CN115524720A - 一种gnss信号中的电离层闪烁和多路径误差区分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差区分方法，属于信号通讯技术领域。首先GNSS监测站的连续数据，对数据进行预处理；利用六阶巴特沃斯滤波、载波相位平滑伪距和TEQC，计算电离层闪烁因子和多路径参数；基于电离层闪烁因子和已有经验阈值初步判定受电离层闪烁影响的GNSS观测数据，将数据分类，并计算每类数据内电离层闪烁因子和多路径参数的平均值；构建随卫星高度角和方位角分布图；确定电离层闪烁因子和多路径参数的分布阈值；结合上述阈值和电离层闪烁因子和多路径参数分布，明确电离层闪烁因子和多路径参数的离群值是电离层闪烁或多路径误差，完成对GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差的区分。其步骤简单，具有广泛的实用性。

Description

一种GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差区分方法

技术领域

本发明涉及一种GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差区分方法，属于信号通讯技术领域。

技术背景

电离层闪烁会影响GNSS观测数据质量，带来信号强度减弱甚至失锁问题。电离层闪烁因子是电离层闪烁对GNSS信号影响量级的定量表征，是实现电离层闪烁的监测、建模及预报的基础数据，也是实时修正电离层闪烁造成的定位误差的重要参数。但是电离层闪烁因子所给出的波动不仅与电离层闪烁有关，还受多路径效应影响。Li等人的研究表明电离层闪烁因子与多路径参数具有显著的正相关性，进而可能会由于多路径效应带来的类电离层闪烁信号，Romano等人的研究表明尽管由于多路径效应带来的类电离层闪烁可以通过提高截至高度角的方式予以削弱，但并不能完全消除由于多路径效应导致的电离层闪烁误判。

针对多路径误差和电离层闪烁的区分判别问题，已有学着开展了大量研究。Olwendo等人通过对截至高度角大于20度振幅电离层闪烁因子S4的研究，建立了电离层闪烁阈值和拟合曲线，并通过将该拟合曲线相低于20度的观测值外插的方法来判别低高度角多路径效应对电离层闪烁因子的估计影响；McCaffrey和Jayachandran提出了利用电离层闪烁因子减去发生前后两天的电离层闪烁因子平均值的方法来判别多路径效应影响的方法；de Oliveira Nascimento Brassarote等人通过离散小波变换方法对电离层振幅闪烁因子进行幅频分析方法，可较有效的分离出静态多路径效应对电离层闪烁因子的干扰；Imam和Dovis提出了利用机器学习方法来分离电离层振幅闪烁和多路径误差。

上述研究极大的提高了GNSS信号中电离层闪烁效应和多路径效应的判别精度，但仍存在以下不足：上述研究严重依赖电离层振幅闪烁因子，忽略了电离层相位闪烁因子在判别电离层闪烁中的重要作用，由于电离层闪烁在低纬度区域和北极区域的产生机理不同，这导致发生在低纬度区域的电离层闪烁主要以振幅闪烁为主，而北极区域主要以相位闪烁为主，利用振幅闪烁因子难以反映出北极区域电离层闪烁信息，导致上述方法难以适用于极区；上述研究均致力于分离静态情况下的多路径效应，对于动态情况下的多路径效应分离效果未知；上述研究均仅仅基于电离层闪烁监测接收机，但电离层闪烁监测接收机分布稀疏，难以实现全球覆盖，进而限制了上述方法在全球范围内应用推广，而测地型接收机分布十分广泛，在全球布设测地型接收机的观测站超过20000个，可以实现对陆地及近海的全覆盖，在进行电离层闪烁和多路径效应区分研究中若能顾及基于测地型接收机的电离层闪烁因子，如斜路径总电子含量变化率因子ROTI，可极大的提高所构建区分方法在全球范围内的应用推广价值。

综上，尽管围绕电离层闪烁和多路径误差的判别研究开展了大量研究，但仍存在过度依赖电离层闪烁监测接收机及其输出的电离层振幅闪烁因子问题，导致所提出方法难以适用于极区和全球推广，亟需提出一种顾及测地型接收机电离层闪烁因子的电离层闪烁和多路径误差区分方法，消除由于多路径效应导致的电离层闪烁误判。

发明内容

针对上述技术问题，提供了一种GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差区分方法，其步骤简单，使用的设备均为现有设备，通过数据比对后即可判断出电离层闪烁因子和多路径参数分布波动到底是电离层闪烁还是多路径误差引起的，从而消除由于多路径效应导致的电离层闪烁误判。

为实现上述技术目的，本发明一种GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差区分方法，步骤如下：

首先选取公开位于北极区域的GNSS数据观测网络，获取电离层闪烁监测接收机和测地型接收机并址的GNSS监测站连续一个月的数据；

然后对数据进行周跳探测修复、高度角设置、过短弧度剔除的预处理；

利用六阶巴特沃斯滤波、载波相位平滑伪距和开源软件TEQC，计算出电离层闪烁因子和多路径参数；

基于电离层闪烁因子和已有经验阈值初步判定受电离层闪烁影响的GNSS观测数据，以卫星高度角为参考、5度为分辨率将数据进行分类，并计算每颗卫星在每类数据中电离层闪烁因子和多路径参数的平均值；

分别以高度角、每类数据内电离层闪烁因子和多路径参数的平均值为横纵坐标，构建每类数据的电离层闪烁因子和多路径参数平均值随卫星高度角分布图ELP；以高度角和方位角为横纵坐标，构建电离层闪烁因子和多路径参数平均值随卫星高度角和方位角分布图PEA；

利用四分位分布方法，确定电离层闪烁因子和多路径参数随卫星高度角和方位角的分布阈值；

结合四分位分布方法确定的阈值，通过对分布图ELP和分布图PEA的比较，明确引起电离层闪烁因子和多路径参数分布波动的原因具体是电离层闪烁或是多路径误差引起的，完成对GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差的区分，消除由于多路径效应导致的电离层闪烁误判。

进一步，电离层闪烁监测接收机的采样频率不低于50Hz，测地型接收机采样频率不低于1/30Hz，通过无电离层无几何距离观测值组合方法HMW探测并修复周跳，以恢复正确的相位测量值，设置GNSS数据的截止高度角为30度，并剔除选取的GNSS监测站数据中长度短于10分钟的观测弧段。

进一步，所述电离层闪烁因子的计算方法为：采用以0.3Hz为截至频率的六阶巴特沃斯滤波方法从电离层闪烁监测接收机50Hz采样频率数据提取电离层振幅闪烁因子S4和电离层相位闪烁因子σ_φ；采用载波相位平滑伪距方法，从测地型接收机观测数据中提取斜路径总电子含量，并以5分钟为窗口求标准差，进而建立电离层总电离子含量变化率参数ROTI电离层振幅闪烁因子S4、电离层相位闪烁因子σ_φ和电离层总电离子含量变化率参数ROTI合称为电离层闪烁因子。

进一步，所述多路径参数的计算方法为：利用开源软件TEQC，从测地型接收机观测数据中获取L1和L2载波上的多路径参数MP1和MP2。

进一步，初步确定电离层闪烁的发生日期，并将受电离层闪烁影响的该天的GNSS数据按照卫星角度角分类及电离层闪烁因子和多路径参数在每类数据中各自取平均处理：利用如下阈值初步确定可能受电离层闪烁影响的GNSS数据，

ROTI>0.5TECU/min

S4>0.3

σ_φ>0.25rad

其中TECU表示电离层总电子含量单位，然后将该天的GNSS数据以卫星高度角为依据，以5度为分辨率进行分类，最后计算每类数据内的电离层振幅闪烁因子S4、电离层相位闪烁因子σ_φ和电离层总电离子含量变化率参数ROTI及多路径参数MP1和MP2各自的平均值。

进一步，构建每个数据层的平均参数随卫星高度角分布图ELP和平均参数随卫星高度角和方位角分布图PEA：按照卫星高度角进行分类后的电离层闪烁因子和多路径参数数据，以卫星高度角为横坐标，以5度为分辨率，以电离层闪烁因子和多路径参数在每类数据内的均值为纵坐标，构建电离层闪烁因子和多路径参数平均值的随卫星高度角分布图ELP；分别以卫星高度角和方位角为横纵坐标轴，绘制出每颗卫星的轨迹图，在该轨迹图上以半径不同的圆形叠加上电离层闪烁因子和多路径参数对GNSS观测值影响，圆形的半径X_P利用下式确定，

其中m表示电离层闪烁因子和多路径参数的平均值，s表示电离层闪烁因子和多路径参数的标准差，下标p表示电离层闪烁因子和多路径参数，下标r表示多路径参数MP2。

进一步，构建电离层闪烁因子和多路径参数的分布阈值：顾及多路径参数和ROTI的偏斜分布特，选用四分位分布方法，确定电离层闪烁因子和多路径参数分布的阈值，具体为利用下式确定分位区间IQR：

IQR＝Q₃-Q₁

其中Q₃和Q₁分别表示上分位和下分位，中等强度的阈值MT需满足下式：

MT＝Q₃+1.5IQR

进一步，利用电离层闪烁因子和多路径参数的每类GNSS数据的平均值随卫星高度角分布图ELP和电离层闪烁因子和多路径参数的每类GNSS数据的平均值随卫星高度角和方位角分布图PEA，结合阈值MT，确定电离层闪烁因子和多路径参数的离群值既为电离层闪烁、多路径误差或二者混合作用结果，并通过下列判别过程可以做到对电离层闪烁和多路径误差的精准区分，消除由于多路径效应导致的电离层闪烁误判：

若在ELP中，电离层闪烁因子与多路径参数均无超过阈值的离群值，则认为无电离层闪烁或多路径误差的存在；

若在ELP中，电离层闪烁因子无超过阈值离群值，但是多路径参数存在超过阈值的波动，则认为存在多路径误差；

若在ELP中，电离层闪烁因子存在超过阈值的离群值，但多路径参数不存在超过阈值的波动，则认为存在电离层闪烁；

若在ELP中，电离层闪烁因子和多路径参数均存在超过阈值的离群值，但该波动不具有周期特征，则认为存在电离层闪烁；

若在ELP中，电离层闪烁因子和多路径参数均存在超过阈值的离群值，且该波动具有周期特征，则结合PEA做进一步分析数据中的噪声，若存在突变的噪声增强现象，则认为其为多路径误差，若不存在突变噪声增强现象，则认为是同时存在电离层闪烁和多路径误差。

有益效果：

本方法通过对电离层闪烁因子和多路径参数平均值随卫星高度角分布图ELP以及电离层闪烁因子和多路径参数平均值随卫星高度角和方位角分布图PEA的比较，能够明确引起电离层闪烁因子和多路径参数分布波动的原因到底是电离层闪烁或是多路径误差，完成对GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差的区分，该方法引入普通测地型接收机，大幅度降低电离层闪烁和多路径误差区分研究的成本，结合测地型接收机分布广泛的特性，有利于对全球电离层闪烁的完备监测，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明实施的一种GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差区分方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：

如图1所示，一种GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差区分方法，步骤如下：

首先选取公开位于北极区域的GNSS数据观测网络，获取电离层闪烁监测接收机和测地型接收机并址的GNSS监测站连续一个月的数据；电离层闪烁监测接收机的采样频率不低于50Hz，测地型接收机采样频率不低于1/30Hz，通过无电离层无几何距离观测值组合方法HMW探测并修复周跳，以恢复正确的相位测量值，设置GNSS数据的截止高度角为30度，并剔除选取的GNSS监测站数据中长度短于10分钟的观测弧段；

然后对数据进行周跳探测修复、高度角设置、过短弧度剔除的预处理；

利用六阶巴特沃斯滤波、载波相位平滑伪距和开源软件TEQC，计算出电离层闪烁因子和多路径参数；电离层闪烁因子的计算方法为：采用以0.3Hz为截至频率的六阶巴特沃斯滤波方法从电离层闪烁监测接收机50Hz采样频率数据提取电离层振幅闪烁因子S4和电离层相位闪烁因子σ_φ；采用载波相位平滑伪距方法，从测地型接收机观测数据中提取斜路径总电子含量，并以5分钟为窗口求标准差，进而建立电离层总电离子含量变化率参数ROTI电离层振幅闪烁因子S4、电离层相位闪烁因子σ_φ和电离层总电离子含量变化率参数ROTI合称为电离层闪烁因子。多路径参数的计算方法为：利用开源软件TEQC，从测地型接收机观测数据中获取L1和L2载波上的多路径参数MP1和MP2。

基于电离层闪烁因子和已有经验阈值初步判定受电离层闪烁影响的GNSS观测数据，以卫星高度角为参考、5度为分辨率将数据进行分类，并计算每颗卫星在每类数据中电离层闪烁因子和多路径参数的平均值；

初步确定电离层闪烁的发生日期，并将受电离层闪烁影响的该天的GNSS数据按照卫星角度角分类及电离层闪烁因子和多路径参数在每类数据中各自取平均处理：利用如下阈值初步确定可能受电离层闪烁影响的GNSS数据，

ROTI>0.5TECU/min

S4>0.3

σ_φ>0.25rad

其中TECU表示电离层总电子含量单位，然后将该天的GNSS数据以卫星高度角为依据，以5度为分辨率进行分类，最后计算每类数据内的电离层振幅闪烁因子S4、电离层相位闪烁因子σ_φ和电离层总电离子含量变化率参数ROTI及多路径参数MP1和MP2各自的平均值；

分别以高度角、每类数据内电离层闪烁因子和多路径参数的平均值为横纵坐标，构建每类数据的电离层闪烁因子和多路径参数平均值随卫星高度角分布图ELP；以高度角和方位角为横纵坐标，构建电离层闪烁因子和多路径参数平均值随卫星高度角和方位角分布图PEA；

具体的，构建每个数据层的平均参数随卫星高度角分布图ELP和平均参数随卫星高度角和方位角分布图PEA：按照卫星高度角进行分类后的电离层闪烁因子和多路径参数数据，以卫星高度角为横坐标，以5度为分辨率，以电离层闪烁因子和多路径参数在每类数据内的均值为纵坐标，构建电离层闪烁因子和多路径参数平均值的随卫星高度角分布图ELP；分别以卫星高度角和方位角为横纵坐标轴，绘制出每颗卫星的轨迹图，在该轨迹图上以半径不同的圆形叠加上电离层闪烁因子和多路径参数对GNSS观测值影响，圆形的半径X_P利用下式确定，

其中m表示电离层闪烁因子和多路径参数的平均值，s表示电离层闪烁因子和多路径参数的标准差，下标p表示电离层闪烁因子和多路径参数，下标r表示多路径参数MP2。

利用四分位分布方法，确定电离层闪烁因子和多路径参数随卫星高度角和方位角的分布阈值；构建电离层闪烁因子和多路径参数的分布阈值具体步骤为：顾及多路径参数和ROTI的偏斜分布特，选用四分位分布方法，确定电离层闪烁因子和多路径参数分布的阈值，具体为利用下式确定分位区间IQR：

IQR＝Q₃-Q₁

其中Q₃和Q₁分别表示上分位和下分位，中等强度的阈值MT需满足下式：

MT＝Q₃+1.5IQR

结合四分位分布方法确定的阈值，通过对分布图ELP和分布图PEA的比较，明确引起电离层闪烁因子和多路径参数分布波动的原因具体是电离层闪烁或是多路径误差引起的，完成对GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差的区分，消除由于多路径效应导致的电离层闪烁误判。

利用电离层闪烁因子和多路径参数的每类GNSS数据的平均值随卫星高度角分布图ELP和电离层闪烁因子和多路径参数的每类GNSS数据的平均值随卫星高度角和方位角分布图PEA，结合阈值MT，确定电离层闪烁因子和多路径参数的离群值既为电离层闪烁、多路径误差或二者混合作用结果，并通过下列判别过程可以做到对电离层闪烁和多路径误差的精准区分，消除由于多路径效应导致的电离层闪烁误判：

若在ELP中，电离层闪烁因子与多路径参数均无超过阈值的离群值，则认为无电离层闪烁或多路径误差的存在；

若在ELP中，电离层闪烁因子无超过阈值离群值，但是多路径参数存在超过阈值的波动，则认为存在多路径误差；

若在ELP中，电离层闪烁因子存在超过阈值的离群值，但多路径参数不存在超过阈值的波动，则认为存在电离层闪烁；

若在ELP中，电离层闪烁因子和多路径参数均存在超过阈值的离群值，但该波动不具有周期特征，则认为存在电离层闪烁；

若在ELP中，电离层闪烁因子和多路径参数均存在超过阈值的离群值，且该波动具有周期特征，则结合PEA做进一步分析数据中的噪声，若存在突变的噪声增强现象，则认为其为多路径误差，若不存在突变噪声增强现象，则认为是同时存在电离层闪烁和多路径误差。

Claims (8)

1.一种GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差区分方法，其特征在于：

首先选取公开位于北极区域的GNSS数据观测网络，获取电离层闪烁监测接收机和测地型接收机并址的GNSS监测站连续一个月的数据；

然后对数据进行周跳探测修复、高度角设置、过短弧度剔除的预处理；

利用六阶巴特沃斯滤波、载波相位平滑伪距和开源软件TEQC，计算出电离层闪烁因子和多路径参数；

基于电离层闪烁因子和已有经验阈值初步判定受电离层闪烁影响的GNSS观测数据，以卫星高度角为参考、5度为分辨率将数据进行分类，并计算每颗卫星在每类数据中电离层闪烁因子和多路径参数的平均值；

分别以高度角、每类数据内电离层闪烁因子和多路径参数的平均值为横纵坐标，构建每类数据的电离层闪烁因子和多路径参数平均值随卫星高度角分布图ELP；以高度角和方位角为横纵坐标，构建电离层闪烁因子和多路径参数平均值随卫星高度角和方位角分布图PEA；

利用四分位分布方法，确定电离层闪烁因子和多路径参数随卫星高度角和方位角的分布阈值；

结合四分位分布方法确定的阈值，通过对分布图ELP和分布图PEA的比较，明确引起电离层闪烁因子和多路径参数分布波动的原因具体是电离层闪烁或是多路径误差引起的，完成对GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差的区分，消除由于多路径效应导致的电离层闪烁误判。

2.根据权利要求1所述的GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差区分方法，其特征在于：电离层闪烁监测接收机的采样频率不低于50Hz，测地型接收机采样频率不低于1/30Hz，通过无电离层无几何距离观测值组合方法HMW探测并修复周跳，以恢复正确的相位测量值，设置GNSS数据的截止高度角为30度，并剔除选取的GNSS监测站数据中长度短于10分钟的观测弧段。

3.根据权利要求1所述的GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差区分方法，其特征在于，所述电离层闪烁因子的计算方法为：采用以0.3Hz为截至频率的六阶巴特沃斯滤波方法从电离层闪烁监测接收机50Hz采样频率数据提取电离层振幅闪烁因子S4和电离层相位闪烁因子σ_φ；采用载波相位平滑伪距方法，从测地型接收机观测数据中提取斜路径总电子含量，并以5分钟为窗口求标准差，进而建立电离层总电离子含量变化率参数ROTI电离层振幅闪烁因子S4、电离层相位闪烁因子σ_φ和电离层总电离子含量变化率参数ROTI合称为电离层闪烁因子。

4.根据权利要求1所述的GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差区分方法，其特征在于，所述多路径参数的计算方法为：利用开源软件TEQC，从测地型接收机观测数据中获取L1和L2载波上的多路径参数MP1和MP2。

5.根据权利要求1所述的GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差区分方法，其特征在于，初步确定电离层闪烁的发生日期，并将受电离层闪烁影响的该天的GNSS数据按照卫星角度角分类及电离层闪烁因子和多路径参数在每类数据中各自取平均处理：利用如下阈值初步确定可能受电离层闪烁影响的GNSS数据，

ROTI>0.5TECU/min

S4>0.3

σ_φ>0.25rad

其中TECU表示电离层总电子含量单位，然后将该天的GNSS数据以卫星高度角为依据，以5度为分辨率进行分类，最后计算每类数据内的电离层振幅闪烁因子S4、电离层相位闪烁因子σ_φ和电离层总电离子含量变化率参数ROTI及多路径参数MP1和MP2各自的平均值。

6.根据权利要求5所述的GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差区分方法，其特征在于，构建每个数据层的平均参数随卫星高度角分布图ELP和平均参数随卫星高度角和方位角分布图PEA：按照卫星高度角进行分类后的电离层闪烁因子和多路径参数数据，以卫星高度角为横坐标，以5度为分辨率，以电离层闪烁因子和多路径参数在每类数据内的均值为纵坐标，构建电离层闪烁因子和多路径参数平均值的随卫星高度角分布图ELP；分别以卫星高度角和方位角为横纵坐标轴，绘制出每颗卫星的轨迹图，在该轨迹图上以半径不同的圆形叠加上电离层闪烁因子和多路径参数对GNSS观测值影响，圆形的半径X_P利用下式确定，

其中m表示电离层闪烁因子和多路径参数的平均值，s表示电离层闪烁因子和多路径参数的标准差，下标p表示电离层闪烁因子和多路径参数，下标r表示多路径参数MP2。

7.根据权利要求6所述的GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差区分方法，其特征在于，构建电离层闪烁因子和多路径参数的分布阈值：顾及多路径参数和ROTI的偏斜分布特，选用四分位分布方法，确定电离层闪烁因子和多路径参数分布的阈值，具体为利用下式确定分位区间IQR：

IQR＝Q₃-Q₁

其中Q₃和Q₁分别表示上分位和下分位，中等强度的阈值MT需满足下式：

MT＝Q₃+1.5IQR

8.根据权利要求7所述的GNSS信号中的电离层闪烁和多路径误差区分方法，其特征在于，利用电离层闪烁因子和多路径参数的每类GNSS数据的平均值随卫星高度角分布图ELP和电离层闪烁因子和多路径参数的每类GNSS数据的平均值随卫星高度角和方位角分布图PEA，结合阈值MT，确定电离层闪烁因子和多路径参数的离群值既为电离层闪烁、多路径误差或二者混合作用结果，并通过下列判别过程可以做到对电离层闪烁和多路径误差的精准区分，消除由于多路径效应导致的电离层闪烁误判：

若在ELP中，电离层闪烁因子与多路径参数均无超过阈值的离群值，则认为无电离层闪烁或多路径误差的存在；

若在ELP中，电离层闪烁因子无超过阈值离群值，但是多路径参数存在超过阈值的波动，则认为存在多路径误差；

若在ELP中，电离层闪烁因子存在超过阈值的离群值，但多路径参数不存在超过阈值的波动，则认为存在电离层闪烁；

若在ELP中，电离层闪烁因子和多路径参数均存在超过阈值的离群值，但该波动不具有周期特征，则认为存在电离层闪烁；

若在ELP中，电离层闪烁因子和多路径参数均存在超过阈值的离群值，且该波动具有周期特征，则结合PEA做进一步分析数据中的噪声，若存在突变的噪声增强现象，则认为其为多路径误差，若不存在突变噪声增强现象，则认为是同时存在电离层闪烁和多路径误差。

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