郭珊,於曉,劉鈍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所,青島 266107)

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GNSS閃爍數(shù)據(jù)的批處理與質(zhì)量控制

郭珊,於曉,劉鈍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所,青島 266107)

摘要：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)為電離層閃爍測(cè)量提供了一種有效手段。多系統(tǒng)多模觀測(cè)、高頻率采樣使得GNSS電離層閃爍觀測(cè)原始數(shù)據(jù)量巨大,有效的數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是進(jìn)行電離層閃爍事件識(shí)別、參數(shù)估計(jì)的重要需求。介紹了GNSS電離層閃爍數(shù)據(jù)處理的基本流程,針對(duì)數(shù)據(jù)處理流程中的主要步驟,提出了針對(duì)性的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法,并利用實(shí)測(cè)的GNSS閃爍數(shù)據(jù)對(duì)提出的方法進(jìn)行分析驗(yàn)證,結(jié)果表明了方法的有效性。

關(guān)鍵詞：電離層閃爍;全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng);射頻干擾;數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

0引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的出現(xiàn)為電離層閃爍監(jiān)測(cè)提供了一種重要的手段[1-6]。對(duì)于地面監(jiān)測(cè)站而言,可同時(shí)觀測(cè)到3～6顆GPS衛(wèi)星(截止仰角取為25°時(shí)),且衛(wèi)星在測(cè)站上空均勻分布,可實(shí)現(xiàn)測(cè)站上空全空域的閃爍監(jiān)測(cè)。GNSS接收機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)幅度和載波相位的測(cè)量,因此可同時(shí)實(shí)現(xiàn)幅度閃爍和相位閃爍的監(jiān)測(cè)。同時(shí),GNSS系統(tǒng)具有全球覆蓋能力,因此可以作為一種全球范圍內(nèi)統(tǒng)一的電離層閃爍監(jiān)測(cè)手段。尤其是隨著我國(guó)北斗系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行,俄羅斯GLONASS系統(tǒng)的重新部署和歐洲GALILEO系統(tǒng)的建設(shè),以及多模接收機(jī)的實(shí)現(xiàn),利用GNSS衛(wèi)星信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層閃爍更為密集的監(jiān)測(cè)。

盡管GNSS作為電離層閃爍監(jiān)測(cè)手段具有重要意義,但GNSS電離層閃爍監(jiān)測(cè)中存在的一些問題需要進(jìn)一步解決。信號(hào)易受干擾是GNSS應(yīng)用中面臨的重要問題,這個(gè)問題對(duì)于電離層閃爍監(jiān)測(cè)而言更為重要[7-8]。電離層閃爍引起GNSS衛(wèi)星信號(hào)快衰落,當(dāng)衰落的深度和持續(xù)時(shí)間超過了接收機(jī)信號(hào)跟蹤檢測(cè)能力的范圍時(shí),就會(huì)發(fā)生接收機(jī)的失鎖。在同樣的信號(hào)強(qiáng)度下,衰落深度越深,持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),接收機(jī)越容易失鎖。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度降低時(shí),較弱的閃爍引起的較小衰落也可以引起接收機(jī)的失鎖。當(dāng)存在射頻干擾時(shí),GNSS接收機(jī)接收信號(hào)的載噪比降低,因此,較弱的閃爍影響也會(huì)引起接收機(jī)的失鎖,從而使接收機(jī)失去閃爍監(jiān)測(cè)能力[9-10]。同時(shí),射頻干擾一般會(huì)引起接收信號(hào)的“毛刺”狀變化,這種信號(hào)幅度的“毛刺”狀變化同樣也會(huì)引起信號(hào)幅度統(tǒng)計(jì)計(jì)算值變大(幅度閃爍指數(shù)為信號(hào)幅度的歸一化方差,即為一種信號(hào)幅度統(tǒng)計(jì)計(jì)算值),造成通過“幅度閃爍指數(shù)”進(jìn)行電離層事件判決的困難。

同時(shí),多GNSS系統(tǒng)多模接收機(jī)監(jiān)測(cè)情況下,監(jiān)測(cè)站可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)幾十顆GNSS衛(wèi)星的觀測(cè),因此,如何實(shí)現(xiàn)對(duì)大量數(shù)據(jù)的快速處理,有效進(jìn)行閃爍事件的識(shí)別,并進(jìn)行相應(yīng)的閃爍指數(shù)計(jì)算、譜估計(jì)等數(shù)據(jù)處理分析,是利用GNSS信號(hào)進(jìn)行電離層閃爍監(jiān)測(cè)需要解決的重要問題。

本文介紹了GNSS電離層閃爍監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基本處理流程,并根據(jù)數(shù)據(jù)處理流程不同階段的特點(diǎn),介紹了相應(yīng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法,并利用實(shí)測(cè)的GPS、BD電離層閃爍數(shù)據(jù)進(jìn)行了方法的分析驗(yàn)證。

1GNSS閃爍數(shù)據(jù)處理流程

GNSS閃爍數(shù)據(jù)的處理一般包括以下步驟，如圖1所示,以幅度閃爍處理為例。

1) 原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換:由于閃爍需高頻采樣(一般≥20 Hz)測(cè)量,因此原始數(shù)據(jù)量很大,一般采樣二進(jìn)制的專用數(shù)據(jù)格式進(jìn)行記錄,并壓縮存儲(chǔ)。原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換主要完成數(shù)據(jù)的解壓縮、解碼,提取原始數(shù)據(jù),并形成用于進(jìn)一步處理的文本格式數(shù)據(jù)。

聯(lián)系人： 郭珊 E-mail: qdgs_22s@126.com

2) 幅度數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè):對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的原始幅度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,判斷是否存在射頻干擾影響。

3) 幅度數(shù)據(jù)插值修正:對(duì)于發(fā)生數(shù)據(jù)缺失的數(shù)據(jù)段,通過內(nèi)插方法進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)的估計(jì),獲得連續(xù)的原始幅度數(shù)據(jù)段。

4) 幅度閃爍指數(shù)計(jì)算:按幅度閃爍指數(shù)公式,利用原始幅度數(shù)據(jù)計(jì)算幅度閃爍指數(shù)。

5) 幅度閃爍事件識(shí)別:按一定判據(jù)對(duì)幅度閃爍指數(shù)時(shí)間序列進(jìn)行分析,識(shí)別有效的閃爍事件,并進(jìn)行標(biāo)示。

6) 幅度閃爍譜分析:對(duì)標(biāo)示出的閃爍事件,利用相應(yīng)的原始幅度數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析,估計(jì)幅度閃爍的譜指數(shù)、譜強(qiáng)度等參量。

7) 閃爍事件幾何參數(shù)計(jì)算:利用星歷信息、監(jiān)測(cè)站信息,計(jì)算閃爍事件發(fā)生時(shí)的衛(wèi)星位置、方位角、仰角信息,并進(jìn)一步計(jì)算電離層穿刺點(diǎn)位置信息,及穿刺點(diǎn)處的衛(wèi)星信號(hào)傳播路徑幾何信息(傳播矢量方向)、地磁場(chǎng)信息(磁偏角、磁傾角)。

可以看出,上述處理流程中,1)、4)、7)步驟是確定性的數(shù)據(jù)處理,只需按預(yù)定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,或按確定的計(jì)算方法進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的計(jì)算。2)、3)、5)、6)步驟中,需根據(jù)閃爍數(shù)據(jù)的情況或閃爍事件的特征,進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制,提高電離層閃爍監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的連續(xù)性和有效性,以實(shí)現(xiàn)大批量閃爍數(shù)據(jù)的處理能力。

2GNSS閃爍數(shù)據(jù)處理中的質(zhì)量控制

2.1幅度數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)

GNSS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,一般均指定衛(wèi)星信號(hào)達(dá)到地面的功率。對(duì)于北斗二號(hào)系統(tǒng),達(dá)到接收機(jī)天線的衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度為-163 dBW(B1I信號(hào)),GPS系統(tǒng)則為-160 dBW(L1 C/A信號(hào))[11-12]。具體到接收機(jī)實(shí)現(xiàn)中,GNSS接收機(jī)輸出的信號(hào)載噪比一般由低仰角的40～45 dB/Hz左右,隨仰角增加而增強(qiáng)到45～50 dB/Hz左右。不同接收機(jī)廠家采用的載噪比計(jì)算方法不同,輸出的衛(wèi)星信號(hào)載噪比略有不同,但不會(huì)相差太大。因此,可以根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)達(dá)到地面的一般載噪比值,進(jìn)行原始幅度數(shù)據(jù)的質(zhì)量判斷。

圖1　GNSS電離層閃爍數(shù)據(jù)處理流程

圖2和圖3分別給出了電離層閃爍和射頻干擾影響下GPS衛(wèi)星信號(hào)載噪比的典型變化。由圖2可以看出,盡管受到電離層閃爍的影響,仍可以看出前述的GNS衛(wèi)星信號(hào)載躁比變化規(guī)律。GPS衛(wèi)星信號(hào)的載噪比由剛升起時(shí)(截止仰角25°)的約45 dB/Hz,隨仰角增大而增加到約50 dB/Hz.而在射頻干擾情況下,盡管GPS信號(hào)仍保持鎖定,但信號(hào)載躁比已下降到36 dB/Hz.因此,可通過一段時(shí)間內(nèi)GNSS信號(hào)載噪比的平均值變化,確定該時(shí)段內(nèi)信號(hào)是否收到射頻干擾影響。

圖2　電離層閃爍影響下的GPS衛(wèi)星信號(hào)幅度變化　(GPS PRN9號(hào)衛(wèi)星,?？?012年9月25日　20:00-22:00)

圖3　射頻干擾影響下的GPS衛(wèi)星信號(hào)幅度變化　(GPS PRN9號(hào)星,海口2009年7月31日6:00-　8:00)

2.2幅度數(shù)據(jù)插值修正

閃爍指數(shù)和閃爍譜參量是分析、判斷閃爍事件,以及進(jìn)行閃爍建模的重要參量,上述參量的計(jì)算一般取一段時(shí)間內(nèi)(如1分鐘)的原始幅度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[13,15]。當(dāng)該時(shí)段內(nèi)的原始幅度數(shù)據(jù)存在離散斷點(diǎn)時(shí),將會(huì)對(duì)閃爍數(shù)據(jù)的連續(xù)處理和參量估計(jì)造成影響。因此,當(dāng)由于某種原因造成原始幅度數(shù)據(jù)中存在個(gè)別離散斷點(diǎn)時(shí),應(yīng)首先對(duì)該斷點(diǎn)區(qū)間進(jìn)行插值修正,以保持連續(xù)的原始幅度變化時(shí)間序列。

進(jìn)行插值修正的斷點(diǎn)長(zhǎng)度區(qū)間,應(yīng)根據(jù)原始幅度數(shù)據(jù)的觀測(cè)采樣頻率、接收機(jī)晶振噪聲特性,以及閃爍譜估計(jì)中待擬合的線性區(qū)間等因素綜合確定。當(dāng)連續(xù)斷點(diǎn)的長(zhǎng)度超過預(yù)定長(zhǎng)度時(shí),則拋棄該斷點(diǎn)區(qū)間數(shù)據(jù),并以斷點(diǎn)區(qū)間后的第一個(gè)正常數(shù)據(jù)開始,重新選擇用于閃爍指數(shù)計(jì)算和閃爍譜估計(jì)的連續(xù)數(shù)據(jù)段。

圖4示出了一個(gè)原始幅度數(shù)據(jù)插值修正的例子。該實(shí)例中,接收機(jī)的監(jiān)測(cè)20 Hz,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1分鐘(1 200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)),插值修正的斷點(diǎn)長(zhǎng)度區(qū)間限定為3個(gè)點(diǎn),即對(duì)出現(xiàn)的連續(xù)3個(gè)及以下斷點(diǎn)進(jìn)行插值修正?？梢钥闯?采用插值修正后的原始幅度時(shí)間序列,仍保持了原有的變化趨勢(shì)。采用插值修正,保證了原始幅度數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性,有利于進(jìn)一步的閃爍參數(shù)估計(jì)處理。

圖4　GPS信號(hào)原始幅度變化(深色曲線)和插值修正后的結(jié)果(淺色曲線)(GPS PRN14號(hào)星,?？?014年9月9日23點(diǎn)20分)

2.3幅度閃爍事件識(shí)別

閃爍指數(shù)是進(jìn)行閃爍事件判斷的重要依據(jù)[13]。從幅度閃爍指數(shù)S4的定義可以看出,S4實(shí)際為歸一化的原始幅度統(tǒng)計(jì)值。當(dāng)存在射頻干擾,以及多徑影響時(shí),同樣可以造成原始幅度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)值產(chǎn)生明顯變化。因此,必須在閃爍指數(shù)時(shí)間序列計(jì)算的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步建立有效的幅度閃爍事件識(shí)別方法。

文獻(xiàn)14中提出了一種幅度閃爍事件的判別方法,即在連續(xù)的一段時(shí)間內(nèi),幅度閃爍指數(shù)超過預(yù)定門限的次數(shù)超過一定比例,即判定該段時(shí)間內(nèi)有幅度閃爍發(fā)生。圖5示出了按照上述方法實(shí)現(xiàn)的幅度閃爍事件判定結(jié)果。其中,幅度閃爍指數(shù)預(yù)定門限選為0.1,數(shù)據(jù)時(shí)間段長(zhǎng)度選為10 min.門限超過次數(shù)為6次。圖6為對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的原始幅度變化曲線。

圖5　BD衛(wèi)星信號(hào)幅度閃爍指數(shù)時(shí)間序列(BD PRN 10號(hào)星B1頻點(diǎn),?？?014年9月14日 20:00-21:00)

圖6　BD衛(wèi)星信號(hào)原始幅度時(shí)間序列(BD PRN 10號(hào)星B1頻點(diǎn),?？?014年9月14日 20:00-21:00)

可以看出,在觀測(cè)期間內(nèi)(2014年9月14日 20:00-21:00),“北斗二號(hào)”系統(tǒng) PRN10號(hào)衛(wèi)星的B1和B2信號(hào)原始幅度一般在40 dB/Hz左右變化。在20:20-20:35之間,信號(hào)發(fā)生幅度閃爍,而在20:50分左右,B1信號(hào)幅度出現(xiàn)“毛刺”狀變化。相應(yīng)的,在20:20-20:35之間,B1信號(hào)幅度閃爍指數(shù)連續(xù)超過預(yù)定門限,并滿足閃爍事件判決條件,故可判為閃爍事件。而在20:50分左右,盡管B1信號(hào)幅度閃爍指數(shù)連續(xù)超過預(yù)定門限,但不滿足閃爍事件判決條件,故視為干擾影響。

2.4幅度閃爍譜分析

閃爍譜估計(jì)一方面是獲取電離層閃爍建模所需參數(shù)的重要數(shù)據(jù)處理過程,另一方面,從閃爍譜的形狀中,也可以進(jìn)行進(jìn)一步的閃爍事件判斷。

圖7和圖8分別示出了對(duì)應(yīng)于圖1和圖2原始幅度時(shí)間序列中某一段數(shù)據(jù)譜分析的結(jié)果。其中,圖7對(duì)應(yīng)于GPS PRN9號(hào)星2009年7月31日6點(diǎn)30分開始的1200點(diǎn)幅度數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析的結(jié)果,圖8對(duì)應(yīng)于GPS PRN9號(hào)星2012年9月25日20點(diǎn)42分開始的1200點(diǎn)幅度數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析的結(jié)果。

圖7　射頻干擾影響下的GPS信號(hào)幅度譜分析結(jié)果(GPS PRN9號(hào)星,?？?009年7月31日6:30)

圖8　電離層閃爍影響下的GPS信號(hào)幅度譜分析結(jié)果(GPS PRN9號(hào)星,?？?012年9月25日20:42)

可以看出,對(duì)應(yīng)于射頻干擾影響下的幅度數(shù)據(jù)而言,其譜分析結(jié)果在對(duì)應(yīng)于閃爍衰落頻率范圍內(nèi)的變化較為平坦,譜擬合結(jié)果表明,譜指數(shù)絕對(duì)值較小(p=0.6)。這表明幅度時(shí)間序列沒有發(fā)生劇烈的衰落變化,幅度譜表現(xiàn)為一種近似的噪聲變化。

對(duì)于閃爍影響下的幅度數(shù)據(jù)而言,其譜分析結(jié)果在相應(yīng)的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出典型的閃爍衰落變化特性,譜擬合結(jié)果得到的譜指數(shù)為p=2.58,為典型的幅度譜指數(shù)值[15]。

3結(jié)束語

GNSS是電離層閃爍監(jiān)測(cè)的重要手段。為實(shí)現(xiàn)對(duì)海量GNSS電離層閃爍數(shù)據(jù)的處理,需建立有效的數(shù)據(jù)處理方法。

GNSS信號(hào)容易受到射頻干擾等外部環(huán)境的影響,射頻干擾影響限制了對(duì)電離層閃爍監(jiān)測(cè)的能力,引起電離層閃爍監(jiān)測(cè)的中斷,造成“虛假”的閃爍參數(shù)估計(jì),必須在GNSS電離層閃爍數(shù)據(jù)處理的不同階段,根據(jù)GNSS閃爍監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)、電離層閃爍的特征,建立合理的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法,進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)檢測(cè)、閃爍識(shí)別和參數(shù)估計(jì)。

需要說明的是,除了射頻干擾外,多徑影響也往往是影響GNSS電離層閃爍監(jiān)測(cè)的環(huán)境因素。但由于多徑影響可以通過提高觀測(cè)截止仰角的方法加以抑制,并且多GNSS系統(tǒng)的出現(xiàn)可以提供更多的空間可視衛(wèi)星。因此,多徑誤差對(duì)電離層閃爍監(jiān)測(cè)的影響不及射頻干擾影響嚴(yán)重。同時(shí),上述數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法對(duì)多徑誤差的抑制也具有一定效果。

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郭珊(1981-),女,工程師,主要研究方向?yàn)殡婋x層閃爍數(shù)據(jù)處理及建模技術(shù)研究。

於曉(1982-)，女，工程師，主要研究方向?yàn)殡婋x層閃爍建模技術(shù)研究。

劉鈍(1973-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姴▊鞑?yīng)用技術(shù)、GNSS應(yīng)用技術(shù)研究。

Batch Processing and Quality Control of GNSS Scintillation Data

GUO Shan,YU Xiao,LIU Dun

(22ndResearchInstitute,ChinaElectronicsTechnologyCroupCo.,Qingdao266107,China)

Abstract:Global Navigation Satellite System (GNSS) could be served as an powerful means for ionospheric scintillation monitoring. High resolution observation from the multi-mode receiver of the GNSS multi-system leads to a huge quantity of data, making the data processing and data quality control an onerous task for scintillation identification and parameters estimation. In the paper, processing routine for GNSS scintillation data is introduced. Methods for data processing and data quality control are suggested for various steps in the routine. GNSS scintillation observation is also used to test the efficacy of the methods.

Key words:Ionospheric scintillation; GNSS; radio frequency interference; data quality control

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-08-05

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-9268(2015)06-0039-05

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.008