一种基于GISM星历的电离层闪烁过程受扰GNSS卫星识别与风险预警方法技术

本发明专利技术涉及GNSS卫星监测和电离层监测技术领域，特别是涉及一种基于GISM星历的电离层闪烁过程受扰GNSS卫星识别与风险预警方法，包括步骤：利用电离层闪烁时空域特征数据，基于GISM预测模型构建电离层闪烁空间分布网格图和闪烁强度等级；根据预报星历计算出卫星坐标，基于GNSS接收机天线、GNSS卫星、电离层空间的几何关系，计算出来GNSS卫星的穿刺点位置，并将其与电离层闪烁的位置进行匹配，识别出受扰GNSS卫星；利用预测的电离层闪烁强度等级和关联性GNSS性能评价指标，对受扰GNSS卫星进行风险预警，建立电离层闪烁过程GNSS卫星性能衰减与分级评价指标体系，为北斗在亚澳扇区强电离层闪烁过程实现准确、可靠、完整的全天候导航定位提供重要的理论和技术支撑。航定位提供重要的理论和技术支撑。航定位提供重要的理论和技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种基于GISM星历的电离层闪烁过程受扰GNSS卫星识别与风险预警方法


[0001]本专利技术涉及GNSS卫星监测和电离层监测
，特别是涉及一种基于GISM星历的电离层闪烁过程受扰GNSS卫星识别与风险预警方法。

技术介绍

[0002]电离层是影响GNSS服务性能的重要来源之一，特别是异常的电离层活动，会对无线电信号产生极其不稳定的影响，无线电信号穿过异常电离层时，会产生信号振幅和相位都发生波动的电离层闪烁现象，电离层闪烁对GNSS也会产生严重甚至破坏性影响，美国已将电离层闪烁列为GPS系统的主要威胁之一，导航卫星信号穿过不规则结构的电离层时，信号群时延和相位超前量将出现起伏，不仅会引起接收到的GNSS信号幅度和相位的快速随机起伏和衰弱，甚至出现误码和信号畸变，影响信号质量，严重时会导致载波相位产生周跳，甚至卫星失锁，降低卫星空间几何结构的强度，增加定位误差甚至无法定位，显著地降低了GNSS的可用性和完好性。
[0003]国外于1994年，由Clynch和Henry首次在靠近南极地区利用Ashtech P
‑
12接收机观测到2～3颗GPS卫星在持续20分钟高强度电离层闪烁时发生失锁，随后，国外研究人员又在亚澳扇区开展了电离层闪烁影响GPS性能的试验，研究发现：电离层闪烁时，L2相位观测中断，L2码经常失锁，但L1跟踪性能下降程度较小；电离层闪烁会影响GPS卫星的空间几何结构，导致精度降低；信号衰减较大时，导航将中断；中、强相位闪烁会影响载波平滑算法的性能，定位误差将会增倍；闪烁情况越严重，信号失锁的概率越高。
[0004]目前，我国已开展的电离层闪烁相关研究主要集中在闪烁的监测预报、区域特性统计分析等方面，但在电离层闪烁影响GNSS性能方面的研究还没有深入探索，尤其在亚澳扇区、大时间尺度的电离层闪烁影响GNSS性能的研究，缺乏系统、完整的性能评价指标体系，特别是亚澳扇区电离层闪烁影响北斗性能的评价指标体系和风险分级预警几乎处于空白。
[0005]我国对电离层闪烁影响北斗/GNSS性能的研究起步较晚、研究较少，且主要以模拟仿真和试验研究为主，当前，尤其在亚澳扇区大时间尺度的电离层闪烁影响GNSS性能的研究，缺乏系统、完整的性能评价指标体系，特别是亚澳扇区电离层闪烁影响北斗性能的评价指标体系和风险分级预警几乎处于空白。
[0006]GISM是目前国际上研究电离层闪烁的主要预测模型，然而，由于强电离层闪烁频发的亚澳扇区缺乏高分辨率的电离层闪烁时空特征数据，GISM预测值与实测值仍存在一些偏差。
[0007]我国自主的风云三号C/D(FY
‑
3C/D)卫星搭载的GNSS掩星探测装置(GNSS Occultation Sounder，GNOS)可以为亚澳扇区高时空分辨率电离层闪烁探测提供一种新的技术手段，但是相关理论成果在国内甚少，亟需利用所述技术手段来提高亚澳扇区GISM电离层闪烁预测的准确性。
[0008]利用GISM预测数据和GNSS星历精准识别受扰卫星及预警其风险等级，这在国内还没有一个成型的方案，该研究具有重要意义。

技术实现思路

[0009]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于GISM星历的电离层闪烁过程受扰GNSS卫星识别与风险预警方法。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种基于GISM星历的电离层闪烁过程受扰GNSS卫星识别与风险预警方法，包括以下步骤：
[0011]S1：利用电离层闪烁时空域特征数据，构建电离层闪烁空间分布网格图和闪烁强度等级；
[0012]S2：将S1所得到的电离层闪烁空间位置进行匹配，识别出受扰GNSS卫星；
[0013]S3：对受扰GNSS卫星进行风险预警。
[0014]上述技术方案中，在S1中，亚澳扇区的电离层闪烁时空域特征数据的获取方案如下：
[0015]收集近20年地基GNSS、星历、FY
‑
3C/D和美国COSMIC的GNOS、空间天气、气象观测数据；获取亚澳扇区的电离层闪烁仪数据，包括幅度闪烁指数S4、相位闪烁指数和信噪比C/N0。。对数据进行综合分类、标准化和预处理，为后续研究提供重要的数据保障和试验平台。
[0016]上述技术方案中，在S1中，采用所述电离层闪烁数据，结合GNSS/GNOS反演的电离层TEC变化率标准差ROTI，预先对亚澳扇区电离层闪烁时空域特征进行分析。
[0017]上述技术方案中，在S1中，电离层闪烁昼夜、季度与年际变化图的绘制包括：基于GIM数据采用双线性内插方法进行空间插值获取某一穿刺点的TEC值，插值公式如下：TEC(λ0+pΔλ，β0+qΔβ)＝(1
‑
p)(1
‑
q)TEC
0，0
+p(1
‑
q)TEC
1，0
+q(1
‑
p)TEC
0，1
+pqTEC
1，1
ꢀꢀꢀ
(1)其中，λ0，β0为参考点(0，0)的经纬度，即网格中最接近未知点的网格点；Δλ，Δβ为经纬度的网格宽度，Δλ＝5
°
，Δβ＝2.5
°
；TEC
0，0
，TEC
1，0
，TEC
0，1
，TEC
1，1
分别表示四个格网点处的TEC值；p和q可由下式计算得到：(2)其中，0≤p＜1，0≤q＜1。
[0018]由于某些地区GNSS观测站密度较为稀疏，GIM的TEC数据精度较低，本项目将首先以实测的电离层ROTI数据为基础，基于式(1)反算出GIM网格点电离层闪烁ROTI指数，并以此绘制出电离层闪烁图。
[0019]所述技术方案中，在S3中，为构建与电离层闪烁相关联的GNSS性能评估模型与指标体系，本专利技术采用的指标包括载波环路跟踪误差、码环路误差、GDOP值退化值、定位精度、定位可用性、时空定位恶劣函数，通过所述指标对电离层闪烁影响北斗定位性能进行评估，再以亚澳扇区电离层闪烁特征为背景，统计分析电离层闪烁强度与性能指标的关联性，最终构建出与电离层闪烁关联性的GNSS性能指标体系。
[0020]所述技术方案中，在S1中，基于GISM预测电离层闪烁空间与强度包括利用GISM模型预测特定卫星、时间、地点和接收机的电离层信号闪烁强度指数，其模型如下：
[0021][0022]其中，输出量τ为衰落持续时间，P
s
为信号概率分布，P
OS
为失锁概率，S4为电离层幅
度闪烁指数，为电离层相位闪烁指数。其中，S4和也可由GNSS电离层闪烁监测仪获得。输入量E为地球物理参数(包括太阳活动指数、年份、日期和地方时)；IR为不均性特征(包括信号的功率谱密度、相关距离、不规则体的高度)；S为卫星轨道参数；R为接收站的位置和接收机参数(接收机频率、工作带宽和衰减)；
[0023]所述技术方案中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GISM星历的电离层闪烁过程受扰GNSS卫星识别与风险预警方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：利用电离层闪烁时空域特征数据，构建电离层闪烁空间分布网格图和闪烁强度等级；S2：将S1所得到的电离层闪烁空间位置进行匹配，识别出受扰GNSS卫星；S3：对受扰GNSS卫星进行风险预警。2.根据权利要求1所述的一种基于GISM星历的电离层闪烁过程受扰GNSS卫星识别与风险预警方法，其特征在于，所述S1利用电离层闪烁时空域特征数据，基于GISM预测模型构建电离层闪烁空间分布网格图和闪烁强度等级。3.根据权利要求1所述的一种基于GISM星历的电离层闪烁过程受扰GNSS卫星识别与风险预警方法，其特征在于，所述S2根据预报星历计算出GNSS卫星坐标，再基于GNSS接收机天线、GNSS卫星、电离层空间的几何关系，计算出GNSS卫星的穿刺点。4.根据权利要求1所述的一种基于GISM星历的电离层闪烁过程受扰GNSS卫星识别与风险预警方法，其特征在于，所述S2通过几何关系计算出来GNSS卫星的穿刺点位置，并将其与S1所得到的电离层闪烁空间位置进行匹配，识别出受扰GNSS卫星。5.根据权利要求1所述的一种基于GISM星历的电离层闪烁过程受扰GNSS卫星识别与风险预警方法，其特征在于，所述S3利用S1预测的电离层闪烁强度等级，以及关联性GNSS性能评价指标，对受扰GNSS卫星进行风险预警。6.根据权利要求1所述的一种基于GISM星历的电离层闪烁过程受扰GNSS卫星识别与风险预警方法，其特征在于，所述S1进一步包括：S101：利用地基GNSS、FY
‑
3C/D搭载的GNOS和美国COSMIC搭载的GNOS反演电离层TEC变化率标准差ROTI；S102：将ROTI作为电离层闪烁的评估指数，再融合GNSS电离层闪烁监测仪获取的电离层闪烁数据研究电离层闪烁时空域特征规律；并基于全球电离层图(GIM)绘制出高分辨率的电离层闪烁昼夜、季度和年际变化网格图；S103：基于GISM模型预测特定卫星、时间、地点和接收机的电离层信号闪烁强度指数。7.根据权利要求6所述的一种基于GISM星历的电离层闪烁过程受扰GNSS卫星识别与风险预警方法，其特征在于，所述S103电离层信号闪烁强度指数的模型如下：[S
4 φ
rms τ P
S P
OS
]＝GISM(E IR S R)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)。8.根据权利要求1所述的一种基于GISM星历的电离层闪烁过程受扰GNSS卫星识别与风险预警方法，其特征在于，所述S2中，GNSS卫星电离层闪烁穿刺点位置计算式如下：X
P

【专利技术属性】
技术研发人员：柯福阳，张盛，
申请(专利权)人：南京信息工程大学无锡研究院，
类型：发明
国别省市：