一种GNSS电离层异常扰动参量提取方法技术

本发明专利技术公开了一种GNSS电离层异常扰动参量提取方法，包括以下步骤：GNSS电离层异常扰动总电子含量时序提取；三站最大熵谱分析法分析GNSS电离层总电子含量扰动时序；GNSS电离层异常扰动参量的确定。本发明专利技术针对GNSS电离层异常扰动探测，对研究其传播速度、方向和范围对探寻空间环境变化规律具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种GNSS电离层异常扰动参量提取方法
本专利技术涉及GNSS电离层空间环境探测
，具体涉及一种基于三站最大熵谱分析的GNSS电离层异常扰动参量提取方法。
技术介绍
目前，电离层异常扰动是电离层结构偏离常规形态的急剧变化。电离层作为地球大气层中一个良好的导电薄层，磁层空间的电流体系以及各种电场和粒子效应都会进入电离层，同时，低层大气乃至地面的各种扰动，也将通过与热层耦合中的各种动力学过程和非线性机制，引起电离层异常扰动。由于电离层中存在大量的与太阳活动、磁层过程、低层大气气象过程相联系的扰动现象，包括多种时间尺度的波动与扰动，多种空间尺度的运动与不均匀性，使之成为日地空间环境监测研究的一个关键环节。目前，探测电离层的主要手段包括电离层测高仪、非相干散射雷达以及GNSS技术。其中，GNSS技术是最方便、且连续可对大范围进行电离层探测的手段。针对GNSS电离层异常扰动探测，研究其传播速度、方向和范围对探寻空间环境变化规律具有重要意义。由探测数据估计扰动传播参量常用的方法是时域方法和频域方法，这两种方法仅适用于平稳、单一和非色散的异常扰动分析，然而，大尺度的电离层异常扰动是非平稳、非单一和色散的。因此，本领域亟待更好的技术方法出现。单颗卫星的电离层总电子含量(totalelectroncontent,TEC)的时序持续时间一般较短，不超过6小时，因此，对于电离层异常扰动分析只能局限于较短的探测数据。要进行准确的谱分析，要求时间序列自身满足很多的物理实际和工程上的原则。快速FFT的傅里叶变换是谱分析中常用的一种技术，其适合对信号在时域和空域上进行整体分析。傅里叶变换只有在数据序列的长度足够大的情况下才是准确的，对于很短的数据序列，传统的功率谱估计的方法，例如平滑和加窗的过程所提供的频率分辨率较低，另外，还伴有吉布斯现象。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种GNSS电离层异常扰动参量提取方法，利用三站最大熵谱分析法提取电离层异常扰动参量，对GNSS电离层异常扰动总电子含量时序提取，利用三站谱分析法分析GNSS电离层总电子含量扰动时序，对GNSS电离层异常扰动参量进行确定。本专利技术采用的技术方案是：一种GNSS电离层异常扰动参量提取方法，包括以下步骤：GNSS电离层异常扰动总电子含量时序提取；三站最大熵谱分析法分析GNSS电离层总电子含量扰动时序；GNSS电离层异常扰动参量的确定。进一步地，所述GNSS电离层异常扰动总电子含量时序提取包括以下步骤：在拟合GNSS电离层总电子含量背景值时，将其按时间和纬度的二次方展开，将作为背景的垂直TEC展开成纬度和世界时的函数，如下：(1)通过最小二乘法可以计算上式系数又由(2)式中，为信号传播斜路径上的总电子含量，为垂直总电子含量，为穿刺点IPP处卫星传播路径方向的天顶距，分别为接收机和卫星的硬件延迟偏差；结合式(1)和(2)得到电离层扰动，即：(3)式中，和分别为地理纬度和世界时；为穿刺点处天顶距为最小值时对应的世界时；为时刻穿刺点处的纬度；将计算得到的系数代入式(3)，得到。更进一步地，所述三站最大熵谱分析法分析GNSS电离层总电子含量扰动时序包括以下步骤：利用最大熵谱分析法分析滤波后的GNSSTEC扰动时序，获取电离层扰动的主频率及扰动时序在三个测站之间的相位差：设X和为两个信号时间序列，其互谱密度表示为：(4)(5)根据互谱性质，两个时间序列的相位差表示为：(6)利用三站GNSSTEC时序和进行最大熵互谱分析，通过在滑动窗口内使用三站最大熵谱分析，可以得到视在角频率和对应的电离层异常扰动相位差，然后，对这些计算得到的传播参量进行统计分析；通过视在角频率，进行伽利略变换从而得到异常扰动的真实角频率。更进一步地，所述GNSS电离层异常扰动参量的确定包括以下步骤：假定待求的电离层异常扰动水平波数为，则(7)由上式可得：(8)计算电离层异常扰动的水平相速度和传播方位角，即(9)。本专利技术的优点：首先，本专利技术在拟合GNSS电离层TEC背景值时，将其按时间和纬度的二次方展开，从而提取GNSS电离层异常扰动总电子含量时序；其次，利用最大熵谱分析法分析滤波后的GNSSTEC扰动时序，获取电离层扰动的主频率及扰动时序在三个测站之间的相位差；最后，利用三个测站建立局部坐标系，选取其中任一测站所在的位置为坐标原点建立局部直角坐标系，根据三站最大熵谱分析法得到的频率和相位差可确定电离层异常扰动的传播参量。本专利技术针对GNSS电离层异常扰动探测，对研究其传播速度、方向和范围对探寻空间环境变化规律具有重要意义。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术的区域GNSS测站分布图；图2为本专利技术的一组GNSS台阵(HAQS-HBJM-WUHN)示意图。图3为本专利技术的对电离层TEC扰动序列进行最大熵互谱分析得到的水平传播参量时域分布结果图（其中(a)为GNSS台阵对于3号卫星电离层TEC扰动传播的方位角；(b)为GNSS台阵对于3号卫星电离层TEC扰动的水平相速度；(c)为GNSS台阵对于19号卫星电离层TEC扰动传播的方位角；(d)为GNSS台阵对于19号卫星电离层TEC扰动的水平相速度）。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。一种GNSS电离层异常扰动参量提取方法，包括以下步骤：GNSS电离层异常扰动总电子含量时序提取；三站最大熵谱分析法分析GNSS电离层总电子含量扰动时序；GNSS电离层异常扰动参量的确定。首先，本专利技术在拟合GNSS电离层TEC背景值时，将其按时间和纬度的二次方展开，从而提取GNSS电离层异常扰动总电子含量时序；其次，利用最大熵谱分析法分析滤波后的GNSSTEC扰动时序，获取电离层扰动的主频率及扰动时序在三个测站之间的相位差；最后，利用三个测站建立局部坐标系，选取其中任一测站所在的位置为坐标原点建立局部直角坐标系，根据三站最大熵谱分析法得到的频率和相位差可确定电离层异常扰动的传播参量。本专利技术针对GNSS电离层异常扰动探测，对研究其传播速度、方向和范围对探寻空间环境变化规律具有重要意义。本实施例中(1)GNSS电离层异常扰动总电子含量时序提取在拟合GNSS电离层总电子含量(totalelectroncontent本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GNSS电离层异常扰动参量提取方法，其特征在于，包括以下步/n骤：/nGNSS电离层异常扰动总电子含量时序提取；/n三站最大熵谱分析法分析GNSS电离层总电子含量扰动时序；/nGNSS电离层异常扰动参量的确定。/n

【技术特征摘要】
1.一种GNSS电离层异常扰动参量提取方法，其特征在于，包括以下步
骤：
GNSS电离层异常扰动总电子含量时序提取；
三站最大熵谱分析法分析GNSS电离层总电子含量扰动时序；
GNSS电离层异常扰动参量的确定。


2.根据权利要求1所述的GNSS电离层异常扰动参量提取方法，其特征
在于，所述GNSS电离层异常扰动总电子含量时序提取包括以下步骤：
在拟合GNSS电离层总电子含量背景值时，将其按时间和纬度的二次方展开，将作为背景的垂直TEC展开成纬度和世界时的函数，如下：

(1)
通过最小二乘法可以计算上式系数
又由

(2)
式中，为信号传播斜路径上的总电子含量，为垂直总电子含量，为穿刺点IPP处卫星传播路径方向的天顶距，分别为接收机和卫星的硬件延迟偏差；
结合式(1)和(2)得到电离层扰动，即：

(3)
式中，和分别为地理纬度和世界时；为穿刺点处天顶距为最小值时对应的世界时；为时刻穿刺点处的纬度；将计算得到的系数代入式(3)，得到。


3.根据权利要求1所述的GNSS电离层异...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤俊，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：江西;36