一种单测站上空的电离层扰动探测系统及方法

技术领域

本发明涉及到实时电离层扰动探测领域，具体涉及基于全球卫星导航系统的观测数据的电离层扰动的探测系统及方法。

背景技术

常见的GNSS电离层扰动探测方法是基于美国的全球定位系统(GlobalPositioning System,GPS)观测值获取电离层垂直总电子含量(Vertical Total ElectronContent,VTEC)，序列，采用滑动滤波去趋势项以及滑动四分距两种方法。其中，GPS卫星观测值具有如下缺陷：单颗卫星在对应测站的一天内可视时间较短，且卫星与地面站形成的电离层穿刺点会在时间和空间同时发生变化，无法得到固定点处的VTEC值随时间的连续变化。

滑动滤波去趋势法有如下缺陷：

1.滤波窗口的选择问题：滑动滤波法对所得到的电离层VTEC序列进行分析，方法复杂度低，无需引入外部产品，但是未顾及电离层本身变化的复杂性，导致在不同情况下得到的扰动合理程度不同，得到的扰动值往往不能反应电离层电子含量的变化情况。

2.针对电离层活跃时间段效果较差电离层活跃期电离层时空变化十分复杂，滑动滤波方法无法对小尺度的扰动进行准确的探测，所得到的扰动情况与实际情况存在一定的偏差。

滑动四分距法的缺陷如下：

1.外部产品的时空分辨率较低：

目前常用的滑动四分距法需要使用欧洲定轨中心(CODE)、国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)等组织的全球电离层格网图(Global IonosphericMaps,GIM)产品进行辅助运算，无论哪种产品的时间与空间分辨率均较低，在部分地区和时间段内会导致计算结果不理想。

2.需要大量已知值：

无论是否引入外部产品，滑动四分距法在计算VTEC背景值时需要已知一段时间内的VTEC计算值作为背景这样失去了实时性的特点。当数据分析中心或部分计算结果缺失时，会影响最终扰动探测的效率与准确性，增加了计算的复杂度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便于检测维修的计算机主机，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供的是一种单测站上空的电离层扰动探测系统，其特征在于：包括电离层VTEC值估计模块，滤波窗口选择模块和VTEC扰动值获取模块，

所述电离层VTEC值估计模块，用于根据GEO卫星的观测值，进行实时倾斜向总电子含量值的估计，并根据单层投影模型，得到测站与GEO卫星连线形成的穿刺点上空VTEC时间序列；

所述滤波窗口选择模块，用于根据测站的空间信息和观测数据的时间信息进行滤波窗口大小的选择；

所述VTEC扰动值获取模块，用于根据滑动中值滤波、Savitzky-Golay滤波滤波方法，结合不同的滤波窗口大小，获取实时的VTEC扰动值。

具体的，所述电离层VTEC值估计模块采用了非差非组合精密单点定位方法估计STEC值；并采用单层投影函数模型计算VTEC值。

具体的，所述滤波窗口选择模块针对中尺度电离层行扰设定了默认初始滤波窗口大小T1。

具体的，T1的取值为12.5分钟。

具体的，最终得到的VTEC扰动序列的时间分辨率为30秒，

一种电离层总电子含量的实时探测方法，包括以下步骤：

步骤1，确定要分析的测站的空间位置和观测数据的时间信息，获取进行非差非组合精密单点定位方法所需的广播星历文件等辅助文件；

步骤2，进行非差非组合精密单点定位的计算，得到STEC值，并根据单层投影模型进一步计算得到VTEC值；

非差非组合通过引入一些精确的外部因素约束，同时采用了最小二乘联合平差同时估计各卫星的模糊度参数，提高模糊度确定的精度和可靠性，相比于相位平滑伪距电离层可以明显削弱多路径效应和观测噪声的影响，其观测模型如下：

其中，I

其中，f

利用上述两式即可求解电离层观测量，但此时的电离层观测量包含DCB参数，同时接收机钟差和模糊度参数中也均包含相应的DCB参数。DCB参数往往具有稳定的时变特性，因此对电离层、模糊度等参数的估计不会产生影响。非差非组合法与相位平滑伪距法的结果的主要差异便体现在卫星端DCB参数的不同。最后经过具体的参数解算，可以得到电离层延迟模型如下

式中，

其中，STEC为斜路径总电子含量，VTEC为垂直方向总电子含量。本发明选取了最简单的单层模型如下：

其中，cosZ为测站的天顶距。

具体的，步骤3，根据测站的当地时，将一日内分为中午时段(12：00-16：00)和其他时段；并根据测站的纬度值，分为低纬度地区(纬度小于30度)和中高纬度地区(纬度大于等于30度)，分别预设滤波窗口大小为T2(低纬地区中午时段)、T3(低纬地区其他时段)、T4(中高纬地区中午时段)和T5(中高纬地区其他时段)；

具体的，步骤4，选择滤波模型，根据滤波窗口大小进行滤波计算VTEC背景值，并根据电离层扰动计算方程进一步计算得到VTEC的扰动值；其中，T2、T3、T4和T5为预设的时长。所述的电离层扰动计算方程如下：

dVTEC

其中，VTEC

其中，

/>

其中，

具体的，所述滤波窗口大小T2为60分钟，滤波窗口大小T3为180分钟，滤波窗口大小T4为80分钟，滤波窗口大小T5为240分钟。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.通过充分考虑电离层变化的复杂性，采取两次滤波的方法，并结合不同的滤波窗口大小，实现了更符合测站空间、时间信息特征的电离层扰动的探测；同时选用了北斗GEO卫星观测值，消除了穿刺点空间位置变化带来的影响；

2.本发明所采用的多滤波窗口选择充分考虑了电离层变化的时间和空间特征，各滤波窗口更切合测站的地理位置以及观测数据的时间信息；相较于传统的滤波窗口选择，所得到的VTEC背景值更具合理性与说服力，进而提升所得到的VTEC扰动值得准确性；相较于滑动四分距法，减少了VTEC背景值计算过程的复杂度，同时无需外部产品及其他时段数据支撑，探测过程更具实时性；

3.本发明所得扰动值时间分辨率较高，且充分考虑测站的空间特性，可为磁暴预测与分析提供方法支撑，用于电离层活跃时段内的精密单点定位，提高其定位精度，并提高在对应时段内的定位可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，实施例提供的是一种电离层垂直方向总电子含量扰动的探测方法，本发明采用的技术方案包括电离层VTEC值估计模块，滤波窗口选择模块和VTEC扰动值获取模块，具体实施时，可采用分步式处理手段，对每一部分的中间结果进行储存与分析。

所述VTEC值估计模块用于处理观测数据以得到对应测站的电离层延迟，获取解算所需的广播星历文件、精密轨道文件、钟差文件及天线改正文件等外部文件并联合观测数据文件进行解算，根据计算得到的电离层延迟获得STEC值，进而获取VTEC时间序列。

所述滤波窗口选择模块，其中第一次滤波的窗口大小默认为T1，T1为根据MSTID特征选择的12.5分钟；第二次滤波窗口的大小结合测站的空间信息(纬度值)和观测数据的时间信息(是否为当地时间的午时)，充分考虑电离层变化的复杂特性，分别在低纬度地区午时、低纬度地区其他时段、中高纬度地区午时以及中高纬度地区其他时段选择T2、T3、T4及T5作为滤波的窗口大小，其中，因为午时电离层活动更为剧烈，因此T1和T3两次窗口的值较小，分别选择60分钟和80分钟；T2和T4则分别选择180分钟和240分钟。

所述VTEC扰动值获取模块用于计算VTEC扰动序列，根据所选的滤波窗口，对VTEC原始序列进行两次滤波处理，并计算得到第一次滤波的趋势值与第二次滤波的趋势值之间的差值作为最终的VTEC扰动值。

非差非组合PPP法的具体实现原理已有大量文献阐述，本发明不予赘述。

具体实施时，可先对要处理的测站的空间信息以及观测数据的时间信息进行汇总，并获取对应的辅助文件，之后进行VTEC原始序列的获取与储存；再柑橘之前的汇总信息决定第一次滤波窗口大小(固定值，12.5分钟)和第二次滤波窗口的大小(与测站纬度，观测数据所属时段有关)。实施例中，测站分布包括低纬度地区与中高纬度地区，同时处理时间包括中午时段与其他时段。

一种电离层总电子含量的实时探测方法，具体步骤如下：

步骤1：确定需要分析的测站，获得广播星历文件等产品，联合北斗GEO卫星观测数据进行非差非组合精密单点定位分析，选取单层投影模型，最终获得VTEC原始序列并存入VTEC数据库；在具体的实施过程中，根据非差非组合PPP法先获取电离层延迟量，其观测模型如下：

其中，I

其中，f

再去除该结果中所包含的DCB信息，经过具体的参数解算，可以得到电离层延迟模型如下：

式中，

步骤2：根据测站信息以及观测数据历元信息，将VTEC原始序列与不同的滤波窗口大小进行匹配，第二次滤波的窗口大小提前预设好，结合电离层的时空变化特性分为T2、T3、T4、T5四种情况，并扩增VTEC数据库中VTEC序列的信息。

步骤3：根据VTEC原始系列以及对应的滤波窗口大小，进行两次滤波操作并计算得到对应的VTEC扰动值，提供滑动中值滤波和S-G滤波两种方式，并将得到的不同的结果分别进行储存。具体操作中，中值滤波的模型如下：

其中，

其中，

第一次滤波时窗口大小选择为T

第二次滤波窗口的大小根据测站的纬度和观测历元的所属时段信息进行决定，I

dVTEC

基于两次滤波处理的背景值提取:两次滤波处理相较一次滤波处理通过不同大小的滤波窗口削弱了电离层自身复杂变化的影响，同时相比于滑动四分距法又明显地减小了计算复杂度，通过两次滤波分别得到的背景值直接相减计算得到VTEC扰动值。

基于观测数据时空信息的滤波窗口大小选择:电离层的具有明显的时空变化特征，因此相同的滤波窗口可能在不同地区和时间段的探测效果差异明显；本发明则考虑了电离层受纬度变化以及一日内的时间变化影响较为明显的特征，提供了不同时空特征下不同的滤波窗口，增加VTEC扰动值探测的合理性。

具体实施时，可以采用计算机软件实现以上方法流程的自动化运行。

本发明通过广播星历等辅助文件的获取，联合测站北斗GEO卫星观测数据，实时获取VTEC序列；并结合观测数据的时空特征进行多滤波窗口大小的选择，最终得到符合电离层时空变化特性的VTEC扰动序列。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。