烁指数多径干扰判定门限。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述第一次聚类包括核密度估计聚类算法，和/或所述第二次聚类包括K均值聚类算法。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估装置还包括：判断模块，用于在遍历所述样本数据集时，判断所述样本数据集中的样本数量是否达到预设临界值；若所述样本数据集中的样本数量达到所述预设临界值，所述聚类模块使用聚类算法确定所述三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限；否则，置空模块将所述三维统计网格的所述电离层闪烁指数多径干扰判定门限置空，待所有所述三维统计网络遍历完毕后，补全模块补全所述三维统计网格的所有电离层闪烁指数多径干扰判定门限。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述补全模块具体用于：按照观测时间区间进行循环，在仰角和方位角纬度上，利用二维最邻近插值法将置空的所述电离层闪烁多径干扰门限补充完整。
第三方面，本申请提供了一种电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估设备，所述设备包括存储器和处理器；所述存储器用于存储计算机可执行指令；所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，能够实现第一方面以及第一方面任一种可能的实现方式所述的方法。
第四方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有可执行指令，计算机执行所述可执行指令时能够实现第一方面以及第一方面任一种可能的实现方式所述的方法。
本发明实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例通过采用一种电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法，仅利用监测站自身数据，通过数据本身的质量情况来描述监测站周围各时空区域的多径干扰情况，并以此作为判断增量数据是否受多径干扰的标准。有效的从数据样本中量化出了不同方位角、仰角以及观测时间范围内受多径影响的电离层闪烁指数的多径干扰判定区间。解决了传统的固定仰角掩角“一刀切”式地筛除观测数据带来的无法准确屏蔽多径影响，甚至造成多径影响筛除“不干净”以及“干净”数据信息丢失等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法的一种具体实施方式的流程图；
图2为本发明实施例提供的电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法的另一种具体实施方式的流程图；
图3为本发明实施例提供的计算结果数据的流程图；
图4为本发明实施例提供的使用聚类算法确定三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限的流程图；
图5为本发明实施例提供的结果数据整合后的数据列表样例；
图6为本发明实施例提供的三维统计网格(方位角0～2°，仰角50～52°，观测时间范围0～1436s)中样本的分布情况；
图7为本发明实施例提供的图6所示三维统计网格的样本数据集进行第一次聚类后获得的概率密度分布图；
图8为本发明实施例提供的电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估装置的一种结构示意图；
图9为本发明实施例提供的电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估装置的另一种结构示意图；
图10为本发明实施例提供的电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请提供了一种电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法，该方法具体可以应用于地面接收机、个人计算机、移动终端等能够运行计算机程序的设备。
电离层闪烁是指，当GNSS卫星信号穿过电离层时，受到电离层结构不均匀性影响，产生信号幅度、相位等发生短期不规则变化的现象。电离层闪烁效应通常会导致地面接收机接收到的信号发生幅度、相位快速随机起伏，或导致信号衰落，进而使信号传输误码率上升、信噪比下降和卫星信号失锁等，最终导致全球导航卫星系统的性能下降，严重时使卫星通信链路中断，造成通信系统、卫星导航系统和地空目标监测系统不可用。目前，一般采用电离层闪烁指数来量化电离层闪烁现象，电离层闪烁指数通常反应了一段时间内信号幅度的变化情况。
多径噪声干扰是指，地面上的树木、建筑等复杂环境，导致卫星信号在接近地面时会产生除直射信号以外的反射和衍射信号，这些反射和衍射信号沿不同传播路径以微小的时间差到达接收机时，发生相互干涉叠加，导致卫星信号的幅度发生剧烈变化，严重影响本地电离层闪烁评估的准确度。
本申请提供的一种电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法包括步骤S101至步骤S105，如图1所示。
步骤S101：采集原始数据。原始数据包括卫星观测数据和星历数据；具体地，星历数据包括广播星历或精密星历数据。
比如，采集采样率为50Hz的GPS观测数据，观测时间范围为2021年GPS年积日059～158，共计100天；同时收集对应时段的广播星历数据。
步骤S102：根据原始数据计算结果数据。结果数据包括固定时间间隔的电离层闪烁指数，以及电离层闪烁指数每个输出时刻的卫星的位置、仰角和方位角。
步骤S102具体包括步骤S301至步骤S303，如图3所示。
步骤S301：以固定时间间隔计算并输出电离层闪烁指数，比如每60秒一次。其中，电离层闪烁指数的计算公式如下：
Figure BDA0003404267710000081
上式中，S4表示电离层闪烁指数；SI表示信号强度；＜SI2＞表示固定时间间隔内的信号强度平方的均值；＜SI＞2表示固定时间间隔内的信号强度均值的平方；S/N0表示信噪比。并且，信号强度和信噪比可由接收机数据解析后提取获得。
步骤S302：根据星历数据计算电离层闪烁指数每个输出时刻的卫星的位置。具体地，利用广播星历，解算电离层闪烁指数的输出时刻所对应的卫星瞬时位置。
步骤S303：根据监测站接收机天线的相位中心位置，计算电离层闪烁指数每个输出时刻的卫星的仰角和方位角。
同时，可以将上述计算获得的结果数据按照卫星号和时间信息存储，如图5所示。
步骤S103：构建时空坐标系，并对时空坐标系按照预设的方位角步长、仰角步长和观测时间步长进行三维划分，形成三维统计网格。
具体地，构建时空坐标系具体包括：以监测站信号接收天线的相位中心，以及卫星的仰角、方位角和基于卫星运行周期的观测时间为基准，建立时空坐标系。比如，设置方位角范围为0～360°，仰角范围为0～90°；考虑GPS卫星的最大运行周期约为11小时58分，因此，设置观测时间范围为0～43080s，参照图6所示。当然，方位角范围、仰角范围和观测时间范围这些参数可根据实际需求来进行其他数值的设置。
需要说明的是，时空坐标系的时间轴的最大值使用卫星的运行周期，即观测时间范围为卫星的运行周期，由于不同的卫星系统的运行周期是不同的，所以对于不同的卫星系统构建时空坐标系时，在时间纬度上是不同的。例如，GPS卫星运行周期是11小时58分；北斗的地球同步轨道卫星，运行周期是24小时；Galileo卫星的运行周期是14小时4分。因此，不同的卫星系统所构建的时空坐标系的时间最大值是不同的，而且在划分三维统计网格时，时间划分的间隔也是不同的。
对时空坐标系进行三维划分时，可以设置方位角步长dα＝2°、仰角步长dθ＝2°和观测时间步长dt＝1436s，将整个统计区域划分为243000个三维统计网格，参照图6所示。当然，进行三维划分时所设置的方位角步长、仰角步长和观测时间步长并不以上述的数值为限制，可以根据实际需求调整三维统计网格的大小，可以在数据量较小的情况下，粗略估计各三维统计网格的多径干扰判定指标。随着输入数据量的增大，可缩小三维统计网格的大小，得到精细化的多径干扰判定指标，做到更为精准地判定电离层闪烁中的多径干扰。
步骤S104：将结果数据按照方位角、仰角以及所处时间段划分至三维统计网格作为样本数据集。
步骤S105：遍历样本数据集。
步骤S106：使用聚类算法确定三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限。
比如，图6中的时空坐标系参数为：方位角范围为0～360°，仰角范围为0～90°，观测时间范围为0～43080s。图6中的三维统计网格参数为：方位角步长dα＝2°、仰角步长dθ＝2°和观测时间步长dt＝1436s。图6中共有55个样本，对这55个样本使用聚类算法来确电离层闪烁指数多径干扰判定门限。比如，该电离层闪烁指数多径干扰判定门限为0.038158和0.068025，则电离层闪烁多径干扰判断区间为0.038158～0.068025，一旦电离层闪烁指数属于图6所示的三维统计网格，并且0.038158≤S4≤0.068025，说明该指数必然受到多径干扰影响，则需要排除。
图6中示出的样本数据集中有55个样本，若样本数据集中样本数量较少时，使用聚类算法的结果不具有参考意义。为使聚类算法的结果更加准确，可以设置预设临界值，当样本数据集中样本数量达到预设临界值时再使用聚类算法。比如将预设临界值设置为10。
如图2所示，电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法还包括步骤S201和步骤S202。
步骤S201：在遍历样本数据集时，判断样本数据集中的样本数量是否达到预设临界值。
若样本数据集中的样本数量达到预设临界值，执行步骤S106：使用聚类算法确定三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限。
若样本数据集中的数据样本数量未达到预设临界值，则执行步骤S202：将三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限置空，待所有三维统计网络遍历完毕后，补全三维统计网格的所有电离层闪烁指数多径干扰判定门限。
步骤S106：使用聚类算法确定三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限，具体包括步骤S401至步骤S404，如图4所示。
步骤S401：对样本数据集中的电离层闪烁指数进行第一次聚类，并将样本密度出现极大值的个数作为聚类结果中簇的个数。
参照图7所示，图7是图6所示的样本数据集进行第一次聚类后的概率密度分布图，可以看出有2个密度极大值，所以将簇的个数设置为2。
步骤S402：使用第一次聚类得到的簇的个数，对电离层闪烁指数进行第二次聚类，将三维统计网格内样本数据集中的电离层闪烁指数聚类为多个初始簇，并找出包含样本数量最多的目标簇。
以图6和图7为例，对该三维统计网格的所有样本的电离层闪烁指数进行第一次聚类，根据第一次聚类的结果，将簇数设置为2，再进行第二次聚类，得到两个簇DC1和DC2，两个簇DC1和DC2分别包含的样本数为37和18。选取样本数最多的簇DC1，将簇DC1设置为目标簇。
步骤S403：确定目标簇的电离层闪烁指数的聚类中心Cn，以及目标簇内所有样本的电离层闪烁指数到聚类中心Cn的距离dsn。仍以图6和图7为例，计算目标簇中所有样本到聚类中心C1的距离ds1。
步骤S404：找出所有距离dsn中满足预设标准的最大值dm，并以Cn-dm和Cn+dm作为电离层闪烁指数多径干扰判定门限。该预设标准可以设置为3σ标准，当然也可以采用其他标准。
比如以3σ标准来筛选ds1，得到目标簇内共计36个样本到聚类中心距离满足3σ标准，将距离中的最大值作为该簇电离层闪烁指数多径干扰判定门限的最大带宽dm＝0.01493。
因此，最终得到电离层闪烁多径干扰判断区间为0.038158～0.068025，一旦电离层闪烁指数属于图6所示的三维统计网格，并且满足0.038158≤S4≤0.068025，说明该电离层闪烁指数必然受到多径干扰影响，则需要排除。
具体地，第一次聚类包括核密度估计聚类算法，和/或第二次聚类包括K均值聚类算法。当然，第一次聚类可以采用其他基于密度的聚类算法，第二次聚类也可以采用其他更合适的聚类算法。
补全三维统计网格的所有电离层闪烁指数多径干扰判定门限包括：按照观测时间区间进行循环，在仰角和方位角纬度上，利用二维最邻近插值法将置空的电离层闪烁多径干扰门限补充完整。
本发明实施例提供的电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法，仅利用监测站自身数据，通过数据本身的质量情况来描述监测站周围各时空区域的多径干扰情况，并以此作为判断增量数据是否受多径干扰的标准。有效的从数据样本中量化出了不同方位角、仰角以及观测时间范围内受多径影响的电离层闪烁指数的多径干扰判定区间。解决了传统的固定仰角掩角“一刀切”式地筛除观测数据带来的无法准确屏蔽多径影响，甚至造成多径影响筛除“不干净”以及“干净”数据信息丢失等问题。
虽然本申请提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。本实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时,可以按照本实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。
本申请提供了一种电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估装置800，如图8所示，该装置包括采集模块801、计算模块802、构建模块803、划分模块804、遍历模块和聚类模块806。
采集模块801，用于采集原始数据，原始数据包括卫星观测数据和星历数据；
比如，采集采样率为50Hz的GPS观测数据，观测时间范围为2021年GPS年积日059～158，共计100天；同时收集对应时段的广播星历数据。
计算模块802，用于根据原始数据计算结果数据，结果数据包括固定时间间隔的电离层闪烁指数，以及电离层闪烁指数每个输出时刻的卫星的位置、仰角和方位角。计算模块802具体用于进行以下计算。
以固定时间间隔计算并输出电离层闪烁指数，比如每60秒一次。其中，电离层闪烁指数的计算公式如下：
Figure BDA0003404267710000121
上式中，S4表示电离层闪烁指数；SI表示信号强度；＜SI2＞表示固定时间间隔内的信号强度平方的均值；＜SI＞2表示固定时间间隔内的信号强度均值的平方；S/N0表示信噪比。并且，信号强度和信噪比可由接收机数据解析后提取获得。
根据星历数据计算电离层闪烁指数每个输出时刻的卫星的位置。具体地，利用广播星历，解算电离层闪烁指数的输出时刻所对应的卫星瞬时位置。根据监测站接收机天线的相位中心位置，计算电离层闪烁指数每个输出时刻的卫星的仰角和方位角。
同时，可以将上述计算获得的结果数据按照卫星号和时间信息存储，如图5所示。
构建模块803，用于构建时空坐标系，并对时空坐标系按照预设的方位角步长、仰角步长和观测时间步长进行三维划分，形成三维统计网格。
构建模块803具体用于：以监测站信号接收天线的相位中心，以及卫星的仰角、方位角和基于卫星运行周期的观测时间为基准，建立时空坐标系。比如，设置方位角范围为0～360°，仰角范围为0～90°；考虑GPS卫星的最大运行周期约为11小时58分，因此，设置观测时间范围为0～43080s，参照6所示。当然，方位角范围、仰角范围和观测时间范围这些参数可根据实际需求来进行其他数值的设置。
对时空坐标系进行三维划分时，可以设置方位角步长dα＝2°、仰角步长dθ＝2°和观测时间步长dt＝1436s，将整个统计区域划分为243000个三维统计网格，参照图6所示。当然，进行三维划分时所设置的方位角步长、仰角步长和观测时间步长并不以上述的数值为限制，可以根据实际需求调整三维统计网格的大小，可以在数据量较小的情况下，粗略估计各三维统计网格的多径干扰判定指标。随着输入数据量的增大，可缩小三维统计网格的大小，得到精细化的多径干扰判定指标，做到更为精准地判定电离层闪烁中的多径干扰。
划分模块804，用于将结果数据按照方位角、仰角以及所处时间段划分至三维统计网格作为样本数据集。
遍历模块805，用于遍历样本数据集。
聚类模块806，使用聚类算法确定三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限。
比如，图6中的时空坐标系参数为：方位角范围为0～360°，仰角范围为0～90°，观测时间范围为0～43080s。图6中的三维统计网格参数为：方位角步长dα＝2°、仰角步长dθ＝2°和观测时间步长dt＝1436s。图6中共有55个样本，对这55个样本使用聚类算法来确电离层闪烁指数多径干扰判定门限。比如，该电离层闪烁指数多径干扰判定门限为0.038158和0.068025，则电离层闪烁多径干扰判断区间为0.038158～0.068025，一旦电离层闪烁指数属于图6所示的三维统计网格，并且0.038158≤S4≤0.068025，说明该指数必然受到多径干扰影响，则需要排除。
图6中示出的样本数据集中有55个样本，若样本数据集中样本数量较少时，使用聚类算法的结果不具有参考意义。为使聚类算法的结果更加准确，可以设置预设临界值，当样本数据集中样本数量达到预设临界值时再使用聚类算法。比如将预设临界值设置为10。
如图9所示，电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估装置800还包括：判断模块807、置空模块808和补全模块809。判断模块807，用于在遍历样本数据集时，判断样本数据集中的样本数量是否达到预设临界值。若样本数据集中的样本数量达到预设临界值，聚类模块806使用聚类算法确定三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限。否则，置空模块808将三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限置空，补全模块809待所有三维统计网络遍历完毕后，补全三维统计网格的所有电离层闪烁指数多径干扰判定门限。
聚类模块806具体用于进行以下步骤。
对样本数据集中的电离层闪烁指数进行第一次聚类，并将样本密度出现极大值的个数作为聚类结果中簇的个数。
参照图7所示，图7是图6所示的样本数据集进行第一次聚类后的概率密度分布图，可以看出有2个密度极大值，所以将簇的个数设置为2。
使用第一次聚类得到的簇的个数，对电离层闪烁指数进行第二次聚类，将三维统计网格内样本数据集中的电离层闪烁指数聚类为多个初始簇，并找出包含样本数量最多的目标簇。
以图6和图7为例，对该三维统计网格的所有样本的电离层闪烁指数进行第一次聚类，根据第一次聚类的结果，将簇数设置为2，再进行第二次聚类，得到两个簇DC1和DC2，两个簇DC1和DC2分别包含的样本数为37和18。选取样本数最多的簇DC1，将簇DC1设置为目标簇。
确定目标簇的电离层闪烁指数的聚类中心Cn，以及目标簇内所有样本的电离层闪烁指数到聚类中心Cn的距离dsn。仍以图6和图7为例，计算目标簇中所有样本的电离层闪烁指数到聚类中心C1的距离ds1。
找出所有距离dsn中满足预设标准的最大值dm，并以Cn-dm和Cn+dm作为电离层闪烁指数多径干扰判定门限。该预设标准可以设置为3σ标准，当然也可以采用其他标准。
比如以3σ标准来筛选ds1，得到目标簇内共计36个样本到聚类中心距离满足3σ标准，将距离中的最大值作为该簇电离层闪烁指数多径干扰判定门限的最大带宽dm＝0.01493。
因此，最终得到电离层闪烁多径干扰判断区间为0.038158～0.068025，一旦电离层闪烁指数属于图6所示的三维统计网格，并且满足0.038158≤S4≤0.068025，说明该电离层闪烁指数必然受到多径干扰影响，则需要排除。
具体地，第一次聚类包括核密度估计聚类算法，和/或第二次聚类包括K均值聚类算法。当然，第一次聚类可以采用其他基于密度的聚类算法，第二次聚类也可以采用其他更合适的聚类算法。
补全模块809具体用于：按照观测时间区间进行循环，在仰角和方位角纬度上，利用二维最邻近插值法将置空的电离层闪烁多径干扰门限补充完整。
本发明实施例提供的电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估装置800，仅利用监测站自身数据，通过数据本身的质量情况来描述监测站周围各时空区域的多径干扰情况，并以此作为判断增量数据是否受多径干扰的标准。有效的从数据样本中量化出了不同方位角、仰角以及观测时间范围内受多径影响的电离层闪烁指数的多径干扰判定区间。解决了传统的固定仰角掩角“一刀切”式地筛除观测数据带来的无法准确屏蔽多径影响，甚至造成多径影响筛除“不干净”以及“干净”数据信息丢失等问题。
上述实施例阐明的装置或模块，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便,描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。当然,也可以将实现某功能的模块由多个子模块或子单元组合实现。
本申请还提供了一种电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估设备1000，如图10所示，设备包括存储器1001和处理器1002；存储器1001用于存储计算机可执行指令；处理器1002用于执行计算机可执行指令，能够实现本发明实施例提供的电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法。
本申请还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有可执行指令，计算机执行可执行指令时能够实现本发明实施例提供的电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法。
上述存储介质包括但不限于随机存取存储器(英文：Random Access Memory；简称：RAM)、只读存储器(英文：Read-Only Memory；简称：ROM)、缓存(英文：Cache)、硬盘(英文：Hard Disk Drive；简称：HDD)或者存储卡(英文：Memory Card)。存储器可以用于存储计算机程序指令。
本申请中的方法、装置或模块可以以计算机可读程序代码方式实现控制器按任何适当的方式实现，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(英文：Application Specific Integrated Circuit；简称：ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式，控制器的例子包括但不限于以下微控制器：ARC 625D、AtmelAT91SAM、Microchip PIC18F26K20以及Silicone Labs C8061F320，存储器控制器还可以被实现为存储器的控制逻辑的一部分。本领域技术人员也知道,除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
本申请装置中的部分模块可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、类等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中,程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的硬件的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,也可以通过数据迁移的实施过程中体现出来。该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，移动终端，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
本说明书中的各个实施方式采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。本申请的全部或者部分可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、移动通信终端、多处理器系统、基于微处理器的系统、可编程的电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法，其特征在于，包括：
采集原始数据，所述原始数据包括卫星观测数据和星历数据；
根据所述原始数据计算结果数据，所述结果数据包括固定时间间隔的电离层闪烁指数，以及所述电离层闪烁指数每个输出时刻的卫星的位置、仰角和方位角；
构建时空坐标系，并对所述时空坐标系按照预设的方位角步长、仰角步长和观测时间步长进行三维划分，形成三维统计网格；
将所述结果数据按照方位角、仰角以及所处时间段划分至所述三维统计网格作为样本数据集；
遍历所述样本数据集；
使用聚类算法确定所述三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限。
2.根据权利要求1所述的电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法，其特征在于，所述根据所述原始数据计算结果数据包括：
以固定时间间隔计算并输出所述电离层闪烁指数；其中，所述电离层闪烁指数的计算公式如下：
Figure FDA0003404267700000011
上式中，S4表示所述电离层闪烁指数，＜SI2＞表示所述固定时间间隔内的信号强度平方的均值；＜SI＞2表示所述固定时间间隔内的信号强度均值的平方；S/N0表示信噪比；
根据所述星历数据计算所述电离层闪烁指数每个输出时刻的卫星的位置；
根据监测站接收机天线的相位中心位置，计算所述电离层闪烁指数每个输出时刻的卫星的仰角和方位角。
3.根据权利要求1所述的电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法，其特征在于，所述构建时空坐标系包括：
以监测站信号接收天线的相位中心，以及卫星的仰角、方位角和基于卫星运行周期的观测时间为基准，建立所述时空坐标系。
4.根据权利要求1所述的电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法，其特征在于，所述使用聚类算法确定所述三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限包括：
对所述样本数据集中的所述电离层闪烁指数进行第一次聚类，并将样本密度出现极大值的个数作为聚类结果中簇的个数；
使用所述第一次聚类得到的簇的个数，对所述电离层闪烁指数进行第二次聚类，将所述三维统计网格内所述样本数据集中的所述电离层闪烁指数聚类为多个初始簇，并找出包含样本数量最多的目标簇；
确定所述目标簇的所述电离层闪烁指数的聚类中心Cn，以及所述目标簇内所有样本的所述电离层闪烁指数到所述聚类中心Cn的距离dsn；
找出所有所述距离dsn中满足预设标准的最大值dm，并以Cn-dm和Cn+dm作为所述电离层闪烁指数多径干扰判定门限。
5.根据权利要求4所述的电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法，其特征在于，所述第一次聚类包括核密度估计聚类算法，和/或所述第二次聚类包括K均值聚类算法。
6.根据权利要求1所述的电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法，其特征在于，还包括：
在遍历所述样本数据集时，判断所述样本数据集中的样本数量是否达到预设临界值；
若所述样本数据集中的样本数量达到所述预设临界值，执行所述使用聚类算法确定所述三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限；否则，将所述三维统计网格的所述电离层闪烁指数多径干扰判定门限置空，待所有所述三维统计网络遍历完毕后，补全所述三维统计网格的所有电离层闪烁指数多径干扰判定门限。
7.根据权利要求6所述的电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估方法，其特征在于，所述补全所述三维统计网格的所有电离层闪烁指数多径干扰判定门限包括：
按照观测时间区间进行循环，在仰角和方位角纬度上，利用二维最邻近插值法将置空的所述电离层闪烁多径干扰门限补充完整。
8.一种电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集原始数据，所述原始数据包括卫星观测数据和星历数据；
计算模块，用于根据所述原始数据计算结果数据，所述结果数据包括固定时间间隔的电离层闪烁指数，以及所述电离层闪烁指数每个输出时刻的卫星的位置、仰角和方位角；
构建模块，用于构建时空坐标系，并对所述时空坐标系按照预设的方位角步长、仰角步长和观测时间步长进行三维划分，形成三维统计网格；
划分模块，用于将所述结果数据按照方位角、仰角以及所处时间段划分至所述三维统计网格作为样本数据集；
遍历模块，用于遍历所述样本数据集；
聚类模块，用于使用聚类算法确定所述三维统计网格的电离层闪烁指数多径干扰判定门限。
9.一种电离层闪烁的多径噪声干扰量化评估设备，其特征在于，包括存储器和处理器；
所述存储器用于存储计算机可执行指令；
所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，能够实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有可执行指令，计算机执行所述可执行指令时能够实现如权利要求1-7任一项所述的方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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