本發(fā)明屬于北斗衛(wèi)星監(jiān)測和電離層監(jiān)測的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于北斗導(dǎo)航的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號穿越電離層時,電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)會引起信號強(qiáng)度、相位的快速隨機(jī)起伏,人們稱這種現(xiàn)象為電離層閃爍。電離層閃爍常會導(dǎo)致地面接收機(jī)接收到的信號出現(xiàn)誤碼和信號畸變，從而影響導(dǎo)航和通信系統(tǒng)的可靠性和精度。因此，觀測研究電離層閃爍不僅是研究全球電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)及變化特性的重要手段，而且隨著全球范圍導(dǎo)航和通信系統(tǒng)對空間平臺的依賴性日益增長，它也相應(yīng)成了人們關(guān)注的問題。

gps全球定位系統(tǒng)是美國在二十世紀(jì)九十年代完成的全球全天候衛(wèi)星導(dǎo)航定位和授時系統(tǒng)，它的出現(xiàn)為探測電離層閃爍提供了一種新的有效手段。在這之前，對電離層閃爍的探測研究主要是基于雷達(dá)或同步衛(wèi)星信標(biāo)數(shù)據(jù)的觀測，有時候甚至依靠發(fā)射火箭以取得短暫的觀測數(shù)據(jù)。而24顆gps衛(wèi)星晝夜不停的在天空運行，并向地面發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的雙頻l波段信號，這使得在全球范圍內(nèi)連續(xù)監(jiān)測電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)引起的電離層閃爍成為了可能。

目前現(xiàn)有的電離層閃爍監(jiān)測設(shè)備采用溫度補(bǔ)償晶振源(tcxo)，常會產(chǎn)生不能被低通濾波器濾除的噪聲，這種電離層閃爍監(jiān)測設(shè)備抗干擾能力較差，而且多數(shù)是最簡單的電路設(shè)計。在使用過程中基本以取到數(shù)據(jù)為主，設(shè)備可靠性差、網(wǎng)絡(luò)通信無法保障、設(shè)備無法遠(yuǎn)程調(diào)試、無法滿足復(fù)雜環(huán)境下的使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述背景技術(shù)的不足，提供一種基于北斗導(dǎo)航的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)，具體由以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

所述基于北斗導(dǎo)航的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)，包括：

天線，接受北斗衛(wèi)星信號，將北斗衛(wèi)星信號傳輸給所述接收機(jī)處理；

接收機(jī)，通過串口線將衛(wèi)星信號的信號強(qiáng)度si和載波相位φ信息傳輸?shù)接嬎銠C(jī)；計算機(jī)，包含數(shù)據(jù)采集分析模塊與系統(tǒng)顯示模塊，所述數(shù)據(jù)分析模塊處理硬件輸出的衛(wèi)星信號強(qiáng)度si和載波相位φ信息，通過所述系統(tǒng)顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。

所述基于北斗導(dǎo)航的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計在于，所述天線為gnss天線，且所述饋線與所述接收機(jī)通信連接。

所述基于北斗導(dǎo)航的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計在于，所述接收機(jī)通過rs-232串口線與所述計算機(jī)通信連接

所述基于北斗導(dǎo)航的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計在于，所述接收機(jī)采用內(nèi)部晶振源ocxo。

所述基于北斗導(dǎo)航的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計在于，所述數(shù)據(jù)采集分析模塊，先對巨量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，并將計算出的信號強(qiáng)度si和載波相位φ進(jìn)行存儲于緩存區(qū)內(nèi)，在閃爍發(fā)生時再對原始數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的信號強(qiáng)度si和載波相位φ進(jìn)行存儲。

所述基于北斗導(dǎo)航的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計在于，所述緩沖區(qū)用于存儲15-30min的原始數(shù)據(jù)。

所述基于北斗導(dǎo)航的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計在于，根據(jù)設(shè)定的條件判定閃爍的發(fā)生，所述設(shè)定的條件為：在連續(xù)一段時間m內(nèi)n次達(dá)到設(shè)定值x。

所述基于北斗導(dǎo)航的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計在于，在接收機(jī)的數(shù)字通道中，經(jīng)積分和累加后，輸出同相分量i和正交相分量q，通過算法計算出信號強(qiáng)度，將所述信號強(qiáng)度送入六階巴特沃茲濾波器進(jìn)行濾波，得到消除趨勢后的信號強(qiáng)度，在經(jīng)過濾波消除趨勢以后算出總幅度閃爍指數(shù)s4值，再對其進(jìn)行修正濾出來源于環(huán)境噪聲，得出修正后的s4值。

所述基于北斗導(dǎo)航的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計在于，選用六階的巴特沃茲高通濾波器，通過將相位觀測量通過該濾波器，得出濾波效果趨勢后的載波相位值，在通過算法計算出相位閃爍指數(shù)σφ。

所述基于北斗導(dǎo)航的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計在于，根據(jù)下式計算相位閃爍指數(shù)σφ，式中φ為載波相位。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)的接收機(jī)采用了內(nèi)部晶振源(ocxo)，頻率穩(wěn)定且相噪低，具有較強(qiáng)抗干擾能力，避免在衛(wèi)星信號穿越整個電離層，電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)引起信號相位和幅度的快速隨機(jī)起伏時，出現(xiàn)這種快速的相位變化(相位閃爍)會引起衛(wèi)星信號的多普勒頻移，從而可能超出鎖相環(huán)的帶寬，導(dǎo)致相位失鎖，同時幅度的削弱將會使得衛(wèi)星信噪比降低到接收機(jī)極限以下，導(dǎo)致碼失鎖的問題；

(2)電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)的計算機(jī)可以直接輸出衛(wèi)星信號的信號強(qiáng)度si和載波相位φ信息，利用這些信息可以算出電離層閃爍情況，比原有的設(shè)備方便簡單且穩(wěn)定可靠；

(3)基于北斗的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)中軟件架構(gòu)科學(xué)、合理，數(shù)據(jù)實時進(jìn)入軟件后進(jìn)行解算，可以達(dá)到電離層實時監(jiān)測的效果，同時算法先進(jìn)，完全滿足實際使用精度。

附圖說明

圖1為基于北斗導(dǎo)航的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

圖2為基于北斗導(dǎo)航的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收及處理流程圖。

圖3為振幅閃爍指數(shù)計算流程圖。

圖4為相位閃爍指數(shù)計算流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1所示，基于北斗導(dǎo)航的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)，主要由天線、接收機(jī)以及計算機(jī)組成。天線，接受北斗衛(wèi)星信號，將北斗衛(wèi)星信號傳輸給接收機(jī)處理。接收機(jī)，通過串口線將衛(wèi)星信號的信號強(qiáng)度si和載波相位φ信息傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。計算機(jī)，包含數(shù)據(jù)采集分析模塊與系統(tǒng)顯示模塊，數(shù)據(jù)分析模塊處理硬件輸出的衛(wèi)星信號強(qiáng)度si和載波相位φ信息，通過系統(tǒng)顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。

本實施例中，天線為gnss天線，且饋線與接收機(jī)通信連接。接收機(jī)通過rs-232串口線與計算機(jī)通信連接接收機(jī)采用內(nèi)部晶振源ocxo。

如圖2，數(shù)據(jù)采集分析模塊，先對巨量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，并將計算出的信號強(qiáng)度si和載波相位φ進(jìn)行存儲于緩存區(qū)內(nèi)，在閃爍發(fā)生時再對原始數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的信號強(qiáng)度si和載波相位φ進(jìn)行存儲。本實施例中，緩沖區(qū)用于存儲15-30min的原始數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)定的條件判定閃爍的發(fā)生，設(shè)定的條件為：在連續(xù)一段時間m內(nèi)n次達(dá)到設(shè)定值x。

具體地，本實施例通過采用標(biāo)準(zhǔn)rs232通信協(xié)議實現(xiàn)接收機(jī)與計算機(jī)之間的通信，在vc6.0中的具體實現(xiàn)是先用creatfile()函數(shù)初始化串行通信，包括獲得串行設(shè)備句柄并對其進(jìn)行通信參數(shù)設(shè)置，然后利用readfile()接收數(shù)據(jù)。在獲得數(shù)據(jù)流后，根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)志幀從中分離出原始信息數(shù)據(jù)，保存到原始數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(為了獲得閃爍發(fā)生前的原始數(shù)據(jù)，這里開辟了一個可以存儲20min原始數(shù)據(jù)量的緩沖區(qū))，同時根據(jù)原始數(shù)據(jù)以每分鐘計算一次s4指數(shù)，存儲在計算出的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，待累積到10min的數(shù)據(jù)后，判斷標(biāo)志位，根據(jù)標(biāo)志位來決定原始數(shù)據(jù)的存儲與否。

在實際測量分析中，考慮到存在有多徑效應(yīng)、鐘差等因素也會導(dǎo)致偶爾一次s4指數(shù)很大，因此偶爾的一次s4指數(shù)很大并不意味著閃爍發(fā)生，考慮以連續(xù)10min內(nèi)有6次s4(一分鐘一個數(shù)據(jù))大于某個值(一般取0.3)作為標(biāo)準(zhǔn)來衡量閃爍發(fā)生與否。當(dāng)確定有閃爍發(fā)生時，從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中取出該閃爍發(fā)生前10min的原始數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)文件，同時判斷該閃爍是否結(jié)束，如果閃爍繼續(xù)，則依次存儲原始數(shù)據(jù)，如果閃爍終止，則只接著保存閃爍終止后10min的原始數(shù)據(jù)。無論有沒閃爍發(fā)生，經(jīng)計算出的數(shù)據(jù)都被保存到數(shù)據(jù)文件。

如圖3，在數(shù)字接收機(jī)通道中，經(jīng)積分和累加后，系統(tǒng)輸出同相分量i和正交相分量q，通過算法計算出信號強(qiáng)度，將其送入六階巴特沃茲濾波器進(jìn)行濾波，得到消除趨勢后的信號強(qiáng)度。在經(jīng)過濾波消除趨勢以后算出總幅度閃爍指數(shù)s4值，由于s4指數(shù)有時候還有很大一部分可能來源于環(huán)境噪聲，因此再對其進(jìn)行修正，得出修正后的s4值。

如圖4所示，對于單頻接收機(jī)來說，接收機(jī)本地鐘差、衛(wèi)星鐘差、sa政策和對流層等也會引起接收信號的相位變化，因此同樣需要通過濾波消除趨勢的方法降低這種影響。選用一個六階3db截止頻率為0.1hz的巴特沃茲高通濾波器，讓相位觀測量通過該濾波器，得出濾波效果趨勢后的載波相位值，在通過算法計算出相位閃爍指數(shù)。本實施例根據(jù)下式計算相位閃爍指數(shù)σφ，式中φ為載波相位。

具體地，以下給出本實施例閃爍指數(shù)的具體計算方法：

在電離層閃爍監(jiān)測中，閃爍強(qiáng)度可以通過計算振幅閃爍指數(shù)(s4)和相位閃爍指數(shù)(σφ)來衡量，振幅閃爍指數(shù)s4的計算方法如下：

振幅閃爍指數(shù)(s4指數(shù))通常以每分鐘計算得到一個值，它定義為信號強(qiáng)度的均值歸一化的信號強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差：

式中<>表示一分鐘均值，si即信號強(qiáng)度，也就是接收到的信號的功率；

第一步：計算信號強(qiáng)度si

在數(shù)字接收機(jī)通道中，經(jīng)積分和累加后，系統(tǒng)輸出3個同相分量ie,ip,il和正交相分量qe,qp,ql，對于振幅閃爍測量，以1khz的抽樣率從中抽取出同相和正交相采樣數(shù)據(jù)ip,qp，然后以0.02s的間隔計算出窄帶功率nbp和寬帶功率wbp：

假設(shè)在0.02s內(nèi)，不包括噪聲的i和q為一常量，噪聲用變量ni來表示，則ii和qi分別為：

ii＝i+ni(4)

qi＝q+ni(5)

將式(4)、(5)代入(2)、(3)后，再用(2)式減去(3)式，就可以得到接收信號的功率，即信號強(qiáng)度si：

si＝nbp-wbp＝380·(i²+q²)(6)

第二步：計算濾波消趨勢后的信號強(qiáng)度si′

對于單頻gps接收機(jī)，衛(wèi)星運動以及多徑等因素也會導(dǎo)致接收信號的功率變化，因此有必要通過低通濾波消除趨勢來減弱這種影響，在下面的表達(dá)式中，用si′表示濾波消除趨勢后的信號強(qiáng)度，它通過將si送入6階巴特沃茲濾波器進(jìn)行濾波后得到；

6階巴特沃茲濾波器由3個級聯(lián)的2階濾波器構(gòu)成，對于每一個2階濾波器，其s平面方程滿足：

式中fn為濾波器的輸入頻率，單位hz，系數(shù)a1、a2、a3分別為：

在時域，2階濾波器滿足如下的方程：

其中，式中系數(shù)表達(dá)式分別為：

δt取值0.02s；在方程式(11)中，μ1,k+1為第k+1次的輸入值，即第一級濾波器的輸入；μ2,k+1、μ3,k+1表示第1、2級濾波器的輸出，即第2、3級濾波器的輸入：

μ1,k+1＝(nbp-wbp)k+1(18)

最后濾波器的輸出為：

經(jīng)低通濾波后，用輸入除以低通輸出得到一個在1左右跳動的消除趨勢值：

第三步：計算總的s4值

在經(jīng)過濾波消除趨勢以后，方程式(1)修改為：

第四步：計算基于噪聲的s4值

式(1)、(22)中定義的s4指數(shù)有時候還有很大一部分可能來源于環(huán)境噪聲，因此有必要剔除這部分的影響，可以通過求得1分鐘內(nèi)信噪比的均值，計算出這個基于噪聲產(chǎn)生的s4值：

式中為系統(tǒng)輸出的信噪比均值；

第五步：計算s4修正值

總的s4值平方減去基于噪聲產(chǎn)生的s4值平方，得到修正后的s4值平方，經(jīng)開方得到s4修正值：

相位閃爍指數(shù)(σφ)的計算方法如下：

通常使用載波相位的標(biāo)準(zhǔn)差σφ來確定相位閃爍：

式中φ為載波相位；其算法執(zhí)行步驟如下：

第一步，計算濾波消除趨勢后的載波相位φ

對于單頻gps接收機(jī)來說，接收機(jī)本地鐘差、衛(wèi)星鐘差、sa政策和對流層等也會引起接收信號的相位變化，因此同樣需要通過濾波消除趨勢的方法降低這種影響；與幅度閃爍指數(shù)分析不同的是，除電離層閃爍之外的相位的影響具有緩變的特征，通過選用一個6階3db截止頻率為0.1hz的巴特沃茲高通濾波器，讓相位觀測量通過該濾波器，可以移除在該截止頻率以下的低頻影響；

以原始相位值φin,k+1作為該濾波器的輸入：

μ1,k+1＝φin,k+1(26)

前級濾波器的輸入和輸出之差構(gòu)成后一級的輸入：

μi,k+1＝μi-1,k+1-xi-1,1,k+1；i＝2,3(27)

最后濾波器的輸出為：

φhpf,k+1＝μ3,k+1-x31,k+1(28)

經(jīng)高通濾波后，用輸入除以高通輸出得到一個在1左右跳動的消除趨勢值：

對于相位閃爍，濾波方程中的γ系數(shù)也與幅度閃爍不一樣：

第二步，計算相位閃爍；

本實施例的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)的接收機(jī)采用了內(nèi)部晶振源(ocxo)，頻率穩(wěn)定且相噪低，具有較強(qiáng)抗干擾能力，避免在衛(wèi)星信號穿越整個電離層，電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)引起信號相位和幅度的快速隨機(jī)起伏時，出現(xiàn)這種快速的相位變化(相位閃爍)會引起衛(wèi)星信號的多普勒頻移，從而可能超出鎖相環(huán)的帶寬，導(dǎo)致相位失鎖，同時幅度的削弱將會使得衛(wèi)星信噪比降低到接收機(jī)極限以下，導(dǎo)致碼失鎖的問題.電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)的計算機(jī)可以直接輸出衛(wèi)星信號的信號強(qiáng)度si和載波相位φ信息，利用這些信息可以算出電離層閃爍情況，比原有的設(shè)備方便簡單且穩(wěn)定可靠.基于北斗的電離層閃爍監(jiān)測系統(tǒng)中軟件架構(gòu)科學(xué)、合理，數(shù)據(jù)實時進(jìn)入軟件后進(jìn)行解算，可以達(dá)到電離層實時監(jiān)測的效果，同時算法先進(jìn)，完全滿足實際使用精度。

以上，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其本發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。