一种基于GNSS的北极区域电离层相位闪烁因子构建方法技术

一种基于GNSS的北极区域电离层相位闪烁因子构建方法，用于北极区域天文灾害监测使用。首先选取位于北极区域的原始GNSS相位观测值，通过模型的方法改正其中的卫星钟、接收机相位中心、相对论、相位缠绕、对流层延迟和固体潮误差，利用精密单点定位方法进一步消除接收机钟差和未能用模型改正的对流层湿延迟，利用离散小波变换技术降低信号的噪声，降低噪声对电离层闪烁信号的提取；利用连续小波变换技术对上述信号进行时频分析，提取经验信号频带范围，并提取出电离层闪烁信号；设定平移窗口，对窗口内的电离层闪烁信号取标准差，完成电离层相位闪烁因子构建。其步骤简单，检测成本低，具有广泛的实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于GNSS的北极区域电离层相位闪烁因子构建方法
本专利技术涉及一种电离层闪烁因子构建方法，尤其适用于一种基于GNSS的北极区域电离层相位闪烁因子构建方法，用于北极区域低电离层闪烁天文灾害的监测、建模及预报。技术背景电离层闪烁是北极区域频发的一种天文灾害，是近年来空间科学面临的一大难题，给GNSS系统位置、导航与时间(PNT)服务的稳定性带来巨大挑战，例如2003年的万圣节电离层闪烁事件造成GNSS导航卫星中断服务，严重干扰了电力、银行系统以及北极航线的航行安全，造成经济损失。由此可见，电离层闪烁灾害对人类社会可持续发展构成了重大威胁，科学认识电离层闪烁发生规律，监测及预报电离层闪烁天文灾害对于防灾减灾具有重大现实意义。电离层闪烁会对GNSS信号带来振幅或者相位的剧烈波动。电离层闪烁因子是对该影响的定量表征，可以反映出电离层闪烁的强弱，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。为了测量电离层闪烁对GNSS信号的影响，通常需要电离层闪烁监测接收机(IonosphericScintillationMonitoringReceivers(ISMR))，其可以直接给出两类闪烁因子：振幅闪烁因子和相位闪烁因子。ISMR通常运行在50Hz的采样频率，导致其需要较大的存储空间，且价格较贵，进而限制了ISMR的布站数量。当前布设ISMR的电离层闪烁监测网络主要有欧洲航天局的Monitor项目、巴西的CIGALA/CALIBRA、ICEA和LISN项目和加拿大的CHAIN项目，共105个测站，其中仅有27个测站位于北极区域。由此可见，ISMR网络尚未对北极区域形成全覆盖，无法利用ISMR所提供的闪烁因子进行北极地区电离层闪烁的建模。相比于ISMR，采样频率通常在1Hz及以下的测地型接收机分布十分广泛，在北极区域布设测地型接收机的观测站超过300个，基本可以实现对北极陆地及近海的全覆盖，且这些测站的设立时间更久，可以提供更长时间序列的观测数据，有助于所建立的电离层闪烁模型吸收电离层闪烁变化的长周期项的影响。因此，构建基于测地型接收机的电离层闪烁因子，有利于提高所构建北极区域电离层闪烁模型的精度。目前，基于低采样频率的测地型接收机开发的电离层闪烁因子主要有四个，即总电子含量变化率指数(ROTI)、沿弧段总电子含量变化率指数(AATR)亦被称做TEC起伏、无电离层组合残差的标准差(σIF)和基于C/N0的闪烁因子(S4c)，其中S4c被验证与电离层振幅闪烁因子具有较强时空相关性，而前三种闪烁因子主要与相位闪烁因子相关。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，利用相位闪烁因子可以较好反映出北极区域电离层闪烁信息，所以这里将重点讨论前三种闪烁因子。测地型接收机与ISMR主要区别在于ISMR所采用的接收机钟更精确、更稳定。过大的钟差会淹没载波观测值中的电离层闪烁信号。为了消除测地型接收机中波动的钟差，ROTI和AATR均采用的历元间差分方法，该方法虽然可以消除一定的接收机钟差，但却降低了闪烁因子的时间分辨率，导致无法获得每个历元的闪烁因子；而σIF采用了无电离层组合估计接收机钟差的方法，克服了历元间做差的不足。为了检验测地型接收机给出的电离层闪烁因子的准确性，当前已有的研究验证了ROTI和AATR在电离层闪烁期间与ISMR给出的相位和振幅闪烁因子在低纬度和极区具有较强相关性，AATR已被欧洲地球静止导航重叠服务(EGNOS)选为表征电离层活动的参数之一。Juan等利用低纬度的数据无法验证σIF与ISMR提供的相位闪烁因子的相关性，因为σIF给出的是相位闪烁在两个频点共同作用的结果，而在相位闪烁对每个频点的影响是不同的。针对σIF无法提供每个频点的相位闪烁因子的缺点，Nguyen等引入0.1Hz截至频率的巴特沃斯滤波剔除载波信号中电离层折射作用影响，进而获得每个频点的闪烁因子，该闪烁因子采用的0.1Hz截至频率是依据低纬地区大量观测值而确定的菲涅耳频率(Fresnelfrequency)的经验值，北极地区的菲涅耳频率通常更高，而采用更高截至频率的巴特沃斯滤波会极大的削弱所估计闪烁因子的幅值，导致该滤波方法难以适用于北极。由此可见，虽然利用上述研究成果可以使得测地型接收机应用到电离层监测当中，但是目前针对构建北极地区的电离层闪烁因子方法尚缺乏深入研究。
技术实现思路
针对上述技术问题，提供了一种基于GNSS的北极区域电离层相位闪烁因子构建方法，可以给出GNSS每一频率上闪烁因子，利用电离层相位闪烁因子将分布较为广泛但采样频率较低的测地型接收机引入到北极区域电离层闪烁监测领域，能够解决因北极区域电离层闪烁接收机分布不足而导致的无法完备监测北极区域电离层闪烁天文灾害问。为实现上述技术目的，本专利技术的基于GNSS的北极区域电离层相位闪烁因子构建方法，首先选取位于北极区域的低采样频率观测信号的原始GNSS相位观测值，结合国际GNSS服务(IGS)提供的精密星历和测站坐标进行站星几何距离改正，通过模型的方法改正其中的卫星钟、接收机相位中心、相对论、相位缠绕、对流层延迟和固体潮误差，利用精密单点定位方法进一步消除接收机钟差和未能用模型改正的对流层湿延迟，利用离散小波变换技术降低信号的噪声，降低噪声对电离层闪烁信号的提取；利用连续小波变换技术，对上述信号进行时频分析，提取出北极区域电离层闪烁对应的经验信号频带范围，并对频带范围内的信号进行连续小波的逆变换，提取出电离层闪烁信号；设定一定长度的平移窗口，并对窗口内的电离层闪烁信号取标准差，完成基于GNSS低采样频率观测信号的电离层相位闪烁因子构建。具体步骤为：步骤1：准确确定测站坐标和每个观测历元的卫星坐标，之后改正改正每颗卫星至测站之间的几何距离：首先可通过公开的位于北极区域的GNSS数据观测网络获得GNSS原始观测数据；利用CPRS在线解算软件通过精密单点定位静态解算方法获得测站坐标，通过IGS提供的精密星历文件中记载的卫星坐标获取每个观测历元的卫星坐标，时间分辨率为15分钟，采用二阶拉格朗日算法内插出每个观测历元时刻的卫星坐标，根据测站坐标和每个观测历元的截止高度角在15°以上的卫星坐标，通过欧几里得度量获得卫星至测站几何距离改正参数，根据GNSS观测方程改正北极区域低采样频率GNSS原始载波相位观测值中卫星至测站几何距离，获得修正几何距离之后的观测值残差；步骤2：由于经过站星几何距离改正后的GNSS原始载波相位观测值依旧存在多种误差，因此采用模型改正的方式进行修正，具体包括固体潮、天线相位中心、卫星钟差、相对论、相位缠绕、对流层干延迟和部分湿延迟误差的修正：步骤3：对流层湿延迟精细改正和测站接收机钟差改正：利用精密单点定位(PPP)技术，将未通过建模改正部分的对流层湿延迟和测站接收机钟差作为精密单点定位中的待求参数，对二者进一步改正：利用模型改正后GNSS原始观测信号组成双频无电离层组合，将该组合作为精密单点定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于GNSS的北极区域电离层相位闪烁因子构建方法，其特征在于：/n本专利技术首先选取位于北极区域的低采样频率观测信号的原始GNSS相位观测值，结合国际GNSS服务(IGS)提供的精密星历和测站坐标进行站星几何距离改正，通过模型的方法改正其中的卫星钟、接收机相位中心、相对论、相位缠绕、对流层延迟和固体潮误差，利用精密单点定位方法进一步消除接收机钟差和未能用模型改正的对流层湿延迟，利用离散小波变换技术降低信号的噪声，降低噪声对电离层闪烁信号的提取；利用连续小波变换技术，对上述信号进行时频分析，提取出北极区域电离层闪烁对应的经验信号频带范围，并对频带范围内的信号进行连续小波的逆变换，提取出电离层闪烁信号；设定一定长度的平移窗口，并对窗口内的电离层闪烁信号取标准差，完成基于GNSS低采样频率观测信号的电离层相位闪烁因子构建。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于GNSS的北极区域电离层相位闪烁因子构建方法，其特征在于：
本发明首先选取位于北极区域的低采样频率观测信号的原始GNSS相位观测值，结合国际GNSS服务(IGS)提供的精密星历和测站坐标进行站星几何距离改正，通过模型的方法改正其中的卫星钟、接收机相位中心、相对论、相位缠绕、对流层延迟和固体潮误差，利用精密单点定位方法进一步消除接收机钟差和未能用模型改正的对流层湿延迟，利用离散小波变换技术降低信号的噪声，降低噪声对电离层闪烁信号的提取；利用连续小波变换技术，对上述信号进行时频分析，提取出北极区域电离层闪烁对应的经验信号频带范围，并对频带范围内的信号进行连续小波的逆变换，提取出电离层闪烁信号；设定一定长度的平移窗口，并对窗口内的电离层闪烁信号取标准差，完成基于GNSS低采样频率观测信号的电离层相位闪烁因子构建。


2.根据权利要求1所述的基于GNSS的北极区域电离层相位闪烁因子构建方法，其特征在于具体步骤为：
步骤1：准确确定测站坐标和每个观测历元的卫星坐标，之后改正改正每颗卫星至测站之间的几何距离：首先可通过公开的位于北极区域的GNSS数据观测网络获得GNSS原始观测数据；利用CPRS在线解算软件通过精密单点定位静态解算方法获得测站坐标，通过IGS提供的精密星历文件中记载的卫星坐标获取每个观测历元的卫星坐标，时间分辨率为15分钟，采用二阶拉格朗日算法内插出每个观测历元时刻的卫星坐标，根据测站坐标和每个观测历元的截止高度角在15°以上的卫星坐标，通过欧几里得度量获得卫星至测站几何距离改正参数，根据GNSS观测方程改正北极区域低采样频率GNSS原始载波相位观测值中卫星至测站几何距离，获得修正几何距离之后的观测值残差；
步骤2：由于经过站星几何距离改正后的GNSS原始载波相位观测值依旧存在多种误差，因此采用模型改正的方式进行修正，具体包括固体潮、天线相位中心、卫星钟差、相对论、相位缠绕、对流层干延迟和部分湿延迟误差的修正：
步骤3：对流层湿延迟精细改正和测站接收机钟差改正：利用精密单点定位(PPP)技术，将未通过建模改正部分的对流层湿延迟和测站接收机钟差作为精密单点定位中的待求参数，对二者进一步改正：
利用模型改正后GNSS原始观测信号组成双频无电离层组合，将该组合作为精密单点定位的基础观测值，组成如下观测方程：
V＝Ax-(L-D)
x＝[δX,δY,δZ,cδtR,δρz,wc,B1…Bi…BN]T
其中，A为系数矩阵，L为无电离层组合观测值，D为无电离层组合模型改正值，x为待解算参数包括测站三维坐标(δX，δY，δZ)、δρz,wc为天顶对流层湿延迟、cδtR为接收机钟差，B为模糊度，该观测方程采用卡尔曼滤波静态解算方式进行求解，滤波中的状态转移矩阵Φ为：
Φ＝diag(1,1,1,0,1,1,…,1)
系统噪声向量的协方差矩阵Q为：
Q＝diag(0,0,0,9×1010,10-4,0,…,0)
采用正向和反向运算相结合的方式提高天顶对流层湿延迟和测站接收机钟差的估计精度，并将反向运算的结果作为未能利用模型改正的天顶对流层湿延迟δρz,wc和测站接收机钟差cδtR的估计结果；通过Niell投影函数并结合GNSS观测方程将获得的天顶对流层延迟δρz,wc改正到每一卫星的观测值中；
步骤4：通过历元间做差的方法准确确定接收机钟差出现钟跳的发生历元，当钟跳存在时，历元间做差后的载波相位观测值会存在毫秒级的阶跃，利用精密单点定位方法无法准确估计出接收机钟差变化的细节部分，因而对经过站星几何距离改正、模型改正、对流层湿延迟改正和接收机钟差初步改正的GNSS载波相位观测值进行钟差的进一步精细改正；
步骤5：对经过上述步骤改正后的GNSS载波相位观测值利用离散小波变换的方法剔除观测噪声：采用现有的小波去噪经验信息：小波基选为多贝西极限相位小波，消失矩为2，小波分解层数为5层，降噪阈值确定方法为考虑信噪比的Stein无偏似然估计和固定阈值估计折中的原则，即信噪比很小时，按照Stein无偏似然估计处理时，信号噪声很大，在这种情况下，采用固定阈值处理，计算方法为其中n为数据的长度；
步骤6：利用连续小波变换提取闪烁对应频带区间及构建闪烁因子：对GNSS载波相位观测值经过上述步骤改正后，其残差为电离层缓慢变化的部分和电离层闪烁部分，利用连续小波变换的方法将信号从时间域变换到时间-频率域，通过时频分析，定位出突变信号即电离层闪烁信号的发生时刻及所在的特征频率区间，最终确定出Morse小波的对称参数和时间带宽积；利用以上参数对残差进行连续小波变换，并对位于特征频率区间的小波参数进行连续小波逆变换，获得电离层闪烁信号；以60s的时间间隔为滑动窗口，对电离层闪烁信号求标准差，获得基于GNSS低采样频率观测数据的电离层相位闪烁因子。


3.根据权利要求2所述的基于GNSS的北极区域电离层相位闪烁因子构建方法，其特征在于采用模型改正的方式对固体潮、天线相位中心、卫星钟差、相对论、相位缠绕、对流层干延迟和部分湿延迟误差的修正具体包括：
1)采用二阶简化潮汐模型针对GNSS...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵东升，李旺，李宸栋，唐旭，张克非，克雷格·汉考克，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32