CN114879232A - 一种gnss无线电掩星探测仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及GNSS信息处理技术领域，提供了一种GNSS无线电掩星探测仿真系统。该方法包括：任务预处理模块，接收并将掩星任务仿真配置输入和进行所有格式转换操作之后获得的仿真结果进行预处理之后生成的配置过程文件传至所述可视化模块、所述GNSS仿真模块和所述LEO仿真模块；大气层反演模块和电离层反演模块接收并将由信息传播模块、GNSS仿真模块、LEO仿真模块和误差仿真模块的各种延迟信息进行仿真结果反演大气层产品，并将获得的大气层反演结果传至于所述结果处理模块，可视化模块接收反演结果并进行动态化展显示。本发明系统解决了通用性差，单GNSS情况居多，仿真过程与结果无法实时可视化展示缺少直观性等特点。
Description
技术领域
本发明涉及GNSS信息处理技术领域，尤其涉及一种GNSS无线电掩星探测仿真系统。
背景技术
GNSS无线电掩星探测技术是指GNSS卫星发射的导航信号被地球所遮蔽，经过地球大气层和电离层后到达低轨卫星的大气层和电离层临边探测方法。利用低轨卫星接收到的GNSS掩星信号可以反演获取大气层和电离层的物理参量。GNSS无线电掩星探测技术作为一种新兴的探测手段，具备全天时、全天候、低成本、自校准和高垂直分辨率等技术特点。通过GNSS掩星技术所生成的大气层和电离层产品在大气物理研究、气候学研究、电离层物理研究等领域有着重要作用，为提升数值天气预报精度和空间天气时间监测提供重要数据支持。
全球GNSS系统包含中国的北斗卫星导航系统、美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo四大系统，各个系统已经包括上百颗在轨卫星。随着低轨卫星应用的不断发展，使用掩星技术成为临近空间探索一种重要手段。太空中携带掩星载荷的低轨卫星数量日益增加，将会产生大量的掩星观测数据。因此如何科学地规划低轨卫星掩星探索任务愈加重要。目前的GNSS掩星任务规划中存在以下问题是面向掩星任务需求专用性较高，通用性差；只考虑单GNSS情况居多；仿真过程与结果不能实时可视化展示缺少直观性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种GNSS无线电掩星探测仿真系统，以解决现有技术中面向掩星任务需求专用性较高，通用性差、单GNSS情况居多、仿真过程与结果无法实时可视化展示缺少直观性的问题。
本发明提供了一种GNSS无线电掩星探测仿真系统，包括：
仿真配置输入模块、数据输入模块、任务预处理模块、信号传播仿真模块、GNSS仿真模块、LEO仿真模块、误差仿真模块、大气层反演模块、电离层反演模块、结果处理模块以及可视化模块，
所述大气层反演模块，根据所述GNSS仿真模块与所述LEO仿真模块分别输出的GNSS卫星位置信息和LEO卫星位置信息，在用户设定GNSS信号传播模式下增加依据探索任务设定的不同误差项，当判断出现大气层掩星事件后，将利用所述仿真配置输入模块、所述数据输入模块、所述任务预处理模块、所述信号传播仿真模块、所述GNSS仿真模块、所述LEO仿真模块和所述误差仿真模块的延迟信息，进行仿真结果反演大气层产品，并将获得的大气层反演结果传至于所述结果处理模块；
所述电离层反演模块，根据所述GNSS仿真模块和所述LEO仿真模块分别输出的GNSS卫星位置信息和LEO卫星位置信息，在用户设定GNSS信号传播模式下增加依据探索任务设定的不同误差项，当判断出现电离层掩星事件后，将利用所述仿真配置输入模块、所述数据输入模块、所述任务预处理模块、所述信号传播仿真模块、所述GNSS仿真模块、所述LEO仿真模块和所述误差仿真模块的延迟信息，进行仿真结果反演电离层产品，并将获得的电离层反演结果传至于所述结果处理模块；
所述结果处理模块，将所述大气层反演结果和所述电离层反演结果保存为通用标准的NC文件，并将接收到的所述大气层反演结果和所述电离层反演结果进行仿真产品输出，用于分析掩星反演结果，进行精度统计与对比；
所述可视化模块，在GNSS无线电掩星探测仿真系统获取掩星任务仿真配置输入后，进行所述GNSS卫星和所述LEO卫星可视化结果输出，将掩星发生位置与时间直观地进行展示，并在所述大气层反演结果和所述电离层反演结果由所述结果处理模块输出后，将所述大气层反演结果和所述电离层反演结果进行可视化输出。
进一步地，所述误差仿真模块中误差项信息仿真，包括：大气层误差仿真
和电离层误差仿真。
进一步地，所述GNSS仿真模块包括：定轨子模块，用于给定掩星任务仿真配置输入进行GNSS轨道参数仿真。
进一步地，所述LEO仿真模块包括：定轨子模块，用于掩星仿真参数下的轨道参数确定。
进一步地，所述大气层反演模块中大气层产品包括大气层温湿压廓线。
进一步地，所述电离层反演模块中电离层产品包括电子密度廓线。
进一步地，所述结果处理模块，将接收到的所述大气层反演结果和所述电离层反演结果经进行仿真产品输出之后，还包括将所述大气层反演结果和所述电离层反演结果与GNSS无线电掩星探测仿真系统仿真真值进行验证，并将验证结果格式化输出。
进一步地，所述可视化模块以动态显示GNSS卫星与低轨卫星位置，并根据所述GNSS卫星与所述低轨卫星位置关系示意仿真掩星事件，显示所述大气层产品和所述电离层产品。
进一步地，所述可视化模块中的显示，包括大气层温湿压廓线和电子密度廓线。
进一步地，所述可视化模块中的显示，是将仿真过程与所述大气层反演结果和所述电离层反演结果与GNSS无线电掩星探测仿真系统仿真真值进行验证的结果进行实施展示的。
本发明与现有技术相比存在的有益效果是：
1.本发明所提出的GNSS掩星探测仿真系统，仿真环节覆盖从掩星任务规划到掩星产品反演全流程，同时还具备可视化展示的直观特点；
2.本发明采用模块化设计，将GNSS卫星，低轨卫星分开进行模块化仿真，并且针对掩星探测任务的不同范围将大气反演模块与电离层反演模块相独立，增加了仿真系统的适用性；
3.本发明误差仿真模块可以根据具体任务需求在不同环节增加相应误差条件，增加仿真准确性；
4.本发明中不同模块直接相互独立且通过网络通讯，增加了系统的鲁棒性与运行效率，可视化系统可以直观地从掩星事件发生到反演全过程的展示。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对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，下面描述中的附图仅仅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它的附图。
图1是本发明提供的一种GNSS无线电掩星探测仿真系统结构示意图；
图2是本发明提供的大气层温压廓线产品示意图；
图3是本发明提供的电离层电子密度廓线示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
下面将结合附图详细说明根据本发明的一种GNSS无线电掩星探测仿真系统。
图1是本发明提供的一种GNSS无线电掩星探测仿真系统结构示意图。
如图1所示，该GNSS无线电掩星探测仿真系统包括：
仿真配置输入模块、数据输入模块、任务预处理模块、信号传播仿真模块、GNSS仿真模块、LEO仿真模块、误差仿真模块、大气层反演模块、电离层反演模块、结果处理模块以及可视化模块，
数据输入模块，用于输入仿真数据和将进行所有格式转换操作之后获得的仿真结果传至于误差仿真模块和任务预处理模块；
仿真配置输入模块，用于掩星任务仿真配置输入，并将掩星任务仿真配置输入传至于信号传播仿真模块和任务预处理模块；
任务预处理模块，接收并将掩星任务仿真配置输入和进行所有格式转换操作之后获得的仿真结果进行预处理，检查有无格式以及基本逻辑错误之后生成的配置过程文件传至可视化模块、GNSS仿真模块和LEO仿真模块；
GNSS仿真模块，用于将接收到的由任务预处理模块输出的配置过程文件，生成GNSS卫星位置信息、速度信息及钟差信息，进行GNSS卫星轨道及信号发射仿真，并将GNSS卫星位置信息传至于大气层反演模块和电离层反演模块；
GNSS仿真模块包括：定轨子模块，用于给定掩星任务仿真配置输入进行GNSS轨道参数仿真。
LEO仿真模块，用于将经过任务预处理模块预处理后的掩星任务仿真配置输入，生成低轨卫星的轨道信息和钟差信息，并将低轨卫星的轨道信息和钟差信息传至于大气层反演模块和电离层反演模块；
LEO仿真模块包括：定轨子模块，用于掩星仿真参数下的轨道参数确定。
信号传播仿真模块，用于通过掩星任务仿真任务配置输入，进行GNSS信号由导航卫星到低轨卫星的仿真工作；
负责采用任务预处理模块输出的仿真配置，生成低轨卫星的轨道信息与钟差信息，轨道信息中包括低轨卫星的位置信息和速度信息。
信号传播仿真模块由仿真任务配置进行GNSS信号传播过程仿真。
误差仿真模块，用于由掩星任务仿真配置输入在GNSS卫星、LEO卫星和信号传播中误差项信息仿真；
误差仿真模块中误差项信息仿真，包括：大气层误差仿真和电离层误差仿真。
误差仿真模块可以面向多GNSS情况适用。
大气层反演模块，根据GNSS仿真模块与LEO仿真模块分别输出的GNSS卫星位置信息和LEO卫星位置信息，在用户设定GNSS信号传播模式下增加依据探索任务设定的不同误差项，当判断出现大气层掩星事件后，将利用仿真配置输入模块、数据输入模块、任务预处理模块、信号传播仿真模块、GNSS仿真模块、LEO仿真模块和误差仿真模块的延迟信息，进行仿真结果反演大气层产品，并将获得的大气层反演结果传至于结果处理模块；
大气层反演模块中大气层产品包括大气层温湿压廓线。
电离层反演模块，根据GNSS仿真模块和LEO仿真模块分别输出的GNSS卫星位置信息和LEO卫星位置信息，在用户设定GNSS信号传播模式下增加依据探索任务设定的不同误差项，当判断出现电离层掩星事件后，将利用仿真配置输入模块、数据输入模块、任务预处理模块、信号传播仿真模块、GNSS仿真模块、LEO仿真模块和误差仿真模块的延迟信息，进行仿真结果反演电离层产品，并将获得的电离层反演结果传至于结果处理模块；
电离层反演模块中电离层产品包括电子密度廓线。该模块解决专用性高通用性差的问题。
结果处理模块，将大气层反演结果和电离层反演结果保存为通用标准的NC文件，并将接收到的大气层反演结果和电离层反演结果进行仿真产品输出，用于分析掩星反演结果，进行精度统计与对比；
其中，将大气层反演结果和电离层反演结果保存为通用标准的NC文件，便于仿真系统与用户其他业务系统相连接。将验证结果格式化输出，便于可视化模块进行直观展示与用户进行仿真结果查看与分析。
结果处理模块，将接收到的大气层反演结果和电离层反演结果经进行仿真产品输出之后，还包括将大气层反演结果和电离层反演结果与GNSS无线电掩星探测仿真系统仿真真值进行验证，并将验证结果格式化输出。
可视化模块，在GNSS无线电掩星探测仿真系统获取掩星任务仿真配置输入后，进行GNSS卫星和LEO卫星可视化结果输出，将掩星发生位置与时间直观地进行展示，并在大气层反演结果和电离层反演结果由结果处理模块输出后，将大气层反演结果和电离层反演结果进行可视化输出。
可视化模块以动态显示GNSS卫星与低轨卫星位置，并根据GNSS卫星与低轨卫星位置关系示意仿真掩星事件，显示大气层产品和电离层产品。
可视化模块中的显示，包括大气层温湿压廓线和电子密度廓线。
可视化模块中的显示，是将仿真过程与大气层反演结果和电离层反演结果与GNSS无线电掩星探测仿真系统仿真真值进行验证的结果进行实施展示的。
图2是本发明提供的大气层温压廓线产品示意图。图2说明了掩星探测仿真系统在大气探测仿真的准确性。
图3是本发明提供的电离层电子密度廓线示意图。图3说明了仿真系统在电离层探测仿真的准确性。
实施例1
如图1所示，数据输入模块输入了GNSS卫星仿真参数包含GNSS卫星初始sp3轨道参数与钟差clk参数、LEO卫星仿真参数包含LEO钟差clk参数与sp3轨道参数、信号传播模型参数包含信号传播中的介质模型，包括不同电离层传播模式如IRI传播模式或者Nequick传播模式，并将GNSS卫星仿真参数、LEO卫星仿真参数传至于任务预处理模块,卫星仿真参数中包括卫星质量、体积及形状参数，将信号传播模型参数中的群时延、衰落及多普勒参数传递至信号传播仿真模块；(钟差参数以及轨道参数均为IGS国际标准SP3或clk格式给出)
仿真配置输入模块输入包括仿真任务起止时间、信号传播模式参数如信号计划方式、信号发射功率与信号传递衰减、信号传播误差参数配置，然后上述两模块将本身数据传至于任务预处理模块，任务预处理模块接收到数据输入模块以及仿真配置，计算GNSS卫星与LEO卫星在协议地球坐标系的位置参数，根据卫星位置信息进行掩星是否发生基本判断，若GNSS卫星与LEO卫星连线切于地球大气层或电离层则存在掩星现象，系统进行后续仿真任务；
任务预处理模块在接收到上述两模块数据之后，预处理GNSS卫星仿真参数、LEO卫星仿真参数，根据仿真任务起止时间进行预处理，并将经过预处理核验的GNSS仿真参数和LEO仿真参数转化为卫星轨道参数信息传至GNSS仿真模块和LEO仿真模块进行GNSS与LEO卫星轨道位置仿真；
信号传播模块将接收到的信号传播模式参数以及数据输入模块传递的信号传播模型参数信息通过传播仿真构建信号传播误差仿真结果，GNSS仿真模块将接收到的GNSS卫星仿真参数经过轨道信息仿真、LEO仿真模块将接收到的LEO卫星仿真参数进行LEO轨道信息仿真，上述四个模块经过处理的GNSS卫星轨道数据、LEO卫星轨道数据、信号传播仿真结果、误差仿真结果传至于大气层反演模块和电离层反演模块；
大气层反演模块和电离层反演模块将GNSS卫星轨道数据、LEO卫星轨道数据、信号传播仿真结果、误差仿真结果进行大气层或者电离层掩星结果判断，将发生掩星时刻的上述参数传递至结果处理模块经过掩星仿真后输出掩星仿真结果，经数据处理模块的掩星仿真结果传至可视化模块，可视化模块最终展示的具体的大气反演的大气温压强廓线和电离层电子密度廓线信息。
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本申请的可选实施例，在此不再一一赘述。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GNSS无线电掩星探测仿真系统，其特征在于，包括：仿真配置输入模块、数据输入模块、任务预处理模块、信号传播仿真模块、GNSS仿真模块、LEO仿真模块、误差仿真模块、大气层反演模块、电离层反演模块、结果处理模块以及可视化模块，
所述数据输入模块，用于输入仿真数据和将进行所有格式转换操作之后获得的仿真结果传至于所述误差仿真模块和所述任务预处理模块；
所述仿真配置输入模块，用于掩星任务仿真配置输入，并将所述掩星任务仿真配置输入传至于所述信号传播仿真模块和所述任务预处理模块；
所述任务预处理模块，接收并将所述掩星任务仿真配置输入和进行所有格式转换操作之后获得的仿真结果进行预处理，检查有无格式以及基本逻辑错误之后生成的配置过程文件传至所述可视化模块、所述GNSS仿真模块和所述LEO仿真模块；
所述GNSS仿真模块，用于将接收到的由所述任务预处理模块输出的所述配置过程文件，生成GNSS卫星位置信息、速度信息及钟差信息，进行GNSS卫星轨道及信号发射仿真，并将所述GNSS卫星位置信息传至于所述大气层反演模块和所述电离层反演模块；
所述LEO仿真模块，用于将经过所述任务预处理模块预处理后的掩星任务仿真配置输入，生成低轨卫星的轨道信息和钟差信息，并将所述低轨卫星的轨道信息和所述钟差信息传至于所述大气层反演模块和所述电离层反演模块；
所述信号传播仿真模块，用于通过掩星任务仿真任务配置输入，进行GNSS信号由导航卫星到低轨卫星的仿真工作；
所述误差仿真模块，用于由所述掩星任务仿真配置输入在GNSS卫星、LEO卫星和信号传播中误差项信息仿真；
所述大气层反演模块，根据所述GNSS仿真模块与所述LEO仿真模块分别输出的GNSS卫星位置信息和LEO卫星位置信息，在用户设定GNSS信号传播模式下增加依据探索任务设定的不同误差项，当判断出现大气层掩星事件后，将利用所述仿真配置输入模块、所述数据输入模块、所述任务预处理模块、所述信号传播仿真模块、所述GNSS仿真模块、所述LEO仿真模块和所述误差仿真模块的延迟信息，进行仿真结果反演大气层产品，并将获得的大气层反演结果传至于所述结果处理模块；
所述电离层反演模块，根据所述GNSS仿真模块和所述LEO仿真模块分别输出的GNSS卫星位置信息和LEO卫星位置信息，在用户设定GNSS信号传播模式下增加依据探索任务设定的不同误差项，当判断出现电离层掩星事件后，将利用所述仿真配置输入模块、所述数据输入模块、所述任务预处理模块、所述信号传播仿真模块、所述GNSS仿真模块、所述LEO仿真模块和所述误差仿真模块的延迟信息，进行仿真结果反演电离层产品，并将获得的电离层反演结果传至于所述结果处理模块；
所述结果处理模块，将所述大气层反演结果和所述电离层反演结果保存为通用标准的NC文件，并将接收到的所述大气层反演结果和所述电离层反演结果进行仿真产品输出，用于分析掩星反演结果，进行精度统计与对比；
所述可视化模块，在GNSS无线电掩星探测仿真系统获取掩星任务仿真配置输入后，进行所述GNSS卫星和所述LEO卫星可视化结果输出，将掩星发生位置与时间直观地进行展示，并在所述大气层反演结果和所述电离层反演结果由所述结果处理模块输出后，将所述大气层反演结果和所述电离层反演结果进行可视化输出。
2.根据权利要求1所述的GNSS无线电掩星探测仿真系统，其特征在于，所述误差仿真模块中误差项信息仿真，包括：大气层误差仿真和电离层误差仿真。
3.根据权利要求1所述的GNSS无线电掩星探测仿真系统，其特征在于，所述GNSS仿真模块包括：定轨子模块，用于给定掩星任务仿真配置输入进行GNSS轨道参数仿真。
4.根据权利要求1所述的GNSS无线电掩星探测仿真系统，其特征在于，所述LEO仿真模块包括：定轨子模块，用于掩星仿真参数下的轨道参数确定。
5.根据权利要求1所述的GNSS无线电掩星探测仿真系统，其特征在于，所述大气层反演模块中大气层产品包括大气层温湿压廓线。
6.根据权利要求1所述的GNSS无线电掩星探测仿真系统，其特征在于，所述电离层反演模块中电离层产品包括电子密度廓线。
7.根据权利要求1所述的GNSS无线电掩星探测仿真系统，其特征在于，所述结果处理模块，将接收到的所述大气层反演结果和所述电离层反演结果经进行仿真产品输出之后，还包括将所述大气层反演结果和所述电离层反演结果与GNSS无线电掩星探测仿真系统仿真真值进行验证，并将验证结果格式化输出。
8.根据权利要求1所述的GNSS无线电掩星探测仿真系统，其特征在于，所述可视化模块以动态显示GNSS卫星与低轨卫星位置，并根据所述GNSS卫星与所述低轨卫星位置关系示意仿真掩星事件，显示所述大气层产品和所述电离层产品。
9.根据权利要求1所述的GNSS无线电掩星探测仿真系统，其特征在于，所述可视化模块中的显示，包括大气层温湿压廓线和电子密度廓线。
10.根据权利要求8所述的GNSS无线电掩星探测仿真系统，其特征在于，所述可视化模块中的显示，是将仿真过程与所述大气层反演结果和所述电离层反演结果与GNSS无线电掩星探测仿真系统仿真真值进行验证的结果进行实施展示的。
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