专利名称：一种电波折射修正方法、装置及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电波环境探测和无线电应用技术领域，尤其涉及一种电波折射修正方法、装置及系统。
背景技术：
由于电波环境的存在，大气折射指数不同于真空中的折射指数，信号在传播过程中产生了折射效应，使得信号传播的速度 、方向均发生了一定的变化，产生了一定的测量偏差。在航天测控、雷达探测、导航定位等高精度的测控系统中，必须对系统测量值进行折射误差修正，以补偿由于电波环境引起的误差。而电波环境的感知与探测是决定大气折射修正精度的关键所在。目前，对流层探测一般采用探空技术，但探空气球一次探测需要约I小时，甚至更长，费用高，操作复杂，且一般探空站一天只实施进行两次探测，无法实现24小时连续观测，不能满足实时应用的需求。电离层一般采用电离层垂测技术探测，一方面，它只能得到电离层F2层最大电子密度hmF2对应的高度以下的底部电离层剖面，另一方面，设备成本高，天线尺寸较大，移动性差，不便于推广应用。已发展的基于卫星信标的电波环境探测方法主要有掩星探测和地基接收机网络层析CT两种遥感探测方法。这两种方法均存在成本高、技术复杂等问题。如，掩星探测需要配合低轨卫星联合观测，并且受到掩星事件的制约；网络层析要求在一定的地区范围按一定的位形布置多台接收机，这需要很好解决彼此之间通讯和数据传输，且计算耗时长。综合以上分析，目前对流层和电离层探测方法分别存在操作复杂、运行成本高、实时性低、可移动性差、连续观测能力受限等缺点，不便于工程中实际操作和应用，这一定程度制约了导航、定位、测控等设备的精度，使其功能得到较大的限制，成为提升设备、系统性能“瓶颈”。因此，需要研制便于工程应用的、低成本、轻便、实时高精度的探测方法和设备，以弥补提升我国工程中电波环境感知能力不足的缺陷，为导航、定位、测控等设备的性能的改进和提升提供支撑。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种电波折射修正方法、装置及系统，提升工程中电波环境感知能力，以提高对系统测量值进行大气折射修正的精度。本发明采用的技术方案是，所述电波折射修正方法，包括:步骤一，基于历史气象探空数据和地面温湿压数据，实时获得对流层折射率剖面；步骤二，基于地基单站GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)接收机采集到的GNSS信号，实时获取电离层垂直总电子含量实测值，在电离层垂直总电子含量实测值的基础上，利用遗传非线性优化算法实时反演出电离层电子密度剖面；步骤三，根据对流层折射率剖面和电离层电子密度剖面，利用射线描迹方法实时计算电波环境折射误差； 步骤四，根据电波环境折射误差，对目标探测数据进行修正。进一步的，所述步骤一具体包括:Al，将历史气象探空数据代入温湿压折射率公式计算得到折射率气象探空剖面；A2，基于对流层折射率分段模型以及历史气象探空数据对应的折射率气象探空剖面，确定出对流层折射率分段模型剖面；A3，基于地面温湿压测量数据代入温湿压折射率公式计算得到实测地面折射率，将对流层折射率分段模型剖面中的地面折射率数值替换成所述实测地面折射率，实时得到对流层折射率剖面。进一步的,所述步骤A2具体包括:基于历史气象探空数据对应的折射率气象探空剖面得到对流层折射率分段模型的最优参数，将所述最优参数代入对流层折射率分段模型得到对流层折射率分段模型剖面。进一步的，所述对流层折射率分段模型如下:
权利要求
1.一种电波折射修正方法,其特征在于,包括: 步骤一，基于历史气象探空数据和地面温湿压数据，实时获得对流层折射率剖面；步骤二，基于地基单站全球导航卫星系统GNSS接收机采集到的GNSS信号，实时获取电离层垂直总电子含量实测值，在电离层垂直总电子含量实测值的基础上，利用遗传非线性优化算法实时反演出电离层电子密度剖面； 步骤三，根据对流层折射率剖面和电离层电子密度剖面，利用射线描迹方法实时计算电波环境折射误差； 步骤四，根据电波环境折射误差，对目标探测数据进行修正。
2.根据权利要求1所述的电波折射修正方法，其特征在于，所述步骤一具体包括: Al，将历史气象探空数据代入温湿压折射率公式计算得到折射率气象探空剖面； A2，基于对流层折射率分段模型以及历史气象探空数据对应的折射率气象探空剖面，确定出对流层折射率分段模型剖面； A3，基于地面温湿压测量数据代入温湿压折射率公式计算得到实测地面折射率，将对流层折射率分段模型剖面中的地面折射率数值替换成所述实测地面折射率，实时得到对流层折射率剖面。
3.根据权利要求2所述的电波折射修正方法，其特征在于，所述步骤A2具体包括: 基于历史气象探空数据对应的折射率气象探空剖面得到对流层折射率分段模型的最优参数，将所述最优参数代入对流层折射率分段模型得到对流层折射率分段模型剖面。
4.根据权利要求3所述的电波折射修正方法，其特征在于，所述对流层折射率分段模型如下: N0 - AN^h-hs)hs < h <hs + Ihn N(h) = -1 N' exp[- c, (h - h.-1Jj hs + \km < h < 9km Nk! exp[-6；； (h - 9)J 9km < / < 6Qkm 其中，Ntl为地面折射率；hs为地面海拔高度；AN1为近地面Ikm内的折射率负梯度；Ni为地面Ikm高度处折射率；Cl为地面以上Ikm至海拔9km的指数衰减率；N9为海拔9km高度处折射率；c9为海拔9km至60km的指数衰减率，参数凡、AN1^c1和C9的最优值待确定；所述最优参数的确定过程如下: A21，将历史气象探空数据按照月份、时刻进行分组，代入温湿压折射率公式得到各组折射率气象探空剖面； A22，将Ikm以下的折射率气象探空剖面中不同高度与折射率的对应关系，代入分段模型中利用最小二乘法计算出参数N。、AN1JU N1 = N0-AN1 ； A23，将I 9km的折射率气象探空剖面中不同高度与折射率的对应关系，代入分段模型中利用非线性回归算法计算出参数C1，则: N9 = N:exp [-C1 (8-hs)] A24，将9 60km的折射率气象探空剖面中不同高度与折射率的对应关系，代入分段模型中利用非线性回归算法计算出参数c9。
5.根据权利要求1所述的电波折射修正方法，其特征在于，GNSS信号包括:卫星星历数据和卫星的观测数据；所述步骤二具体包括: BI，利用卫星观测数据计算载波相位整周模糊度以及载波相位差； B2，利用自适应网格法计算GNSS系统硬件误差； B3，根据载波相位整周模糊度、载波相位差以及GNSS系统硬件误差计算各卫星与GNSS接收机之间传播路径的电离层穿刺点IPP处电子含量； B4,利用投影函数将各卫星与GNSS接收机之间传播路径的电离层穿刺点IPP处电子含量转化为各传播路径的电离层穿刺点处垂直电子含量，再利用内插方法计算出GNSS接收机上空电离层垂直总电子含量实测值； B5，基于电离层IRI模型和电离层垂直总电子含量实测值，利用遗传优化算法对电离层关键参量进行优化选择，实时反演出电离层电子密度剖面。
6.根据权利要求5所述的电波折射修正方法，其特征在于，所述步骤B5具体包括: B51:在设定的搜索范围内利用遗传算法，对电离层IRI模型的四个关键参量NmF2、hmF2、M(3000) F2, Fia 7进行搜索，当由相应的电离层IRI模型积分得到的电离层垂直总电子含量模型值与电离层垂直总电子含量实测值的差值最小时，获得优化的所述四个关键参数；该设定的搜索范围根据历史电离层垂测数据和IRI模型的预报数据加权确定； B52:然后判断优化的四个关键参数是否满足设定的精度要求与约束条件，如果满足，则将优化的四个关键参数代入IRI模型，实时得到电离层电子密度剖面。
7.根据权利要求1所述的电波折射修正方法，其特征在于，所述步骤三具体包括: Cl，根据目标的视在距离，计算目标的真实海拔高度，计算过程如下: 设目标的视在距离为Ra，当Ra彡Rat时，目标在对流层高度内，Rat表示对流层顶高度对应的距离，目标的真实海拔高度hT:
8.一种实现权利要求1所述电波折射修正方法的装置，其特征在于，包括: 对流层数据处理单元，用于基于历史气象探空数据和地面温湿压数据，实时获得对流层折射率剖面； 电离层数据处理单元，用于基于地基单站GNSS接收机采集到的GNSS信号，实时获取电离层垂直总电子含量实测值，在电离层垂直总电子含量实测值的基础上，利用遗传非线性优化算法实时反演出电离层电子密度剖面； 折射率误差计算单元，用于根据对流层折射率剖面和电离层电子密度剖面，利用射线描迹方法计算电波环境折射误差； 目标探测数据修正单元，用于根据电波环境折射误差对目标探测数据进行修正。
9.一种实现权利要求1所述电波折射修正方法的系统，其特征在于，包括:权利要求8中的所述电波折射修正方法的装置、以及数据采集设备，其中， 数据采集设备包括:用于采集GNSS信号的地基单站GNSS接收机、以及用于采集温湿压数据的气象数据采集单元；所述气象数据采集单元与GNSS接收机连接固定。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述GNSS接收机包括:GNSS接收天线、天线支架和GNSS卫星监测模块；所述气象数据单元包括:温湿传感器、气压传感器和模数转换器；其中，GNSS接收天线安装在天线支架的最顶端，温湿传感器和气压传感器均固定在天线支架上低于GNSS接收天线的位置，气压传感器的安装高度不低于0.5米； GNSS接收天线通过射频线与GNSS卫星监测模块连接，GNSS卫星监测模块向电离层数据处理单元输出采集到的GNSS信号； 温湿传感器和气压传感器分别将采集到的模拟信号通过模数转换器变成数字信号后输入到对流层数据处理单元。
全文摘要
本发明公开了一种电波折射修正方法、装置及系统，该方法包括基于历史气象探空数据和地面温湿压数据，实时获得对流层折射率剖面；基于地基单站GNSS接收机采集到的GNSS信号，实时获取电离层垂直总电子含量实测值，在电离层垂直总电子含量实测值的基础上，利用遗传非线性优化算法实时反演出电离层电子密度剖面；根据对流层折射率剖面和电离层电子密度剖面，利用射线描迹方法计算电波环境折射误差；并对目标探测数据进行修正。本发明可以提升工程中电波环境感知能力，精确给出电波环境折射误差，有效地提高目标的探测精度。
文档编号G01D3/028GK103217177SQ20131016720
公开日2013年7月24日 申请日期2013年5月9日 优先权日2013年5月9日
发明者康士峰, 刘琨, 赵振维, 林乐科, 李建儒, 陈祥明, 朱庆林, 王红光, 孙方, 丁宗华 申请人:中国电子科技集团公司第二十二研究所