一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法技术

本发明专利技术公开了一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，属于卫星导航技术领域。本发明专利技术包括以下步骤：划分子网络；执行基于观测量差分的电离层空间梯度监测和单站电离层延迟时间梯度监测；确定电离层穿刺点的状态；对于状态待定的子网络中心站进一步确定穿刺点状态；综合信息处理设备估计区域广域异常的预计影响范围和局域扰动的实时影响范围；综合信息处理设备对穿刺点处于实时影响范围内的用户提供告警信息，对穿刺点处于预计影响范围内的用户提供预警信息。本发明专利技术可实现对异常影响范围与预计影响范围估计，具备实时性高、监测能力强的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法
本专利技术涉及一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，属于卫星导航的完好性与电离层监测

技术介绍
电离层延迟是卫星导航领域中的主要误差源之一，电离层异常如电离层风暴、电离层闪烁是影响GNSS应用的主要完好性风险。针对电离层异常问题，GBAS(Ground-BasedAugmentationSystems，地基增强系统)基于局域监测站通过码载波一致性监测算法CCD、电离层空间梯度监测算法IGM等算法进行实时监测，但是，这种方式的监测范围有限，并且监测结果易受其它误差影响，监测结果不精准。SBAS(Satellite-BasedAugmentationSystem，即星基增强系统)基于电离层网格实现电离层校正，具备一定的电离层异常监测功能，但是缺乏对异常的分类与预警能力。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，其克服了现有电离层完好性监测算法的不足，实现了电离层异常的实时监测、特征参数提取与预警。本专利技术是通过下述技术方案实现的：一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，所述监测站网包括一个综合信息处理设备、N个广域分布的监测站，以及与监测站一一对应的监测站信息处理设备，N＞1；该方法包括以下步骤：(1)以各监测站的位置为节点，生成不规则三角形网，任意一个监测站k以及不规则三角形网中与其直接相连的M个监测站，构成子网络k，其中，监测站信息处理设备k定义为子网络k的中心处理设备，监测站k及监测站信息处理设备k为子网络k的中心站，其余M个监测站及其监测站信息处理设备为子网络k的普通站；(2)在各子网络的中心站上执行基于观测量差分的电离层空间梯度监测，得到各子网络中心站电离层穿刺点的电离层异常空间梯度及告警信息，其中，下标k代表穿刺点对应的子网络的中心站，下标l代表穿刺点对应的卫星，为二维矢量；(3)在各子网络的中心站上执行单站电离层延迟时间梯度监测，得到各子网络中心站电离层穿刺点的电离层异常时间梯度Grid_Tk，l及告警信息，Grid_Tk，l为标量；(4)在各子网络的中心站上执行电离层穿刺点状态判断，确定电离层穿刺点的状态为正常、局域扰动还是状态待定；(5)对于状态待定的子网络中心站，再执行电离层穿刺点时间梯度与空间梯度匹配，进一步确定穿刺点状态为区域异常还是局域扰动；对于状态为区域异常的穿刺点，得到包括电离层空间梯度电离层移动速度的电离层信息；(6)各子网络中心站将本站的穿刺点状态及相关信息上报综合信息处理设备；根据所有区域异常穿刺点的信息，综合信息处理设备估计区域广域异常的实时影响范围、移动速度、空间梯度，并根据影响范围、移动速度、预计时间估计得到区域广域异常的预计影响范围；此外，综合信息处理设备根据各局域扰动穿刺点的位置估计局域扰动的实时影响范围；(7)综合信息处理设备根据用户坐标计算用户穿刺点，对穿刺点处于实时影响范围内的用户提供告警信息，对穿刺点处于预计影响范围内的用户提供预警信息。进一步的，所述不规则三角形网的生成方式为凸包插值法。进一步的，所述在全部子网络的中心站上执行基于观测量差分的电离层空间梯度监测，具体方式为：(1)构建子网络中心站与普通站的RTK双差观测方程，解算得到电离层双差延迟；(2)建立中心站与普通站的伪距单差观测方程，得到中心站与普通站的站间单差电离层延迟；(3)根据电离层双差延迟、站间单差电离层延迟进行加权最小二乘估计，得到站间单差电离层延迟ΔIk，s，l，下标s表示对应的普通站；(4)对于电离层异常卫星，根据监测站位置、卫星位置确定中心站穿刺点位置、穿刺点距离dk，s，l以及倾斜因子Fk，l，构建观测方程以估计电离层空间梯度观测方程为：其中，ΔIk，s，l表示站间电离层延迟单差，Fk，l表示电离层倾斜因子，代表电离层穿刺点单位方向矢量的转置，dk，s，l代表电离层穿刺点距离，k表示中心站，s代表普通站，l代表卫星；(5)对电离层空间梯度的绝对值进行监测，当其超过门限值时产生告警信息。进一步的，所述在各子网络的中心站上执行单站电离层延迟时间梯度监测，具体方式为：在子网络中心站上执行码载波一致性监测和双频载波一致性监测，当两个监测均产生告警时，判定为异常，然后采用双频载波一致性监测的估计值与码载波一致性监测的估计值进行平差估计，得到电离层异常时间梯度Grid_Tk，l；其中，码载波一致性监测表示为：式中，Dvgc(t)代表历元t的码载波一致性监测估计的电离层时间梯度，w表示滤波权值系数，ρ(t)表示伪距观测量，表示载波相位观测量，T表示历元间间隔；双频载波一致性监测表示为：式中，Dfgc(t)代表历元t的双频载波一致性估计的电离层时间梯度，下标i1、i2表示频点。进一步的，所述在各子网络的中心站上执行电离层穿刺点状态判断，具体方式为：(1)若电离层时间梯度与空间梯度均未告警，则判定为正常；(2)若电离层时间梯度与空间梯度均告警，则判定为状态待定；(3)其余情况，判定为局域扰动。进一步的，所述对于状态待定的子网络中心站，再执行电离层穿刺点时间梯度与空间梯度匹配，具体方式为：(1)状态待定的子网络中心站获取本站的所有邻接站穿刺点，若一领接站穿刺点的电离层时间梯度与本站穿刺点的电离层时间梯度的差的绝对值大于门限值，则判定该领接站穿刺点为有效领接站穿刺点，统计有效领接站穿刺点的数量，若数量小于阈值，则判定本站为局域扰动，匹配结束；否则，进入后续匹配流程；(2)根据本站穿刺点与领接站穿刺点的告警时间差Δtk，s，l、距离dk，s，l以及电离层异常时间梯度Grid_Tk，l建立观测方程，估计电离层移动速度和空间梯度其中，观测方程为：式中，上标T表示矩阵转置；(3)计算空间梯度与矢量差值的绝对值，若该绝对值小于异常阈值，则判定为区域异常，并对与进行平差估计，得到否则，判定为局域扰动。进一步的，步骤(6)中，所述区域广域异常的实时影响范围的估计方式为，采用K均值聚类方法对区域异常穿刺点进行分组，对每组采用凸包生成法确定区域广域电离层异常的影响范围；移动速度、空间梯度的估计方式为，对分组内穿刺点的移动速度、空间梯度进行平差估计，得到分组内的移动速度、空间速度；局域扰动的实时影响范围的估计方式为，局域扰动穿刺点的周边正常领接站穿刺点连接所构成的闭合边界。本专利技术与现有技术相比所取得的有益效果为：1、本专利技术可实现对电离层异常的实时监测。2、本专利技术可实现对电离层异常的分类。3、本专利技术可实现对电离层异常特征参数的提取。4、本专利技术可实现对电离层异常影响范围与预计影响范围限定。附图说明图1为本专利技术实施例中电离层异常监测预警方法的原理示意图。图2为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，所述监测站网包括一个综合信息处理设备、N个广域分布的监测站，以及与监测站一一对应的监测站信息处理设备，N＞1；其特征在于，包括以下步骤：/n(1)以各监测站的位置为节点，生成不规则三角形网，任意一个监测站k以及不规则三角形网中与其直接相连的M个监测站，构成子网络k，其中，监测站信息处理设备k定义为子网络k的中心处理设备，监测站k及监测站信息处理设备k为子网络k的中心站，其余M个监测站及其监测站信息处理设备为子网络k的普通站；/n(2)在各子网络的中心站上执行基于观测量差分的电离层空间梯度监测，得到各子网络中心站电离层穿刺点的电离层异常空间梯度

【技术特征摘要】
1.一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，所述监测站网包括一个综合信息处理设备、N个广域分布的监测站，以及与监测站一一对应的监测站信息处理设备，N＞1；其特征在于，包括以下步骤：
(1)以各监测站的位置为节点，生成不规则三角形网，任意一个监测站k以及不规则三角形网中与其直接相连的M个监测站，构成子网络k，其中，监测站信息处理设备k定义为子网络k的中心处理设备，监测站k及监测站信息处理设备k为子网络k的中心站，其余M个监测站及其监测站信息处理设备为子网络k的普通站；
(2)在各子网络的中心站上执行基于观测量差分的电离层空间梯度监测，得到各子网络中心站电离层穿刺点的电离层异常空间梯度及告警信息，其中，下标k代表穿刺点对应的子网络的中心站，下标l代表穿刺点对应的卫星，为二维矢量；
(3)在各子网络的中心站上执行单站电离层延迟时间梯度监测，得到各子网络中心站电离层穿刺点的电离层异常时间梯度Grid_Tk，l及告警信息，Grid_Tkul为标量；
(4)在各子网络的中心站上执行电离层穿刺点状态判断，确定电离层穿刺点的状态为正常、局域扰动还是状态待定；
(5)对于状态待定的子网络中心站，再执行电离层穿刺点时间梯度与空间梯度匹配，进一步确定穿刺点状态为区域异常还是局域扰动；对于状态为区域异常的穿刺点，得到包括电离层空间梯度电离层移动速度的电离层信息；
(6)各子网络中心站将本站的穿刺点状态及相关信息上报综合信息处理设备；根据所有区域异常穿刺点的信息，综合信息处理设备估计区域广域异常的实时影响范围、移动速度、空间梯度，并根据影响范围、移动速度、预计时间估计得到区域广域异常的预计影响范围；此外，综合信息处理设备根据各局域扰动穿刺点的位置估计局域扰动的实时影响范围；
(7)综合信息处理设备根据用户坐标计算用户穿刺点，对穿刺点处于实时影响范围内的用户提供告警信息，对穿刺点处于预计影响范围内的用户提供预警信息。


2.根据权利要求1所述的一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，其特征在于，所述不规则三角形网的生成方式为凸包插值法。


3.根据权利要求1所述的一种基于监测站网的电离层异常监测预警方法，其特征在于，所述在全部子网络的中心站上执行基于观测量差分的电离层空间梯度监测，具体方式为：
(1)构建子网络中心站与普通站的RTK双差观测方程，解算得到电离层双差延迟；
(2)建立中心站与普通站的伪距单差观测方程，得到中心站与普通站的站间单差电离层延迟；
(3)根据电离层双差延迟、站间单差电离层延迟进行加权最小二乘估计，得到站间单差电离层延迟ΔIk，s，l，下标s表示对应的普通站；
(4)对于电离层异常卫星，根据监测站位置、卫星位置确定中心站穿刺点位置、穿刺点距离dk，s，l以及倾斜因子Fk，l，构建观测方程以估计电离层空间梯度观测方程为：



其中，ΔIk，s，l表示站间电离层延迟单差，Fk，l表示电离层倾斜因子，代表电离层穿刺点单位方向矢量的转置，dk，s...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵精博，蔚保国，盛传贞，杨建雷，刘亮，郝硕，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：河北;13