一种基于余弦模型的罗兰天波经过电离层时延预测方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于余弦模型的罗兰天波信号经过电离层时延预测方法和装置，该方法包括根据实际测量的所述罗兰天波经过电离层时延结合数学方法构建第一余弦模型，所述第一余弦模型中的第一参数包括相位、幅度、周期和直流常数项；确定所述第一余弦模型的第一参数值；利用第二余弦模型对罗兰天波进行电离层时延预测，所述第二余弦模型为将所述第一参数值代入所述第一余弦模型后获得的模型。本发明专利技术的方案经过电离层时延方法简单有效，且精度较高。高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于余弦模型的罗兰天波经过电离层时延预测方法和装置


[0001]本专利技术属于地基长波无线导航
，具体涉及一种基于余弦模型的罗兰天波经过电离层时延预测方法和装置。

技术介绍

[0002]罗兰是远距离无线导航系统的简称。它专利技术于上世纪60年代，目前作为全球卫星导航系统的备份系统使用。近年来随着现代数字信号处理技术和天线收发技术的发展，传播距离较远的罗兰天波应用已经成为可能。但由于罗兰天波传播路径经过电离层反射，而电离层特性复杂且不确定，产生的时延难以预测。
[0003]传统的罗兰天波经过电离层时延计算方法从电磁原理着手，利用解析或数值方法进行计算。由于计算步骤繁琐涉及参数量大，且其中电离层大量参数变化无规律不能准确给出，因此计算多偏向于理论仿真，难以实际应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于余弦模型的罗兰天波经过电离层时延预测方法和装置，基于实测余弦模型，可以对罗兰天波传播过程中经过电离层产生的时延进行预测，简单清晰，易于计算，可以提高罗兰天波信号经过电离层时延预测的准确性。
[0005]第一方面，提供一种基于余弦模型的罗兰天波经过电离层时延预测方法，具体按照以下步骤实施：
[0006]步骤1、根据实际测量的罗兰天波经过电离层时延结合数学方法构建余弦模型，分析余弦模型参数；
[0007]步骤2、计算余弦模型的相位参数；
[0008]步骤3、计算余弦模型的幅度和周期参数；
[0009]步骤4、将所有参数带入余弦模型进行计算对罗兰天波经过电离层时延进行预测。
[0010]本专利技术的特点还在于，步骤1具体按照以下步骤实施：
[0011]步骤1.1、罗兰天波经过电离层时延的测量如图1所示。将GNSS接收机和罗兰接收机分别通过各自接收天线接收信号，其中一台授时型GNSS接收机为测量提供时间基准，它的标准秒脉冲信号同罗兰接收机输出的脉冲周期信号通过计数器进行比较，差值减去理论传播时延就是实际测量到的天波经过电离层时延。
[0012]步骤1.2、余弦模型包含四个参数：分别是直流常数项、余弦函数的幅度、相位和周期。其中直流常数项与计算过程中电离层等效反射高度相关，由于信号频率确定，因此直流常数可以设置为25，单位为微妙。
[0013]步骤2中计算余弦模型的相位参数，需要已知反射点的时间信息，时间信息又和反射点位置坐标相关，具体按以下步骤实施：
[0014]步骤2.1、电离层反射点是天波传播路径的中间位置，虽然地球并不是规则球体，
但由于偏心率较小，且电离层电子总量在一定距离范围内分布可以认为是相同的，可以以此为基础计算收发两点中间反射点的经纬度坐标和λ
m
，公式如下所示：
[0015][0016]公式(1)中，和λ
s
分别为发射台站的经纬度坐标，和λ
r
分别为接收点的经纬度坐标，坐标都以北半球和东经为正；
[0017]步骤2.2、余弦模型的相位信息同本地时间和地理上的正午时间相关，从接收罗兰信号中提取的电文内容含有世界协调时的时间信息，结合步骤2.1中计算的电离层反射点的位置经度，可以计算出反射点附近的本地时间和地理正午时间。其中反射点附近的本地时间t为：
[0018][0019]式(2)中，UTC为从罗兰信号调制电文中解调出的世界协调时，如果计算结果大于86400秒，减去86400即可，使结果保持在0到24小时之间的秒数。
[0020]我国地理时区为东八区，对应经线为120
°
。而地球自转一周约1440分钟 (误差很小可以忽略不计)，对应每四分钟自转1
°
，计算所处位置的地理正午时间τ的公式为：
[0021]τ＝(120
‑
λ
m
)
×4×
60+43200
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0022]步骤3中需要计算的幅度和周期参数是一组用于表示电离层系数的多项式系数。它们是根据实测的电离层时延信息通过拟合得到的幅度和周期多项式系数。反映了当前时间地点的电离层变化特性，具体按照以下步骤实施：
[0023]步骤3.1、地磁北极是地球表面磁场方向垂直向下的点，位置随时间不断移动，与地理上定义的北极不同。电离层的特性中电子总数通常是与地磁坐标相关，需要将地理的反射点坐标转换成地磁的反射点坐标，那么地磁纬度φ可以表示为：
[0024][0025]式(4)中，φ
p
和λ
p
分别为地磁参考纬度和经度，取值分别为78.3
°
和291
°
；
[0026]步骤3.2、多项式系数拟合是以GNSS接收设备为基准通过差分方式对电离层时延进行精确测量的数据为基础，再使用Matlab等软件工具对余弦模型的幅度和周期系数进行拟合；
[0027]步骤3.3、电离层夜间变化平稳，可以用直流常数项来表示。但电离层整体会随着季节变化，夏季白天时间长，夜间平稳时传播时延较小。冬季白天时间短，夜间平稳时传播时延较大。因此需要加入季节因子来进行辅助计算，季节因子通过对直流常数进行修正确保模型更加精确，同步骤3.2相同在软件拟合时进行计算。
[0028]步骤4中最终罗兰天波电离层时延预测公式为：
[0029][0030]式(5)中，
[0031][0032][0033]α
n
和β
n
分别表示余弦模型的幅度多项式系数和周期多项式系数，F
d
和F
n
分别表示白天时段和夜晚时段的季节因子，φ为地磁纬度。
[0034]第二方面，提供一种基于余弦模型的罗兰天波经过电离层时延预测装置，包括：处理器，用于根据实际测量的所述罗兰天波经过电离层时延结合数学方法构建第一余弦模型，所述第一余弦模型中的第一参数包括相位、幅度、周期和直流常数项；确定所述第一余弦模型的第一参数值；利用第二余弦模型对罗兰天波进行电离层时延预测，所述第二余弦模型为将所述第一参数值代入所述第一余弦模型后获得的模型。该处理器可以执行上述第一方面方法示例中的相应功能，具体参见方法示例中的详细描述，此处不做赘述。
[0035]第三方面，提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，该计算机程序包括用于执行第一方面或第一方面的任意可能的实现方式中的方法的指令。
[0036]本专利技术的有益效果是，通过电离层的变化规律和实测信号时延数据构建出余弦模型，并将反映电离层传播特性的参数拟合到模型系数中，简单清晰，易于计算，大大提高了罗兰天波信号经过电离层时延预测的准确性。
附图说明
[0037]图1是本专利技术一种基于余弦模型的罗兰天波经过电离层时延预测方法中实际时延测量的结构框图；
[0038]图2是本专利技术一种基于余弦模型的罗兰天波经过电离层时延预测方法中通过GNSS本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于余弦模型的罗兰天波经过电离层时延预测方法，其特征在于，包括：根据实际测量的所述罗兰天波经过电离层时延结合数学方法构建第一余弦模型，所述第一余弦模型中的第一参数包括相位、幅度、周期和直流常数项；确定所述第一余弦模型的第一参数值；利用第二余弦模型对罗兰天波进行电离层时延预测，所述第二余弦模型为将所述第一参数值代入所述第一余弦模型后获得的模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述第一余弦模型的第一参数值，包括：利用全球卫星导航定位系统GNSS接收机和罗兰接收机分别通过各自接收天线接收信号，其中所述GNSS接收机为测量提供时间基准；根据接收到的所述信号分别计算所述GNSS接收机的标准秒脉冲信号与所述罗兰接收机输出的脉冲周期信号；计算所述GNSS接收机的标准秒脉冲信号与所述罗兰接收机输出的脉冲周期信号的差值；将所述差值与理论传播时延作减获得实际测量到的所述罗兰天波经过电离层时延；根据所述电离层时延确定所述第一参数值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述电离层时延确定所述第一参数值，包括：根据以下公式确定所述第一参数值：其中，τ
iono
表示所述电离层时延，A
m
为所述幅度，T为所述周期，τ为所述相位，25为所述直流常数项，F
d
表示白天时段的季节因子，F
n
表示夜晚时段的季节因子。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述所述所述α
n
和β
n
分别是根据实测的电离层时延信息通过拟合得到的幅度多项式系数和周期多项式系数，φ为地磁纬度。5.一种基于余弦模型的罗兰天波经过电离层时延预测装置，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张恺，郑晨，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：