[发明专利]一种基于GNSS的北极区域电离层相位闪烁因子构建方法有效

专利信息
申请号: 202010854723.3 申请日: 2020-08-24
公开(公告)号: CN111983654B 公开(公告)日: 2021-03-19
发明(设计)人: 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
主分类号: G01S19/37 分类号: G01S19/37;G01S19/07
代理公司: 南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙) 32249 代理人: 李悦声
地址: 221116 江苏省*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 gnss 北极 区域 电离层 相位 闪烁 因子 构建 方法
【权利要求书】:

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:

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。

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