GNSS閃爍數據的批處理與質量控制

郭珊,於曉,劉鈍

(中國電子科技集團公司第二十二研究所,青島 266107)

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GNSS閃爍數據的批處理與質量控制

郭珊,於曉,劉鈍

(中國電子科技集團公司第二十二研究所,青島 266107)

摘要：全球導航衛星系統為電離層閃爍測量提供了一種有效手段。多系統多模觀測、高頻率采樣使得GNSS電離層閃爍觀測原始數據量巨大,有效的數據處理及數據質量控制是進行電離層閃爍事件識別、參數估計的重要需求。介紹了GNSS電離層閃爍數據處理的基本流程,針對數據處理流程中的主要步驟,提出了針對性的數據處理和數據質量控制方法,并利用實測的GNSS閃爍數據對提出的方法進行分析驗證,結果表明了方法的有效性。

關鍵詞：電離層閃爍;全球導航衛星系統;射頻干擾;數據質量控制

0引言

全球導航衛星系統(GNSS)的出現為電離層閃爍監測提供了一種重要的手段[1-6]。對于地面監測站而言,可同時觀測到3～6顆GPS衛星(截止仰角取為25°時),且衛星在測站上空均勻分布,可實現測站上空全空域的閃爍監測。GNSS接收機可實現對衛星信號幅度和載波相位的測量,因此可同時實現幅度閃爍和相位閃爍的監測。同時,GNSS系統具有全球覆蓋能力,因此可以作為一種全球范圍內統一的電離層閃爍監測手段。尤其是隨著我國北斗系統的建設和運行,俄羅斯GLONASS系統的重新部署和歐洲GALILEO系統的建設,以及多模接收機的實現,利用GNSS衛星信號可以實現對電離層閃爍更為密集的監測。

盡管GNSS作為電離層閃爍監測手段具有重要意義,但GNSS電離層閃爍監測中存在的一些問題需要進一步解決。信號易受干擾是GNSS應用中面臨的重要問題,這個問題對于電離層閃爍監測而言更為重要[7-8]。電離層閃爍引起GNSS衛星信號快衰落,當衰落的深度和持續時間超過了接收機信號跟蹤檢測能力的范圍時,就會發生接收機的失鎖。在同樣的信號強度下,衰落深度越深,持續時間越長,接收機越容易失鎖。當信號強度降低時,較弱的閃爍引起的較小衰落也可以引起接收機的失鎖。當存在射頻干擾時,GNSS接收機接收信號的載噪比降低,因此,較弱的閃爍影響也會引起接收機的失鎖,從而使接收機失去閃爍監測能力[9-10]。同時,射頻干擾一般會引起接收信號的“毛刺”狀變化,這種信號幅度的“毛刺”狀變化同樣也會引起信號幅度統計計算值變大(幅度閃爍指數為信號幅度的歸一化方差,即為一種信號幅度統計計算值),造成通過“幅度閃爍指數”進行電離層事件判決的困難。

同時,多GNSS系統多模接收機監測情況下,監測站可同時實現對幾十顆GNSS衛星的觀測,因此,如何實現對大量數據的快速處理,有效進行閃爍事件的識別,并進行相應的閃爍指數計算、譜估計等數據處理分析,是利用GNSS信號進行電離層閃爍監測需要解決的重要問題。

本文介紹了GNSS電離層閃爍監測數據的基本處理流程,并根據數據處理流程不同階段的特點,介紹了相應的數據質量控制方法,并利用實測的GPS、BD電離層閃爍數據進行了方法的分析驗證。

1GNSS閃爍數據處理流程

GNSS閃爍數據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) 原始數據轉換:由于閃爍需高頻采樣(一般≥20 Hz)測量,因此原始數據量很大,一般采樣二進制的專用數據格式進行記錄,并壓縮存儲。原始數據轉換主要完成數據的解壓縮、解碼,提取原始數據,并形成用于進一步處理的文本格式數據。

聯系人： 郭珊 E-mail: qdgs_22s@126.com

2) 幅度數據質量檢測:對一段時間內的原始幅度數據進行統計分析,判斷是否存在射頻干擾影響。

3) 幅度數據插值修正:對于發生數據缺失的數據段,通過內插方法進行缺失數據的估計,獲得連續的原始幅度數據段。

4) 幅度閃爍指數計算:按幅度閃爍指數公式,利用原始幅度數據計算幅度閃爍指數。

5) 幅度閃爍事件識別:按一定判據對幅度閃爍指數時間序列進行分析,識別有效的閃爍事件,并進行標示。

6) 幅度閃爍譜分析:對標示出的閃爍事件,利用相應的原始幅度數據進行譜分析,估計幅度閃爍的譜指數、譜強度等參量。

7) 閃爍事件幾何參數計算:利用星歷信息、監測站信息,計算閃爍事件發生時的衛星位置、方位角、仰角信息,并進一步計算電離層穿刺點位置信息,及穿刺點處的衛星信號傳播路徑幾何信息(傳播矢量方向)、地磁場信息(磁偏角、磁傾角)。

可以看出,上述處理流程中,1)、4)、7)步驟是確定性的數據處理,只需按預定的數據格式進行轉換,或按確定的計算方法進行相應參數的計算。2)、3)、5)、6)步驟中,需根據閃爍數據的情況或閃爍事件的特征,進行數據質量控制,提高電離層閃爍監測數據處理的連續性和有效性,以實現大批量閃爍數據的處理能力。

2GNSS閃爍數據處理中的質量控制

2.1幅度數據質量檢測

GNSS系統設計中,一般均指定衛星信號達到地面的功率。對于北斗二號系統,達到接收機天線的衛星信號強度為-163 dBW(B1I信號),GPS系統則為-160 dBW(L1 C/A信號)[11-12]。具體到接收機實現中,GNSS接收機輸出的信號載噪比一般由低仰角的40～45 dB/Hz左右,隨仰角增加而增強到45～50 dB/Hz左右。不同接收機廠家采用的載噪比計算方法不同,輸出的衛星信號載噪比略有不同,但不會相差太大。因此,可以根據衛星信號達到地面的一般載噪比值,進行原始幅度數據的質量判斷。

圖1　GNSS電離層閃爍數據處理流程

圖2和圖3分別給出了電離層閃爍和射頻干擾影響下GPS衛星信號載噪比的典型變化。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衛星信號載躁比變化規律。GPS衛星信號的載噪比由剛升起時(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信號仍保持鎖定,但信號載躁比已下降到36 dB/Hz.因此,可通過一段時間內GNSS信號載噪比的平均值變化,確定該時段內信號是否收到射頻干擾影響。

圖2　電離層閃爍影響下的GPS衛星信號幅度變化　(GPS PRN9號衛星,海口2012年9月25日　20:00-22:00)

圖3　射頻干擾影響下的GPS衛星信號幅度變化　(GPS PRN9號星,海口2009年7月31日6:00-　8:00)

2.2幅度數據插值修正

閃爍指數和閃爍譜參量是分析、判斷閃爍事件,以及進行閃爍建模的重要參量,上述參量的計算一般取一段時間內(如1分鐘)的原始幅度數據進行計算[13,15]。當該時段內的原始幅度數據存在離散斷點時,將會對閃爍數據的連續處理和參量估計造成影響。因此,當由于某種原因造成原始幅度數據中存在個別離散斷點時,應首先對該斷點區間進行插值修正,以保持連續的原始幅度變化時間序列。

進行插值修正的斷點長度區間,應根據原始幅度數據的觀測采樣頻率、接收機晶振噪聲特性,以及閃爍譜估計中待擬合的線性區間等因素綜合確定。當連續斷點的長度超過預定長度時,則拋棄該斷點區間數據,并以斷點區間后的第一個正常數據開始,重新選擇用于閃爍指數計算和閃爍譜估計的連續數據段。

圖4示出了一個原始幅度數據插值修正的例子。該實例中,接收機的監測20 Hz,數據長度為1分鐘(1 200個數據點),插值修正的斷點長度區間限定為3個點,即對出現的連續3個及以下斷點進行插值修正。可以看出,采用插值修正后的原始幅度時間序列,仍保持了原有的變化趨勢。采用插值修正,保證了原始幅度數據的連續性和完整性,有利于進一步的閃爍參數估計處理。

圖4　GPS信號原始幅度變化(深色曲線)和插值修正后的結果(淺色曲線)(GPS PRN14號星,海口2014年9月9日23點20分)

2.3幅度閃爍事件識別

閃爍指數是進行閃爍事件判斷的重要依據[13]。從幅度閃爍指數S4的定義可以看出,S4實際為歸一化的原始幅度統計值。當存在射頻干擾,以及多徑影響時,同樣可以造成原始幅度數據的統計值產生明顯變化。因此,必須在閃爍指數時間序列計算的基礎上,進一步建立有效的幅度閃爍事件識別方法。

文獻14中提出了一種幅度閃爍事件的判別方法,即在連續的一段時間內,幅度閃爍指數超過預定門限的次數超過一定比例,即判定該段時間內有幅度閃爍發生。圖5示出了按照上述方法實現的幅度閃爍事件判定結果。其中,幅度閃爍指數預定門限選為0.1,數據時間段長度選為10 min.門限超過次數為6次。圖6為對應時間內的原始幅度變化曲線。

圖5　BD衛星信號幅度閃爍指數時間序列(BD PRN 10號星B1頻點,海口2014年9月14日 20:00-21:00)

圖6　BD衛星信號原始幅度時間序列(BD PRN 10號星B1頻點,海口2014年9月14日 20:00-21:00)

可以看出,在觀測期間內(2014年9月14日 20:00-21:00),“北斗二號”系統 PRN10號衛星的B1和B2信號原始幅度一般在40 dB/Hz左右變化。在20:20-20:35之間,信號發生幅度閃爍,而在20:50分左右,B1信號幅度出現“毛刺”狀變化。相應的,在20:20-20:35之間,B1信號幅度閃爍指數連續超過預定門限,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信號幅度閃爍指數連續超過預定門限,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

閃爍譜估計一方面是獲取電離層閃爍建模所需參數的重要數據處理過程,另一方面,從閃爍譜的形狀中,也可以進行進一步的閃爍事件判斷。

圖7和圖8分別示出了對應于圖1和圖2原始幅度時間序列中某一段數據譜分析的結果。其中,圖7對應于GPS PRN9號星2009年7月31日6點30分開始的1200點幅度數據進行譜分析的結果,圖8對應于GPS PRN9號星2012年9月25日20點42分開始的1200點幅度數據進行譜分析的結果。

圖7　射頻干擾影響下的GPS信號幅度譜分析結果(GPS PRN9號星,海口2009年7月31日6:30)

圖8　電離層閃爍影響下的GPS信號幅度譜分析結果(GPS PRN9號星,海口2012年9月25日20:42)

可以看出,對應于射頻干擾影響下的幅度數據而言,其譜分析結果在對應于閃爍衰落頻率范圍內的變化較為平坦,譜擬合結果表明,譜指數絕對值較小(p=0.6)。這表明幅度時間序列沒有發生劇烈的衰落變化,幅度譜表現為一種近似的噪聲變化。

對于閃爍影響下的幅度數據而言,其譜分析結果在相應的頻率范圍內表現出典型的閃爍衰落變化特性,譜擬合結果得到的譜指數為p=2.58,為典型的幅度譜指數值[15]。

3結束語

GNSS是電離層閃爍監測的重要手段。為實現對海量GNSS電離層閃爍數據的處理,需建立有效的數據處理方法。

GNSS信號容易受到射頻干擾等外部環境的影響,射頻干擾影響限制了對電離層閃爍監測的能力,引起電離層閃爍監測的中斷,造成“虛假”的閃爍參數估計,必須在GNSS電離層閃爍數據處理的不同階段,根據GNSS閃爍監測的特點、電離層閃爍的特征,建立合理的數據質量控制方法,進行有效的數據檢測、閃爍識別和參數估計。

需要說明的是,除了射頻干擾外,多徑影響也往往是影響GNSS電離層閃爍監測的環境因素。但由于多徑影響可以通過提高觀測截止仰角的方法加以抑制,并且多GNSS系統的出現可以提供更多的空間可視衛星。因此,多徑誤差對電離層閃爍監測的影響不及射頻干擾影響嚴重。同時,上述數據質量控制方法對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,主要研究方向為電離層閃爍數據處理及建模技術研究。

於曉(1982-)，女，工程師，主要研究方向為電離層閃爍建模技術研究。

劉鈍(1973-)，男，高級工程師，主要研究方向為電波傳播應用技術、GNSS應用技術研究。

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

作者簡介

收稿日期：2015-08-05

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2015)06-0039-05

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.008