CN118091712A - 一种asf测量系统及基于实验测量的空时变化分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于陆基长波授时导航技术领域，公开了一种ASF测量系统及基于实验测量的空时变化分离方法，包括在实验区域中心设置一个监测站，监测站采用ASF测量系统，包括Loran‑C接收机及Loran天线，GPS接收机及GPS天线、Loran内部计数模块和工控机，ASF测量系统能够24小时不间断监测并保存ASF测量结果，得到监测站的ASF空间基准值、实验区域内每天实时的ASF数据和ASF时变量，本发明的测量方法将测得ASF的空间变化和时间变化分离开，得到了ASF空间基准值和ASF时变量，将所有测量点的ASF统一到同一时间标准上来，同时反映了其随时间变化的规律，相对于传统方法更加准确且具有参考价值。

Description

一种ASF测量系统及基于实验测量的空时变化分离方法

技术领域

本发明属于陆基长波授时导航技术领域，具体涉及一种ASF测量系统及基于实验测量的空时变化分离方法。

背景技术

Loran-C系统即罗兰导航系统是一种国际标准化的陆基无线电授时导航系统，具有传输功率大、传输距离远、相位稳定性好以及抗干扰能力强等优点。Loran-C信号在具有不同电参数和崎岖地形的复杂路径上传播时会导致额外的延迟——ASF，它是保证Loran-C系统授时和定位精度的关键性因素。ASF的微小偏差可能会导致数千米的误差，因此，获得准确的ASF是提高Loran-C系统授时和定位精度的关键。

ASF既具有空间变量，又具有时间变化。对于不同的接收点，由于传播路径上的地物起伏变化、以及大地电参数和大气折射率在空间上的不均匀分布，导致ASF在空间上存在差异的特点，称为“ASF的空变特性”；对于同一接收点，由于传播路径上大地电参数和大气折射率随时间发生变化，引起ASF在时间上存在差异的特点，称为“ASF的时变特性”。

现有获取ASF的方法主要有理论模型预测方法和实测方法。理论模型预测方法容易实现，但其精度受到模型本身所采用的近似方法和不准确的大地电导率的限制，也无法考虑到ASF的时间变化。实测方法可以很好的反映ASF的空时变化，准确性更高。当在一个固定地点接收台站发出的Loran信号时，ASF的空间分量可认为是一固定值，但ASF的时间分量会随着大气温度、湿度和压强的改变而改变，呈现一定的日变化和季节变化。目前的测量方法获得的ASF实测结果没有将ASF的空间变化和时间变化分离开来，测得的ASF并不准确。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种ASF测量系统及基于实验测量的空时变化分离方法，将ASF实测结果的空间变化和时间变化分离后单独进行考虑，获得准确的ASF空变分量以及实时的ASF时变分量，得到更精确的ASF数据，为后续各种ASF修正方法奠定基础，以提高Loran-C系统的授时和定位精度。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种ASF测量系统，包括Loran内部计数模块，Loran内部计数模块的输入端连接Loran-C接收机的输出端和GPS接收机的输出端，Loran-C接收机和GPS接收机连接工控机。

本发明进一步的改进在于，Loran-C接收机和GPS接收机通过串口连接工控机，用于将Loran-C接收机和GPS接收机接收并处理后的信息发送到工控机进行显示。

本发明进一步的改进在于，所述Loran-C接收机通过Loran天线接收Loran信号，Loran-C接收机输出1PPS信号到Loran内部计数模块；所述GPS接收机通过GPS天线接收GPS信号，GPS接收机输出1PSS信号到Loran内部计数模块。

本发明进一步的改进在于，所述Loran内部计数模块用于将接收到的两个1PSS信号进行比较，得到两个1PSS信号的时间差t_N，并发送给Loran接收机通过工控机进行信息显示；

GPS接收机输出的1PPS信号和Loran-C接收机输出的1PPS信号的时间差t_N为：

t_N＝t_s+t_p+t_r 公式1

其中，t_s为发射台的发射延迟，t_p为信号传播延迟，t_r为接收机的系统延迟。

本发明提供一种基于实验测量的ASF空时变化分离方法，包括以下步骤：

步骤1，在实验区域中心建立监测站，获取实时不间断的ASF数据；

步骤2，选取实验所需天数的监测站的ASF实测数据，计算每天某一时段内ASF的均值ASF_i，通过每天某一时段内ASF的均值ASF_i，计算监测站的ASF空间基准值ASFs；

步骤3，拟定测量点，用ASF测量系统测量该点的ASF实测值，重复测量，得到ASF实测值ASF_m1、ASF_m2和ASF_m3……；

步骤4，根据拟定的测量点，计算在测量点每次测量时对应时间的ASF时变量的均值；

步骤5，根据测量点对应时间的ASF时变量的均值，计算测量点的空间基准值ASF_SP；

步骤6，通过对应时间的ASF时变量的均值和测量点的空间基准值ASF_SP计算实时的ASF数据，并发送给用户。

本发明进一步的改进在于，ASF实测值ASF_m为：

根据t_p＝PF+SF+ASF 公式2

其中，PF是一次相位因子，指信号在大气中传播的时间延迟，SF是二次相位因子，指信号在全海水路径上传播相对于空气中传播的时延增量，ASF是附加二次相位因子，指信号在混合路径和具有山脉的不规则路径上传播相对于全海水路径而产生的额外时间延迟；

一次相位因子PF为：

其中，d为发射台和接收点间的距离；n_s为大气折射指数；_c为电磁波在真空中的传播速度；

二次相位因子SF为：

其中，W_g为地波衰减因子；ω为角频率；

由ASF测量系统测量得到的传播时延t_p为：

t_p＝t_N-t_s-t_r 公式5

即ASF实测值ASF_m为：

本发明进一步的改进在于，步骤2中所述的计算监测站的ASF空间基准值ASFs的方法为：

S1，选取监测站5～10天晴朗天气的ASF监测数据；

S2，计算每天5点～6点内ASF的均值ASF_i；

S3，将所有天的ASF_i平均得到监测站的ASF空间基准值ASFs，即

其中，N为用于求ASF空间基准值的天数。

本发明进一步的改进在于，步骤4中所述的计算在测量点每次测量时对应时间的ASF时变量的均值的方法为：

ASF_T＝ASF_M-ASF_S 公式8

其中，ASF_T为对应时间的ASF时变量的均值，ASF_M为监测站与测量时间相对应的ASF监测数据的均值，ASF_S为监测站的ASF空间基准值。

本发明进一步的改进在于，步骤5中所述的计算测量点的空间基准值ASF_SP的方法为：

S1，将每次测量的ASF实测值ASF_m减掉对应时间ASF时变量的均值ASF_T，得到测量点的空间分量ASF_S1、ASF_S2和ASF_S3；

S2，将测量点多次测得的空间分量取平均，得到该测量点的空间基准值ASF_SP，即

本发明进一步的改进在于，实时的ASF数据的计算方法为：

ASF＝ASF_SP+ASF_T-now 公式11

其中，ASF_SP为空间基准值，ASF_T-now为当前时间监测站的时变量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的ASF测量系统通过设置Loran内部计数模块，并将Loran内部计数模块的输入端连接Loran-C接收机的输出端和GPS接收机的输出端，Loran-C接收机和GPS接收机连接工控机，工控机能够进行数据结果显示，该ASF系统的使用使监测站能够通过ASF测量系统进行24小时不间断监测并保存ASF的测量结果。

本发明的方法包括在实验区域中心建立监测站，监测站使用ASF测量系统，进行24小时不间断的监测并保存ASF测量结果；选取监测站的多天ASF实测数据，计算每天某一时段内ASF的均值，通过每天某一时刻段ASF的均值，计算监测站的ASF空间基准值；拟定测量点，用ASF测量系统测量该点的ASF实测值；计算在测量点每次测量时对应时间的ASF时变量的均值和空间基准值；最后计算实时的ASF数据，并通过ASF系统发送给用户，本发明的测量方法将测得ASF的空间变化和时间变化分离开，得到了ASF空间基准值和实时的ASF时变量，同时所有测量点的ASF统一到同一时间标准上来，更加准确且具有参考价值。

附图说明

图1为本发明的ASF测量系统示意图；

图2为本发明的ASF测量系统原理图；

图3为本发明的24小时ASF监测数据示意图；

图4为本发明的监测站ASF实测数据；

图5为本发明的监测站及周边24小时ASF时变量；

图6为本发明的实验点12月6日ASF实时值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

参见图1和2，所述的一种ASF测量系统，包括Loran-C接收机及Loran天线，GPS接收机及GPS天线、Loran内部计数模块和工控机，其中Loran内部计数模块的输入端连接Loran-C接收机和GPS接收机的输出端，Loran天线连接Loran接收机，GPS天线连接GPS接收机，Loran-C接收机通过Loran天线接收Loran信号，输出1PPS信号到Loran内部计数模块，GPS接收机通过GPS天线接收GPS信号，输出1PSS信号到Loran内部计数模块，Loran-C接收机和GPS接收机通过串口连接工控机，Loran-C接收机和GPS接收机接收并处理后的信息发送到工控机进行显示，Loran内部计数模块将接收到的两个1PSS信号进行比较，能够得到两个1PSS信号的时间差t_N，并发送给Loran接收机通过工控机进行信息显示；

GPS接收机输出的1PPS信号和Loran-C接收机输出的1PPS信号的时间差t_N为：

t_N＝t_s+t_p+t_r 公式1

其中，t_s为发射台的发射延迟，t_p为信号传播延迟，t_r为接收机的系统延迟。

一种基于实验测量的ASF空时变化分离方法，包括以下步骤：

步骤1，在实验区域中心建立监测站，获取实时不间断的ASF数据；

根据t_p＝PF+SF+ASF 公式2

其中，PF是一次相位因子，指信号在大气中传播的时间延迟，SF是二次相位因子，指信号在全海水路径上传播相对于空气中传播的时延增量，ASF是附加二次相位因子，指信号在混合路径和具有山脉的不规则路径上传播相对于全海水路径而产生的额外时间延迟；

一次相位因子PF为：

其中，d为发射台和接收点间的距离；n_s为大气折射指数；_c为电磁波在真空中的传播速度；

二次相位因子SF为：

其中，W_g为地波衰减因子；ω为角频率；

由ASF测量系统测量得到的传播时延t_p为：

t_p＝t_N-t_s-t_r 公式5

即ASF实测值ASF_m为：

步骤2，选取监测站5～10天晴朗天气的ASF实测数据，计算每天5点～6点内ASF的均值ASF_i，将实验天数内的ASF的均值ASF_i平均得到监测站的ASF空间基准值ASFs，即

其中，N为用于求ASF空间基准值的天数。

步骤3，拟定测量点，用ASF测量系统测量该点的ASF实测值，重复测量，得到ASF实测值ASF_m1、ASF_m2和ASF_m3……；

步骤4，根据拟定的测量点，计算在测量点每次测量时对应时间的ASF时变量的均值，

由于周围测量点与中心监测站的天气情况包括大气温度、湿度和压强基本相同，所以测量点ASF的时间变化与监测站ASF的时间变化基本一致，因此，在测量点每次测量时对应时间的ASF时变量的均值的方法为：

ASF_T＝ASF_M-ASF_S 公式8

其中，ASF_T为对应时间的ASF时变量的均值，ASF_M为监测站与测量时间相对应的ASF监测数据的均值，ASF_S为监测站的ASF空间基准值。

步骤5，根据测量点对应时间的ASF时变量的均值，计算测量点的空间基准值ASF_SP，将每次测量的ASF实测值ASF_mi减掉对应时间ASF时变量的均值ASF_Ti，得到测量点的空间分量ASF_SP1、ASF_SP2和ASF_SP3；

将测量点多次测得的空间分量取平均，得到该测量点的空间基准值ASF_SP，即

步骤6，计算实时的ASF数据，实时的ASF数据为：

ASF＝ASF_SP+ASF_T-now 公式11

其中，ASF_SP为空间基准值，ASF_T-now为当前时间监测站的时变量。

实施例：

以西安市东二环-通化门为例(34°16'15.94"N，108°59'16.38"E)，2021年12月6日进行测量，完整一天的监测结果如图3所示。

采用本发明方法获取ASF值的具体步骤为：

(1)获取2021年12月6日西安理工大学教五楼监测站的24小时ASF监测数据，如图4所示；

(2)选取监测站以往10天晴朗天气5～6点的ASF数据，通过算数平均求得监测站的空间基准值为606.63ns；

(3)测量3次该实验点的ASF值，分别为796.15ns，812.59ns，827.92ns；

(4)计算实验区域的ASF时变量的均值，如图5所示，提取对应时间的ASF时变量均值分别为-36.77ns，-46.92ns，-43.79ns；

(5)将每次的ASF实测值与对应时间ASF时变量的均值相减得到ASF空间分量，分别为832.92ns，859.51ns，871.71ns，将每次测量得到的空间分量求平均得到实验点的ASF空间基准值854.71ns；

(6)该实测值的ASF为其空间基准值与相应时间ASF时变量的和，如图6为该实验点2021年12月6日的ASF实时值，实时的ASF时变量可由监测站通过互联网发送，用户可以通过此方式得到ASF实时数据。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种ASF测量系统，其特征在于，包括Loran内部计数模块，Loran内部计数模块的输入端连接Loran-C接收机的输出端和GPS接收机的输出端，Loran-C接收机和GPS接收机连接工控机。

2.根据权利要求1所述的一种ASF测量系统，其特征在于Loran-C接收机和GPS接收机通过串口连接工控机，用于将Loran-C接收机和GPS接收机接收并处理后的信息发送到工控机进行显示。

3.根据权利要求1所述的一种ASF测量系统，其特征在于所述Loran-C接收机通过Loran天线接收Loran信号，Loran-C接收机输出1PPS信号到Loran内部计数模块；所述GPS接收机通过GPS天线接收GPS信号，GPS接收机输出1PSS信号到Loran内部计数模块。

4.根据权利要求3所述的一种ASF测量系统，其特征在于所述Loran内部计数模块用于将接收到的两个1PSS信号进行比较，得到两个1PSS信号的时间差t_N，并发送给Loran接收机通过工控机进行信息显示；

GPS接收机输出的1PPS信号和Loran-C接收机输出的1PPS信号的时间差t_N为：

t_N＝t_s+t_p+t_r 公式1

其中，t_s为发射台的发射延迟，t_p为信号传播延迟，t_r为接收机的系统延迟。

5.一种基于实验测量的ASF空时变化分离方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在实验区域中心建立监测站，获取实时不间断的ASF数据；

步骤2，选取实验所需天数的监测站的ASF实测数据，计算每天某一时段内ASF的均值ASF_i，通过每天某一时段内ASF的均值ASF_i，计算监测站的ASF空间基准值ASFs；

步骤3，拟定测量点，用ASF测量系统测量该点的ASF实测值，重复测量，得到ASF实测值ASF_m1、ASF_m2和ASF_m3……；

步骤4，根据拟定的测量点，计算在测量点每次测量时对应时间的ASF时变量的均值；

步骤5，根据测量点对应时间的ASF时变量的均值，计算测量点的空间基准值ASF_SP；

步骤6，通过对应时间的ASF时变量的均值和测量点的空间基准值ASF_SP计算实时的ASF数据，并发送给用户。

6.根据权利要求5所述的一种基于实验测量的ASF空时变化分离方法，ASF实测值ASF_m为：

根据t_p＝PF+SF+ASF 公式2

其中，PF是一次相位因子，指信号在大气中传播的时间延迟，SF是二次相位因子，指信号在全海水路径上传播相对于空气中传播的时延增量，ASF是附加二次相位因子，指信号在混合路径和具有山脉的不规则路径上传播相对于全海水路径而产生的额外时间延迟；

一次相位因子PF为：

其中，d为发射台和接收点间的距离；n_s为大气折射指数；_c为电磁波在真空中的传播速度；

二次相位因子SF为：

其中，W_g为地波衰减因子；ω为角频率；

由ASF测量系统测量得到的传播时延t_p为：

t_p＝t_N-t_s-t_r 公式5

即ASF实测值ASF_m为：

7.根据权利要求5所述的一种基于实验测量的ASF空时变化分离方法，其特征在于，步骤2中所述的计算监测站的ASF空间基准值ASFs的方法为：

S1，选取监测站5～10天晴朗天气的ASF监测数据；

S2，计算每天5点～6点内ASF的均值ASF_i；

S3，将所有天的ASF_i平均得到监测站的ASF空间基准值ASFs，即

其中，N为用于求ASF空间基准值的天数。

8.根据权利要求5所述的一种基于实验测量的ASF空时变化分离方法，其特征在于，步骤4中所述的计算在测量点每次测量时对应时间的ASF时变量的均值的方法为：

ASF_T＝ASF_M-ASF_S 公式8

其中，ASF_T为对应时间的ASF时变量的均值，ASF_M为监测站与测量时间相对应的ASF监测数据的均值，ASF_S为监测站的ASF空间基准值。

9.根据权利要求5所述的一种基于实验测量的ASF空时变化分离方法，其特征在于，步骤5中所述的计算测量点的空间基准值ASF_SP的方法为：

S1，将每次测量的ASF实测值ASF_mi减掉对应时间ASF时变量的均值ASF_Ti，得到测量点的空间分量ASF_SP1、ASF_SP2和ASF_SP3；

S2，将测量点多次测得的空间分量取平均，得到该测量点的空间基准值ASF_SP，即

10.根据权利要求5所述的一种基于实验测量的ASF空时变化分离方法，其特征在于，实时的ASF数据的计算方法为：

ASF＝ASF_SP+ASF_T-now 公式11

其中，ASF_SP为空间基准值，ASF_T-now为当前时间监测站的时变量。