一种基于北斗导航的电离层闪烁监测系统的制作方法

本发明属于北斗卫星监测和电离层监测的技术领域，尤其涉及一种基于北斗导航的电离层闪烁监测系统。

背景技术：

卫星发射的无线电信号穿越电离层时,电离层不规则结构会引起信号强度、相位的快速随机起伏,人们称这种现象为电离层闪烁。电离层闪烁常会导致地面接收机接收到的信号出现误码和信号畸变，从而影响导航和通信系统的可靠性和精度。因此，观测研究电离层闪烁不仅是研究全球电离层不规则结构及变化特性的重要手段，而且随着全球范围导航和通信系统对空间平台的依赖性日益增长，它也相应成了人们关注的问题。

gps全球定位系统是美国在二十世纪九十年代完成的全球全天候卫星导航定位和授时系统，它的出现为探测电离层闪烁提供了一种新的有效手段。在这之前，对电离层闪烁的探测研究主要是基于雷达或同步卫星信标数据的观测，有时候甚至依靠发射火箭以取得短暂的观测数据。而24颗gps卫星昼夜不停的在天空运行，并向地面发射经过调制的双频l波段信号，这使得在全球范围内连续监测电离层不规则结构引起的电离层闪烁成为了可能。

目前现有的电离层闪烁监测设备采用温度补偿晶振源(tcxo)，常会产生不能被低通滤波器滤除的噪声，这种电离层闪烁监测设备抗干扰能力较差，而且多数是最简单的电路设计。在使用过程中基本以取到数据为主，设备可靠性差、网络通信无法保障、设备无法远程调试、无法满足复杂环境下的使用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供一种基于北斗导航的电离层闪烁监测系统，具体由以下技术方案实现：

所述基于北斗导航的电离层闪烁监测系统，包括：

天线，接受北斗卫星信号，将北斗卫星信号传输给所述接收机处理；

接收机，通过串口线将卫星信号的信号强度si和载波相位φ信息传输到计算机；计算机，包含数据采集分析模块与系统显示模块，所述数据分析模块处理硬件输出的卫星信号强度si和载波相位φ信息，通过所述系统显示模块进行数据显示。

所述基于北斗导航的电离层闪烁监测系统的进一步设计在于，所述天线为gnss天线，且所述馈线与所述接收机通信连接。

所述基于北斗导航的电离层闪烁监测系统的进一步设计在于，所述接收机通过rs-232串口线与所述计算机通信连接

所述基于北斗导航的电离层闪烁监测系统的进一步设计在于，所述接收机采用内部晶振源ocxo。

所述基于北斗导航的电离层闪烁监测系统的进一步设计在于，所述数据采集分析模块，先对巨量的原始数据进行计算分析，并将计算出的信号强度si和载波相位φ进行存储于缓存区内，在闪烁发生时再对原始数据以及对应的信号强度si和载波相位φ进行存储。

所述基于北斗导航的电离层闪烁监测系统的进一步设计在于，所述缓冲区用于存储15-30min的原始数据。

所述基于北斗导航的电离层闪烁监测系统的进一步设计在于，根据设定的条件判定闪烁的发生，所述设定的条件为：在连续一段时间m内n次达到设定值x。

所述基于北斗导航的电离层闪烁监测系统的进一步设计在于，在接收机的数字通道中，经积分和累加后，输出同相分量i和正交相分量q，通过算法计算出信号强度，将所述信号强度送入六阶巴特沃兹滤波器进行滤波，得到消除趋势后的信号强度，在经过滤波消除趋势以后算出总幅度闪烁指数s4值，再对其进行修正滤出来源于环境噪声，得出修正后的s4值。

所述基于北斗导航的电离层闪烁监测系统的进一步设计在于，选用六阶的巴特沃兹高通滤波器，通过将相位观测量通过该滤波器，得出滤波效果趋势后的载波相位值，在通过算法计算出相位闪烁指数σφ。

所述基于北斗导航的电离层闪烁监测系统的进一步设计在于，根据下式计算相位闪烁指数σφ，式中φ为载波相位。

本发明的优点在于：

(1)电离层闪烁监测系统的接收机采用了内部晶振源(ocxo)，频率稳定且相噪低，具有较强抗干扰能力，避免在卫星信号穿越整个电离层，电离层不规则结构引起信号相位和幅度的快速随机起伏时，出现这种快速的相位变化(相位闪烁)会引起卫星信号的多普勒频移，从而可能超出锁相环的带宽，导致相位失锁，同时幅度的削弱将会使得卫星信噪比降低到接收机极限以下，导致码失锁的问题；

(2)电离层闪烁监测系统的计算机可以直接输出卫星信号的信号强度si和载波相位φ信息，利用这些信息可以算出电离层闪烁情况，比原有的设备方便简单且稳定可靠；

(3)基于北斗的电离层闪烁监测系统中软件架构科学、合理，数据实时进入软件后进行解算，可以达到电离层实时监测的效果，同时算法先进，完全满足实际使用精度。

附图说明

图1为基于北斗导航的电离层闪烁监测系统架构示意图。

图2为基于北斗导航的电离层闪烁监测系统数据接收及处理流程图。

图3为振幅闪烁指数计算流程图。

图4为相位闪烁指数计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，基于北斗导航的电离层闪烁监测系统，主要由天线、接收机以及计算机组成。天线，接受北斗卫星信号，将北斗卫星信号传输给接收机处理。接收机，通过串口线将卫星信号的信号强度si和载波相位φ信息传输到计算机。计算机，包含数据采集分析模块与系统显示模块，数据分析模块处理硬件输出的卫星信号强度si和载波相位φ信息，通过系统显示模块进行数据显示。

本实施例中，天线为gnss天线，且馈线与接收机通信连接。接收机通过rs-232串口线与计算机通信连接接收机采用内部晶振源ocxo。

如图2，数据采集分析模块，先对巨量的原始数据进行计算分析，并将计算出的信号强度si和载波相位φ进行存储于缓存区内，在闪烁发生时再对原始数据以及对应的信号强度si和载波相位φ进行存储。本实施例中，缓冲区用于存储15-30min的原始数据。根据设定的条件判定闪烁的发生，设定的条件为：在连续一段时间m内n次达到设定值x。

具体地，本实施例通过采用标准rs232通信协议实现接收机与计算机之间的通信，在vc6.0中的具体实现是先用creatfile()函数初始化串行通信，包括获得串行设备句柄并对其进行通信参数设置，然后利用readfile()接收数据。在获得数据流后，根据数据标志帧从中分离出原始信息数据，保存到原始数据缓冲区(为了获得闪烁发生前的原始数据，这里开辟了一个可以存储20min原始数据量的缓冲区)，同时根据原始数据以每分钟计算一次s4指数，存储在计算出的数据缓冲区，待累积到10min的数据后，判断标志位，根据标志位来决定原始数据的存储与否。

在实际测量分析中，考虑到存在有多径效应、钟差等因素也会导致偶尔一次s4指数很大，因此偶尔的一次s4指数很大并不意味着闪烁发生，考虑以连续10min内有6次s4(一分钟一个数据)大于某个值(一般取0.3)作为标准来衡量闪烁发生与否。当确定有闪烁发生时，从数据缓冲区中取出该闪烁发生前10min的原始数据存储到数据文件，同时判断该闪烁是否结束，如果闪烁继续，则依次存储原始数据，如果闪烁终止，则只接着保存闪烁终止后10min的原始数据。无论有没闪烁发生，经计算出的数据都被保存到数据文件。

如图3，在数字接收机通道中，经积分和累加后，系统输出同相分量i和正交相分量q，通过算法计算出信号强度，将其送入六阶巴特沃兹滤波器进行滤波，得到消除趋势后的信号强度。在经过滤波消除趋势以后算出总幅度闪烁指数s4值，由于s4指数有时候还有很大一部分可能来源于环境噪声，因此再对其进行修正，得出修正后的s4值。

如图4所示，对于单频接收机来说，接收机本地钟差、卫星钟差、sa政策和对流层等也会引起接收信号的相位变化，因此同样需要通过滤波消除趋势的方法降低这种影响。选用一个六阶3db截止频率为0.1hz的巴特沃兹高通滤波器，让相位观测量通过该滤波器，得出滤波效果趋势后的载波相位值，在通过算法计算出相位闪烁指数。本实施例根据下式计算相位闪烁指数σφ，式中φ为载波相位。

具体地，以下给出本实施例闪烁指数的具体计算方法：

在电离层闪烁监测中，闪烁强度可以通过计算振幅闪烁指数(s4)和相位闪烁指数(σφ)来衡量，振幅闪烁指数s4的计算方法如下：

振幅闪烁指数(s4指数)通常以每分钟计算得到一个值，它定义为信号强度的均值归一化的信号强度的标准差：

式中<>表示一分钟均值，si即信号强度，也就是接收到的信号的功率；

第一步：计算信号强度si

在数字接收机通道中，经积分和累加后，系统输出3个同相分量ie,ip,il和正交相分量qe,qp,ql，对于振幅闪烁测量，以1khz的抽样率从中抽取出同相和正交相采样数据ip,qp，然后以0.02s的间隔计算出窄带功率nbp和宽带功率wbp：

假设在0.02s内，不包括噪声的i和q为一常量，噪声用变量ni来表示，则ii和qi分别为：

ii＝i+ni(4)

qi＝q+ni(5)

将式(4)、(5)代入(2)、(3)后，再用(2)式减去(3)式，就可以得到接收信号的功率，即信号强度si：

si＝nbp-wbp＝380·(i²+q²)(6)

第二步：计算滤波消趋势后的信号强度si′

对于单频gps接收机，卫星运动以及多径等因素也会导致接收信号的功率变化，因此有必要通过低通滤波消除趋势来减弱这种影响，在下面的表达式中，用si′表示滤波消除趋势后的信号强度，它通过将si送入6阶巴特沃兹滤波器进行滤波后得到；

6阶巴特沃兹滤波器由3个级联的2阶滤波器构成，对于每一个2阶滤波器，其s平面方程满足：

式中fn为滤波器的输入频率，单位hz，系数a1、a2、a3分别为：

在时域，2阶滤波器满足如下的方程：

其中，式中系数表达式分别为：

δt取值0.02s；在方程式(11)中，μ1,k+1为第k+1次的输入值，即第一级滤波器的输入；μ2,k+1、μ3,k+1表示第1、2级滤波器的输出，即第2、3级滤波器的输入：

μ1,k+1＝(nbp-wbp)k+1(18)

最后滤波器的输出为：

经低通滤波后，用输入除以低通输出得到一个在1左右跳动的消除趋势值：

第三步：计算总的s4值

在经过滤波消除趋势以后，方程式(1)修改为：

第四步：计算基于噪声的s4值

式(1)、(22)中定义的s4指数有时候还有很大一部分可能来源于环境噪声，因此有必要剔除这部分的影响，可以通过求得1分钟内信噪比的均值，计算出这个基于噪声产生的s4值：

式中为系统输出的信噪比均值；

第五步：计算s4修正值

总的s4值平方减去基于噪声产生的s4值平方，得到修正后的s4值平方，经开方得到s4修正值：

相位闪烁指数(σφ)的计算方法如下：

通常使用载波相位的标准差σφ来确定相位闪烁：

式中φ为载波相位；其算法执行步骤如下：

第一步，计算滤波消除趋势后的载波相位φ

对于单频gps接收机来说，接收机本地钟差、卫星钟差、sa政策和对流层等也会引起接收信号的相位变化，因此同样需要通过滤波消除趋势的方法降低这种影响；与幅度闪烁指数分析不同的是，除电离层闪烁之外的相位的影响具有缓变的特征，通过选用一个6阶3db截止频率为0.1hz的巴特沃兹高通滤波器，让相位观测量通过该滤波器，可以移除在该截止频率以下的低频影响；

以原始相位值φin,k+1作为该滤波器的输入：

μ1,k+1＝φin,k+1(26)

前级滤波器的输入和输出之差构成后一级的输入：

μi,k+1＝μi-1,k+1-xi-1,1,k+1；i＝2,3(27)

最后滤波器的输出为：

φhpf,k+1＝μ3,k+1-x31,k+1(28)

经高通滤波后，用输入除以高通输出得到一个在1左右跳动的消除趋势值：

对于相位闪烁，滤波方程中的γ系数也与幅度闪烁不一样：

第二步，计算相位闪烁；

本实施例的电离层闪烁监测系统的接收机采用了内部晶振源(ocxo)，频率稳定且相噪低，具有较强抗干扰能力，避免在卫星信号穿越整个电离层，电离层不规则结构引起信号相位和幅度的快速随机起伏时，出现这种快速的相位变化(相位闪烁)会引起卫星信号的多普勒频移，从而可能超出锁相环的带宽，导致相位失锁，同时幅度的削弱将会使得卫星信噪比降低到接收机极限以下，导致码失锁的问题.电离层闪烁监测系统的计算机可以直接输出卫星信号的信号强度si和载波相位φ信息，利用这些信息可以算出电离层闪烁情况，比原有的设备方便简单且稳定可靠.基于北斗的电离层闪烁监测系统中软件架构科学、合理，数据实时进入软件后进行解算，可以达到电离层实时监测的效果，同时算法先进，完全满足实际使用精度。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其本发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。