CN116338735A - 一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数s4计算方法 - Google Patents

一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数s4计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法，包括以下步骤：从电离层掩星原始观测数据中读取掩星观测时间和高采样观测量；利用拉格朗日插值计算LEO位置，所述LEO为低轨道地球卫星；根据卫星轨道六根数计算GNSS卫星的位置；修正传播延迟并计算导航星的位置；计算得到GNSS卫星相对LEO的高度角；通过得到的高度角范围进行无效观测数据剔除；计算WBP中心均值，并计算NBP和WBP比值NP后计算NP均值mu，所述WBP为宽带功率，NBP为窄带功率；计算能量值SI、信噪比SNR和载噪比CN0；对SI进行滤波得到Sidet，并计算SIdet的相干累加和非相干累加量；计算S4闪烁指数。本发明有益效果：提升对电离层60km~500km区域的闪烁事件进行监测。

Description

一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法
技术领域
本发明属于卫星技术领域，尤其是涉及一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法。
背景技术
GlobalNavigationSatelliteSystem（GNSS）卫星信号与噪声功率比值叫信噪比，信噪比反映了当前低轨道地球卫星（LowEarthOrbit,LEO）上GNSS掩星接收机收到信号相比于噪声的功率强弱程度，当GNSS信号穿过电离层被遮挡时，因为不同高度大气密度不同而发生折射被GNSS掩星接收机收到，此时的GNSS信号被称为电离层掩星事件，该事件由于经过了电离层故可通过处理其相位累加值得到信噪比及电离层闪烁指数S4，由于信噪比会随机抖动并且在开始和结束有较大抖动。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法，采用巴特沃斯滤波技术针对信噪比特点设置滤波窗口进行平滑滤波，可很好的去掉噪声的影响，可用来监测电离层闪烁事件的发生情况，中高强度的电离层闪烁事件会给GNSS通信、导航、定位等造成很大干扰，通过分析电离层掩星事件信噪比和S4闪烁指数可以判断该干扰是由于电离层不稳定波动还是其他因素造成的，同时还可以为GNSS通信、导航、定位等给出指导，尽快避开发生电离层闪烁较严重的区域，具有重要工程应用价值。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法，包括以下步骤：
S1、从电离层掩星原始观测数据中读取掩星观测时间和高采样观测量；
S2、利用拉格朗日插值计算LEO位置，所示LEO为低轨道地球卫星；
S3、根据卫星轨道六根数计算GNSS卫星的位置；
S4、修正传播延迟并计算导航星的位置；
S5、计算得到GNSS卫星相对LEO的高度角；
S6、通过步骤S5得到的高度角范围进行无效观测数据剔除；
S7、计算WBP中心均值，并计算NBP和WBP比值NP后计算NP均值mu，所述WBP为宽带功率，NBP为窄带功率；
S8、计算能量值SI、信噪比SNR和载噪比CN0；
S9、对步骤S8中的SI进行滤波得到Sidet，并计算SIdet的相干累加和非相干累加量；
S10、计算S4闪烁指数。
进一步的，在步骤S1中，高采样观测量包括从电离层掩星原始观测数据中窄带功率NBP和宽带功率WBP，其中窄带功率NBP和宽带功率WBP分别是GNSS掩星探测仪输出的由Ip路和Qp路数据累加得到的。
进一步的，在步骤S2中，通过GNSS掩星探测仪输出包括LEO单点定位结果的文件；
根据步骤S1中读取的掩星观测时间，结合读取的LEO单点定位结果，采用7阶拉格朗日插值法插值出LEO的位置Pleo。
进一步的，在步骤S3中，根据轨道六根数轨道倾角i、半长轴a、偏心率e、升交点赤经Omega、近地点幅角w和真近点角φ，计算得到步骤S1中读取的掩星观测时间的卫星位置；
进一步的，在步骤S4中，电离层掩星观测数据是LEO接收时刻对应的观测数据，其中包括接收时间Tr，GNSS卫星发射GNSS信号的时刻Ts与Tr之间具有从GNSS卫星到LEO卫星的传播延时τ，通过Tr利用7阶拉格朗日插值算法插值求出GNSS电离层掩星位置Pgnss；
根据Pleo和Pgnss两点之间距离除以光速计算得到传播延时τ，利用Tr-τ作为GNSS信号发射时间Ts同样采用7阶拉格朗日插值算法插值出GNSS电离层掩星位置Pgnss1。
进一步的，在步骤S5中，将LEO与GNSS连线向量转成站心坐标形式，在站心坐标中利用投影公式计算出GNSS卫星相对于LEO卫星的高度角ele。
进一步的，在步骤S6中，根据轨道高度特性保留-24°<ele<24°的信号，将高度角小于-24°和高度角大于24°的信号作为无效信号进行剔除。
进一步的，在步骤S7中，利用当前所需插值的点所处的i时刻的WBP值，并计算位于i时刻前后的i-1和i+1时刻的两个WBP值求平均，用于消去跳点误差；
利用中心滤波后的宽带功率WBP对窄带功率NBP进行单位化，得到其比值NP。
进一步的，在步骤S8中，SI计算如公式（1）所示，其中相干累加时间Tch=0.001s，相干累加次数M=10：
Figure SMS_1
（1）；
根据信噪比SNR、载噪比CN0与SI之间的关系，用公式（2）计算出信噪比SNR值，单位dB，用公式（3）计算出载噪比CN0值，单位db-Hz：
Figure SMS_2
（2）；
Figure SMS_3
（3）。
进一步的，在步骤S9中，根据电离层掩星闪烁观测数据采样率和数据随机噪声特点，选择6阶巴特沃斯滤波算法对高采样、误差随机游走的SI数据进行滤波，得到噪声较小的数据为SIdet数据，即为平滑的SIdet数据；
根据公式（4）、公式（5）计算SIdet的相干累加和非相干累加量的方法为：先由公式（4）对SIdet进行相干累加得到SIM2，再由公式（5）对SIdet进行非相干累加得到SI2M：
Figure SMS_4
（4）；
Figure SMS_5
（5）；
其中K为数据采样率，优选的可以取值100Hz；
在步骤S10中，S4与SIM2和SI2M之间满足公式（6）关系，通过公式（6）可以计算出电离层掩星闪烁指数S4：
Figure SMS_6
（6）。
相对于现有技术，本发明所述的一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法具有以下有益效果：
本发明所述的一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法，可以提升对电离层60km~500km区域的闪烁事件进行监测，同时对发生中高强度电离层闪烁的区域给出预警，为GNSS通信、导航、定位等提供重要参考和应用价值。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法示意图；
图2为本发明实施例所述的信噪比和电离层掩星闪烁指数S4示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示为方法技术路线图：
a)读入时间和高采样观测量
从电离层掩星原始观测数据中读取掩星观测时间、窄带功率NBP和宽带功率WBP,窄带功率NBP和宽带功率WBP分别是GNSS掩星探测仪输出的由Ip路和Qp路数据累加得到。
b)拉格朗日插值计算LEO位置
GNSS掩星探测仪会输出LEO单点定位结果文件，考虑到电离层掩星闪烁指数S4数据采样率为100Hz，计算量较大，根据读取的掩星观测时间在读取的LEO单点定位结果中采用7阶拉格朗日插值法插值出LEO位置Pleo。
c)利用广播星历六根数计算GNSS卫星位置
从IGS网站下载全球广播星历，利用全球广播星历中的轨道倾角i、半长轴a、偏心率e、升交点赤经Omega、近地点幅角w和真近点角φ六个轨道根数计算得到掩星观测时刻的GNSS卫星的位置。
d)修正传播延迟并计算导航星位置
电离层掩星观测数据是LEO接收时刻对应的观测数据，对应着接收时间Tr,GNSS卫星发射GNSS信号的时刻Ts与Tr之间相差一个从GNSS卫星到LEO卫星的传播延时τ。通过Tr利用7阶拉格朗日插值算法插值出GNSS电离层掩星位置Pgnss。根据Pleo和Pgnss两点之间距离除以光速计算得到传播延时τ，利用Tr-τ作为GNSS信号发射时间Ts同样采用7阶拉格朗日插值算法插值出GNSS电离层掩星位置Pgnss1。
e)计算出GNSS卫星相对LEO高度角
将LEO-GNSS连线向量转成站心坐标形式，站心坐标中利用投影公式即可计算出GNSS卫星相对于LEO卫星的高度角ele。
f)通过高度角范围进行无效观测数据剔除
电离层掩星事件完整观测过程包括掩星侧观测和非掩星侧观测，掩星侧为负高度角观测部分，非掩星侧为正高度角部分。根据轨道高度特性，此处保留-24°<ele<24°的信号，将高度角小于-24°和高度角大于24°的信号作为无效信号进行剔除。
g)计算WBP中心均值
中心平均法利用当前所需插值的点位于前后两个插值点之间，计算i时刻的WBP值，采用i-1和i+1时刻的两个WBP值求平均，可以消去跳点误差。
h)计算NBP和WBP比值NP
利用中心滤波后的宽带功率WBP对窄带功率NBP进行单位化，得到其比值NP。
i)滑动平均法计算NP均值mu
为消除噪声的影响，对mu进行滑动平均法滤波。根据观测量采样率情况设置平滑滤波窗口为K=100。
j)计算能量值SI
信噪比SNR、载噪比CN0与S4指数计算均是基于SI能量值基础上，SI计算如公式（1）所示，其中相干累加时间Tch=0.001s，相干累加次数M=10。
Figure SMS_7
（1）
k)计算信噪比SNR和载噪比CN0
根据信噪比SNR、载噪比CN0与SI之间的关系，用公式（2）计算出信噪比SNR值，单位dB，用公式（3）计算出载噪比CN0值，单位db-Hz。
Figure SMS_8
（2）
Figure SMS_9
（3）
l)利用巴特沃斯对SI进行滤波得到SIdet
根据电离层掩星闪烁观测数据采样率和数据随机噪声特点，选择6阶巴特沃斯滤波算法对高采样、误差随机游走的SI数据进行滤波，得到噪声较小的SIdet数据。
m)计算SIdet的相干累加和非相干累加量
电离层掩星闪烁指数S4是通过巴特沃斯滤波后的SIdet经过相干、非相干累加等一些列操作计算得到，计算如公式（4）、公式（5）。先由公式（4）对SIdet进行相干累加得到SIM2，再由公式（5）对SIdet进行非相干累加得到SI2M。
Figure SMS_10
（4）
Figure SMS_11
（5）
n)计算S4闪烁指数
S4与SIM2和SI2M之间满足公式（6）关系，通过公式（6）可以计算出电离层掩星闪烁指数S4。信噪比和电离层掩星闪烁指数S4示意图如图2所示。
Figure SMS_13
（6）
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、从电离层掩星原始观测数据中读取掩星观测时间和高采样观测量；
S2、利用拉格朗日插值计算LEO位置，所述LEO为低轨道地球卫星；
S3、根据卫星轨道六根数计算GNSS卫星的位置，GNSS表示全球导航卫星系统；
S4、修正从GNSS卫星到LEO的传播延迟并计算GNSS电离层掩星位置；
S5、计算得到GNSS卫星相对LEO的高度角；
S6、通过步骤S5得到的高度角范围进行无效观测数据剔除；
S7、计算WBP中心均值，并计算NBP和WBP比值NP后计算NP均值mu，所述WBP为宽带功率，NBP为窄带功率；
S8、计算能量值SI、信噪比SNR和载噪比CN0；
S9、对步骤S8中的SI进行滤波得到Sidet，并计算SIdet的相干累加和非相干累加量；
S10、计算S4闪烁指数。
2.根据权利要求1所述的一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法，其特征在于，在步骤S1中，高采样观测量包括从电离层掩星原始观测数据中窄带功率NBP和宽带功率WBP，其中窄带功率NBP和宽带功率WBP分别是GNSS掩星探测仪输出的由Ip路和Qp路数据累加得到的。
3.根据权利要求1所述的一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法，其特征在于，在步骤S2中，通过GNSS掩星探测仪输出包括LEO单点定位结果的文件；
根据步骤S1中读取的掩星观测时间，结合读取的LEO单点定位结果，采用7阶拉格朗日插值法插值出LEO的位置Pleo。
4.根据权利要求1所述的一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法，其特征在于，在步骤S3中，根据轨道六根数轨道倾角i、半长轴a、偏心率e、升交点赤经Omega、近地点幅角w和真近点角φ，计算得到步骤S1中读取的掩星观测时间的卫星位置。
5.根据权利要求3所述的一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法，其特征在于：在步骤S4中，电离层掩星观测数据是LEO接收时刻对应的观测数据，其中包括接收时间Tr，同时设定GNSS卫星发射GNSS信号的时刻Ts与Tr之间具有从GNSS卫星到LEO卫星的传播延时τ，通过Tr利用7阶拉格朗日插值算法插值求出GNSS电离层掩星位置Pgnss；
根据Pleo和Pgnss两点之间距离除以光速计算得到传播延时τ，利用Tr-τ作为GNSS信号发射时间Ts同样采用7阶拉格朗日插值算法插值出GNSS电离层掩星位置Pgnss1。
6.根据权利要求1所述的一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法，其特征在于，在步骤S5中，将LEO与GNSS连线向量转成站心坐标形式，在站心坐标中利用投影公式计算出GNSS卫星相对于LEO卫星的高度角ele。
7.根据权利要求6所述的一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法，其特征在于，在步骤S6中，根据轨道高度特性保留-24°<ele<24°的信号，将高度角小于-24°和高度角大于24°的信号作为无效信号进行剔除。
8.根据权利要求1所述的一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法，其特征在于，在步骤S7中，利用当前所需插值的点所处的i时刻的WBP值，并计算位于i时刻前后的i-1和i+1时刻的两个WBP值求平均，用于消去跳点误差；
利用中心滤波后的宽带功率WBP对窄带功率NBP进行单位化，得到其比值NP。
9.根据权利要求1所述的一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法，其特征在于，在步骤S8中，SI计算如公式（1）所示，其中相干累加时间Tch=0.001s，相干累加次数M=10：
Figure QLYQS_1
（1）
根据信噪比SNR、载噪比CN0与SI之间的关系，用公式（2）计算出信噪比SNR值，单位V/V，用公式（3）计算出载噪比CN0值，单位db-Hz：
Figure QLYQS_2
（2）
Figure QLYQS_3
（3）。
10.根据权利要求1所述的一种基于巴特沃斯滤波的电离层掩星闪烁指数S4计算方法，其特征在于，在步骤S9中，根据电离层掩星闪烁观测数据采样率和数据随机噪声特点，选择6阶巴特沃斯滤波算法对高采样、误差随机游走的SI数据进行滤波，得到平滑的SIdet数据；
根据公式（4）、公式（5）计算SIdet的相干累加和非相干累加量的方法为：先由公式（4）对SIdet进行相干累加得到SIM2，再由公式（5）对SIdet进行非相干累加得到SI2M：
Figure QLYQS_4
（4）
Figure QLYQS_5
（5）
其中K为数据采样率，取值为100Hz；
在步骤S10中，S4与SIM2和SI2M之间满足公式（6）关系，通过公式（6）可以计算出电离层掩星闪烁指数S4：
Figure QLYQS_6
（6）。
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