CN114355391A - 星基增强系统的电离层监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种星基增强系统的电离层监测方法及装置，涉及卫星导航技术领域，该方法包括：使用单频观测数据和导航电文数据计算第一电离层延迟误差；使用双频观测数据计算第二电离层延迟误差；判断第一电离层延迟误差和第二电离层延迟误差的差值是否达到预设监测阈值；若差值达到预设监测阈值，确定电离层监测结果为异常；若差值未达到预设监测阈值，确定电离层监测结果为正常。本申请提供的技术方案克服了单频模式下因格网点数据不佳而影响定位精度及保护级计算结果的技术问题，使电离层监测结果的判断更加准确，进行保证了定位精度及保护级计算结果的精确性。

Description

星基增强系统的电离层监测方法及装置

技术领域

本申请涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种星基增强系统的电离层监测方法及装置。

背景技术

全球导航卫星系统(英文：Global Navigation Satellite System，简称：GNSS)的日益完善，并且GNSS具有效率高、成本低的特点，越来越多的国家选择采用GNSS进行导航。而在GNSS基础上发展起来的星基增强系统(英文：Satellite-Based AugmentationSystem，简称：SBAS)更以其适用范围广、成本低廉等优点成为各个国家和组织竞相发展的对象。此外,SBAS还能满足国际民航组织对民用航空在精度、完好性、连续性和可用性四个方面的要求,因此许多国家及地区为了给自身广域范围内的用户提供精度更高、完好性更好的导航服务,纷纷建立起了自己的SBAS。中国也在2020年开始建立北斗星基增强系统(英文：BeiDou Satellite-Based Augmentation System，简称：BDSBAS)。

电离层误差作为SBAS中的重要误差源，会给SBAS的定位精度及保护级参数带来较大的影响。目前大部分的SBAS运行在单频模式下，电离层修正量主要采用内插法进行计算，而内插法所计算出的误差值与所选取的格网点之间具有很大的相关性。如果受空间信号影响导致所选取的格网点数据不佳，可能会影响SBAS用户的定位精度及保护级计算结果。

目前，中国的BDSBAS已经全面采用了双频信号体制，所以为克服单频模式下因格网点数据不佳而影响定位精度及保护级计算结果的技术问题，现需要一种星基增强系统的电离层监测方案。

发明内容

本申请实施例通过提供一种星基增强系统的电离层监测方法及装置，解决了单频模式下因格网点数据不佳而影响定位精度及保护级计算结果的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种星基增强系统的电离层监测方法，所述方法包括：使用单频观测数据和导航电文数据计算第一电离层延迟误差；使用双频观测数据计算第二电离层延迟误差；计算所述第一电离层延迟误差和所述第二电离层延迟误差的差值；判断所述差值是否达到预设监测阈值；若所述差值达到所述预设监测阈值，确定电离层监测结果为异常；若所述差值未达到所述预设监测阈值，确定所述电离层监测结果为正常。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述使用单频观测数据和导航电文数据计算第一电离层延迟误差包括：使用所述单频观测数据计算每个时刻的卫星位置；根据所述卫星位置和标定位置计算卫星相对于监测站的仰角与方位角；根据所述仰角、所述方位角以及所述导航电文数据，利用内插法计算所述第一电离层延迟误差。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述使用双频观测数据计算第二电离层延迟误差包括：使用所述双频观测数据进行Ionosphere-free码载波平滑得到消除电离层延迟误差的数值，并将所述消除电离层延迟误差的数值与所述双频观测数据做差得到所述第二电离层误差。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：将所述单频观测数据、所述双频观测数据、所述导航电文数据和所述电离层监测结果存储至数据库。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：使用存储于所述数据库中的所述单频观测数据、所述双频观测数据、所述导航电文数据和所述电离层监测结果，并采用高斯分布阈值统计法进行训练，以修正所述预设监测阈值。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：将所述电离层监测结果输出至信息发布终端。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：当所述电离层监测结果为异常时，向信息发布终端发送告警提示信息。

第二方面，本申请实施例提供了一种星基增强系统的电离层监测装置，所述装置包括：第一计算模块，用于使用单频观测数据和电离层延迟参数计算第一电离层延迟误差；第二计算模块，用于使用双频观测数据计算第二电离层延迟误差；差值计算模块，用于计算所述第一电离层延迟误差和所述第二电离层延迟误差的差值；判断模块，用于判断所述差值是否达到预设监测阈值；结果确定模块，用于在所述差值达到所述预设监测阈值时确定电离层监测结果为异常，在所述差值未达到所述预设监测阈值时确定所述电离层监测结果为正常。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述第一计算模块具体用于：使用所述单频观测数据计算每个时刻的卫星位置；根据所述卫星位置和标定位置计算卫星相对于监测站的仰角与方位角；根据所述仰角、所述方位角以及所述导航电文数据，利用内插法计算所述第一电离层延迟误差。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述第二计算模块具体用于：使用所述双频观测数据进行Ionosphere-free码载波平滑得到消除电离层延迟误差的数值，并将所述消除电离层延迟误差的数值与所述双频观测数据做差得到所述第二电离层误差。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：存储模块，用于将所述单频观测数据、所述双频观测数据、所述导航电文数据和所述电离层监测结果存储至数据库。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：修正模块，用于使用存储于所述数据库中的所述单频观测数据、所述双频观测数据、所述导航电文数据和所述电离层监测结果，并采用高斯分布阈值统计法进行训练，以修正所述预设监测阈值。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：输出模块，用于将所述电离层监测结果输出至信息发布终端。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：告警模块，用于当所述电离层监测结果为异常时，向信息发布终端发送告警提示信息。

第三方面，本申请实施例提供了一种星基增强系统的电离层监测设备，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，能够实现如第一方面及第一方面任一种可能的实现方式所述的方法。

第四方面，本申请实施例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如第一方面及第一方面任一种可能的实现方式所述的方法。

本申请实施例中提供技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例提供了一种星基增强系统的电离层监测方法，该方法计算得出单频模式下的第一电离层延迟误差和双频模式下的第二电离层延迟误差，并将第一电离层延迟误差和第二电离层延迟误差的差值与预设监测阈值进行比较，通过比较结果判断电离层监测结果是否正常。该方法既使用了单频观测数据，又使用了双频观测数据，克服了单频模式下因格网点数据不佳而影响定位精度及保护级计算结果的技术问题，使电离层监测结果的判断更加准确，进行保证了定位精度及保护级计算结果的精确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本申请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为本申请实施例提供的星基增强系统的电离层监测设备的应用场景；

图2为本申请实施例提供的星基增强系统的电离层监测方法的流程图；

图3为本申请实施例提供的计算第一电离层延迟误差的流程图；

图4A为本申请实施例提供的星基增强系统的电离层监测装置的结构示意图一；

图4B为本申请实施例提供的星基增强系统的电离层监测装置的结构示意图二；

图5为本申请实施例提供的星基增强系统的电离层监测设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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。

电离层是受太阳高能辐射以及宇宙线的激励而电离的大气高层，电离层内存在有自由电子和离子，能够使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射。

本申请实施例提供了一种星基增强系统的电离层监测方法，该方法能够应用于星基增强系统的电离层监测设备500中。图1示出了星基增强系统的电离层监测设备500的应用场景，信号接收设备600接收卫星900下发的观测信号和导航电文，并对观测信号和导航电文进行解析后传输给星基增强系统的电离层监测设备500，星基增强系统的电离层监测设备500将单频观测数据、双频观测数据导航电文数据和电离层监测结果存储至数据库700，信息发布终端800与数据库700连接，能够显示电离层监测结果。

该星基增强系统的电离层监测设备500的具体结构如图5所示，该设备包括存储器501和处理器502；存储器501用于存储历史数据；处理器501用于执行计算机可执行指令，能够实现本申请实施例提供的方法。

如图1所示，本申请实施例提供的星基增强系统的电离层监测方法包括步骤S201至步骤S205。

步骤S201、使用单频观测数据和导航电文数据计算第一电离层延迟误差。

具体地，单频观测数据包括单频模式下的伪距测量数据、载波测量数据等；导航电文数据是由导航卫星播发给用户的用来描述导航卫星运行状态参数的电文，包括系统时间、星历数据、历书、卫星时钟的修正参数、导航卫星健康状况和电离层延时模型参数等。

步骤S201计算第一电离层延迟误差时具体包括如图3所示的步骤S301至步骤S303。

步骤S301、使用单频观测数据计算每个时刻的卫星位置。

步骤S302、根据卫星位置和标定位置计算卫星相对于监测站的仰角与方位角。

步骤S303、根据仰角、方位角以及导航电文数据，利用内插法计算第一电离层延迟误差。具体地，计算第一电离层延迟误差时可采用Bent模型、IRI模型、Klobuchar模型等。

步骤S202、使用双频观测数据计算第二电离层延迟误差。具体地，计算第二电离层延迟误差时，采用使用双频观测数据进行Ionosphere-free码载波平滑得到消除电离层延迟误差的数值，并将消除电离层延迟误差的数值与双频观测数据做差得到第二电离层误差。

步骤S203、计算第一电离层延迟误差和第二电离层延迟误差的差值。

步骤S204、判断差值是否达到预设监测阈值。

若差值达到预设监测阈值，执行步骤S205、确定电离层监测结果为异常。

若差值未达到预设监测阈值，执行步骤S206、确定电离层监测结果为正常。

本申请实施例还包括：将单频观测数据、双频观测数据、导航电文数据和电离层监测结果存储至数据库。避免了数据丢失，也方便了后期对数据的获取和分析。

本申请实施例还包括：使用存储于数据库中导航电文数据和电离层监测结果，并采用高斯分布阈值统计法进行训练，以修正预设监测阈值。修正后的预设监测阈值能够使得确定的电离层监测结果更加准确。

本申请实施例还包括：将电离层监测结果输出至信息发布终端。该步骤使电离层监测结果的信息可视化，电离层监测结果直接显示在信息发布终端800的屏幕上。具体过程可以参照图1所示的应用场景，将电离层监测结果存储于数据库700后再输出至信息发布终端800；也可以直接将电离层监测结果直接发送至信息发布终端800。

本申请实施例还包括：当电离层监测结果为异常时，向信息发布终端发送告警提示信息。信息发布终端800接收到告警提示信息后，发出包括告警文字提示、告警声音提示、告警振动提示等方式中的一种或多种提示方式。

本申请实施例还包括：从卫星信号接收设备中获取单频观测数据、双频观测数据和导航电文数据。

本申请实施例提供的方法计算得出单频模式下的第一电离层延迟误差和双频模式下的第二电离层延迟误差，并将第一电离层延迟误差和第二电离层延迟误差的差值与预设监测阈值进行比较，通过比较结果判断电离层监测结果是否正常。该方法既使用了单频观测数据，又使用了双频观测数据，克服单频模式下因格网点数据不佳而影响定位精度及保护级计算结果的技术问题，使电离层监测结果的判断更加准确，进行保证了定位精度及保护级计算结果的精确性。

虽然本申请提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，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)。

如图4A所示，本申请实施例提供了一种星基增强系统的电离层监测装置400。该装置包括第一计算模块401、第二计算模块402、差值计算模块403、判断模块404和结果确定模块405。

第一计算模块401用于使用单频观测数据和电离层延迟参数计算第一电离层延迟误差。具体地，第一计算模块401计算第一电离层延迟误差时可采用Bent模型、IRI模型、Klobuchar模型等。

第一计算模块401具体用于：使用单频观测数据计算每个时刻的卫星位置；根据卫星位置和标定位置计算卫星相对于监测站的仰角与方位角；根据仰角、方位角以及导航电文数据，利用内插法计算第一电离层延迟误差。

第二计算模块402用于使用双频观测数据计算第二电离层延迟误差。具体地，第二计算模块402计算第二电离层延迟误差时，使用双频观测数据进行Ionosphere-free码载波平滑得到消除电离层延迟误差的数值，并将消除电离层延迟误差的数值与双频观测数据做差得到第二电离层误差。

差值计算模块403用于计算第一电离层延迟误差和第二电离层延迟误差的差值。判断模块404用于判断差值是否达到预设监测阈值。

结果确定模块405用于在差值达到预设监测阈值时确定电离层监测结果为异常，在差值未达到预设监测阈值时确定电离层监测结果为正常。

如图4B所示，本申请提供的星基增强系统的电离层监测装置还包括存储模块406、修正模块407、输出模块408、告警模块409和接收模块410。

存储模块406用于将导航电文数据和电离层监测结果存储至数据库700。存储模块406避免了数据丢失，也方便了后期对数据的获取和分析。

修正模块407用于使用存储于数据库中的单频观测数据、双频观测数据、导航电文数据和电离层监测结果，并采用高斯分布阈值统计法进行训练，以修正预设监测阈值。修正模块407使修正后的预设监测阈值能够使得确定的电离层监测结果更加准确。

输出模块408用于将电离层监测结果输出至信息发布终端。输出模块408使电离层监测结果的信息可视化，电离层监测结果直接显示在信息发布终端800的屏幕上。具体过程可以参照图1所示的应用场景，将电离层监测结果存储于数据库700后再输出至信息发布终端800；也可以直接将电离层监测结果直接发送至信息发布终端800。

告警模块409用于当电离层监测结果为异常时，向信息发布终端发送告警提示信息。信息发布终端800接收到告警提示信息后，发出包括告警文字提示、告警声音提示、告警振动提示等方式中的一种或多种提示方式。

接收模块410用于从卫星信号接收设备600中获取单频观测数据、双频观测数据和导航电文数据。

本申请实施例提供的星基增强系统的电离层监测装置400计算得出单频模式下的第一电离层延迟误差和双频模式下的第二电离层延迟误差，并将第一电离层延迟误差和第二电离层延迟误差的差值与预设监测阈值进行比较，通过比较结果判断电离层监测结果是否正常。该装置既使用了单频观测数据，又使用了双频观测数据，克服单频模式下因格网点数据不佳而影响定位精度及保护级计算结果的技术问题，使电离层监测结果的判断更加准确，进行保证了定位精度及保护级计算结果的精确性。

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。

本申请中所述的方法、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、Atmel AT91SAM、Microchip PIC18F26K20以及Silicone Labs C8051F320，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。

本申请所述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。

本申请实施例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历史数据，计算机执行可执行指令时能够实现本申请实施例提供的星基增强系统的电离层监测方法。

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)。所述存储器可以用于存储计算机程序指令。

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所述的方法。

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)

1.一种星基增强系统的电离层监测方法，其特征在于，包括：

使用单频观测数据和导航电文数据计算第一电离层延迟误差；

使用双频观测数据计算第二电离层延迟误差；

计算所述第一电离层延迟误差和所述第二电离层延迟误差的差值；

判断所述差值是否达到预设监测阈值；

若所述差值达到所述预设监测阈值，确定电离层监测结果为异常；若所述差值未达到所述预设监测阈值，确定所述电离层监测结果为正常。

2.根据权利要求1所述的星基增强系统的电离层监测方法，其特征在于，所述使用单频观测数据和导航电文数据计算第一电离层延迟误差包括：

使用所述单频观测数据计算每个时刻的卫星位置；

根据所述卫星位置和标定位置计算卫星相对于监测站的仰角与方位角；

根据所述仰角、所述方位角以及所述导航电文数据，利用内插法计算所述第一电离层延迟误差。

3.根据权利要求1所述的星基增强系统的电离层监测方法，其特征在于，所述使用双频观测数据计算第二电离层延迟误差包括：

使用所述双频观测数据进行Ionosphere-free码载波平滑得到消除电离层延迟误差的数值，并将所述消除电离层延迟误差的数值与所述双频观测数据做差得到所述第二电离层误差。

4.根据权利要求1所述的星基增强系统的电离层监测方法，其特征在于，还包括：将所述单频观测数据、所述双频观测数据、所述导航电文数据和所述电离层监测结果存储至数据库。

5.根据权利要求4所述的星基增强系统的电离层监测方法，其特征在于，还包括：使用存储于所述数据库中的所述单频观测数据、所述双频观测数据、所述导航电文数据和所述电离层监测结果，并采用高斯分布阈值统计法进行训练，以修正所述预设监测阈值。

6.根据权利要求1所述的星基增强系统的电离层监测方法，其特征在于，还包括：将所述电离层监测结果输出至信息发布终端。

7.根据权利要求1所述的星基增强系统的电离层监测方法，其特征在于，还包括：当所述电离层监测结果为异常时，向信息发布终端发送告警提示信息。

8.一种星基增强系统的电离层监测装置，其特征在于，包括：

第一计算模块，用于使用单频观测数据和电离层延迟参数计算第一电离层延迟误差；

第二计算模块，用于使用双频观测数据计算第二电离层延迟误差；

判断模块，用于判断所述第一电离层延迟误差和所述第二电离层延迟误差的差值是否达到预设监测阈值；

结果确定模块，用于在所述差值达到所述预设监测阈值时确定电离层监测结果为异常，在所述差值未达到所述预设监测阈值时确定所述电离层监测结果为正常。

9.一种星基增强系统的电离层监测设备，其特征在于，包括存储器和处理器；

所述存储器用于存储历史数据；

所述处理器用于执行计算机可执行指令，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历史数据，计算机执行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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