GNSS闪烁数据的批处理与质量控制

郭珊,於晓,刘钝

(中国电子科技集团公司第二十二研究所,青岛 266107)



GNSS闪烁数据的批处理与质量控制

郭珊,於晓,刘钝

(中国电子科技集团公司第二十二研究所,青岛 266107)

摘要：全球导航卫星系统为电离层闪烁测量提供了一种有效手段。多系统多模观测、高频率采样使得GNSS电离层闪烁观测原始数据量巨大,有效的数据处理及数据质量控制是进行电离层闪烁事件识别、参数估计的重要需求。介绍了GNSS电离层闪烁数据处理的基本流程,针对数据处理流程中的主要步骤,提出了针对性的数据处理和数据质量控制方法,并利用实测的GNSS闪烁数据对提出的方法进行分析验证,结果表明了方法的有效性。

关键词：电离层闪烁;全球导航卫星系统;射频干扰;数据质量控制

0引言

全球导航卫星系统(GNSS)的出现为电离层闪烁监测提供了一种重要的手段[1-6]。对于地面监测站而言,可同时观测到3～6颗GPS卫星(截止仰角取为25°时),且卫星在测站上空均匀分布,可实现测站上空全空域的闪烁监测。GNSS接收机可实现对卫星信号幅度和载波相位的测量,因此可同时实现幅度闪烁和相位闪烁的监测。同时,GNSS系统具有全球覆盖能力,因此可以作为一种全球范围内统一的电离层闪烁监测手段。尤其是随着我国北斗系统的建设和运行,俄罗斯GLONASS系统的重新部署和欧洲GALILEO系统的建设,以及多模接收机的实现,利用GNSS卫星信号可以实现对电离层闪烁更为密集的监测。

尽管GNSS作为电离层闪烁监测手段具有重要意义,但GNSS电离层闪烁监测中存在的一些问题需要进一步解决。信号易受干扰是GNSS应用中面临的重要问题,这个问题对于电离层闪烁监测而言更为重要[7-8]。电离层闪烁引起GNSS卫星信号快衰落,当衰落的深度和持续时间超过了接收机信号跟踪检测能力的范围时,就会发生接收机的失锁。在同样的信号强度下,衰落深度越深,持续时间越长,接收机越容易失锁。当信号强度降低时,较弱的闪烁引起的较小衰落也可以引起接收机的失锁。当存在射频干扰时,GNSS接收机接收信号的载噪比降低,因此,较弱的闪烁影响也会引起接收机的失锁,从而使接收机失去闪烁监测能力[9-10]。同时,射频干扰一般会引起接收信号的“毛刺”状变化,这种信号幅度的“毛刺”状变化同样也会引起信号幅度统计计算值变大(幅度闪烁指数为信号幅度的归一化方差,即为一种信号幅度统计计算值),造成通过“幅度闪烁指数”进行电离层事件判决的困难。

同时,多GNSS系统多模接收机监测情况下,监测站可同时实现对几十颗GNSS卫星的观测,因此,如何实现对大量数据的快速处理,有效进行闪烁事件的识别,并进行相应的闪烁指数计算、谱估计等数据处理分析,是利用GNSS信号进行电离层闪烁监测需要解决的重要问题。

本文介绍了GNSS电离层闪烁监测数据的基本处理流程,并根据数据处理流程不同阶段的特点,介绍了相应的数据质量控制方法,并利用实测的GPS、BD电离层闪烁数据进行了方法的分析验证。

1GNSS闪烁数据处理流程

GNSS闪烁数据的处理一般包括以下步骤，如图1所示,以幅度闪烁处理为例。

1) 原始数据转换:由于闪烁需高频采样(一般≥20 Hz)测量,因此原始数据量很大,一般采样二进制的专用数据格式进行记录,并压缩存储。原始数据转换主要完成数据的解压缩、解码,提取原始数据,并形成用于进一步处理的文本格式数据。

联系人： 郭珊 E-mail: qdgs_22s@126.com

2) 幅度数据质量检测:对一段时间内的原始幅度数据进行统计分析,判断是否存在射频干扰影响。

3) 幅度数据插值修正:对于发生数据缺失的数据段,通过内插方法进行缺失数据的估计,获得连续的原始幅度数据段。

4) 幅度闪烁指数计算:按幅度闪烁指数公式,利用原始幅度数据计算幅度闪烁指数。

5) 幅度闪烁事件识别:按一定判据对幅度闪烁指数时间序列进行分析,识别有效的闪烁事件,并进行标示。

6) 幅度闪烁谱分析:对标示出的闪烁事件,利用相应的原始幅度数据进行谱分析,估计幅度闪烁的谱指数、谱强度等参量。

7) 闪烁事件几何参数计算:利用星历信息、监测站信息,计算闪烁事件发生时的卫星位置、方位角、仰角信息,并进一步计算电离层穿刺点位置信息,及穿刺点处的卫星信号传播路径几何信息(传播矢量方向)、地磁场信息(磁偏角、磁倾角)。

可以看出,上述处理流程中,1)、4)、7)步骤是确定性的数据处理,只需按预定的数据格式进行转换,或按确定的计算方法进行相应参数的计算。2)、3)、5)、6)步骤中,需根据闪烁数据的情况或闪烁事件的特征,进行数据质量控制,提高电离层闪烁监测数据处理的连续性和有效性,以实现大批量闪烁数据的处理能力。

2GNSS闪烁数据处理中的质量控制

2.1幅度数据质量检测

GNSS系统设计中,一般均指定卫星信号达到地面的功率。对于北斗二号系统,达到接收机天线的卫星信号强度为-163 dBW(B1I信号),GPS系统则为-160 dBW(L1 C/A信号)[11-12]。具体到接收机实现中,GNSS接收机输出的信号载噪比一般由低仰角的40～45 dB/Hz左右,随仰角增加而增强到45～50 dB/Hz左右。不同接收机厂家采用的载噪比计算方法不同,输出的卫星信号载噪比略有不同,但不会相差太大。因此,可以根据卫星信号达到地面的一般载噪比值,进行原始幅度数据的质量判断。

图1　GNSS电离层闪烁数据处理流程

图2和图3分别给出了电离层闪烁和射频干扰影响下GPS卫星信号载噪比的典型变化。由图2可以看出,尽管受到电离层闪烁的影响,仍可以看出前述的GNS卫星信号载躁比变化规律。GPS卫星信号的载噪比由刚升起时(截止仰角25°)的约45 dB/Hz,随仰角增大而增加到约50 dB/Hz.而在射频干扰情况下,尽管GPS信号仍保持锁定,但信号载躁比已下降到36 dB/Hz.因此,可通过一段时间内GNSS信号载噪比的平均值变化,确定该时段内信号是否收到射频干扰影响。

图2　电离层闪烁影响下的GPS卫星信号幅度变化　(GPS PRN9号卫星,海口2012年9月25日　20:00-22:00)

图3　射频干扰影响下的GPS卫星信号幅度变化　(GPS PRN9号星,海口2009年7月31日6:00-　8:00)

2.2幅度数据插值修正

闪烁指数和闪烁谱参量是分析、判断闪烁事件,以及进行闪烁建模的重要参量,上述参量的计算一般取一段时间内(如1分钟)的原始幅度数据进行计算[13,15]。当该时段内的原始幅度数据存在离散断点时,将会对闪烁数据的连续处理和参量估计造成影响。因此,当由于某种原因造成原始幅度数据中存在个别离散断点时,应首先对该断点区间进行插值修正,以保持连续的原始幅度变化时间序列。

进行插值修正的断点长度区间,应根据原始幅度数据的观测采样频率、接收机晶振噪声特性,以及闪烁谱估计中待拟合的线性区间等因素综合确定。当连续断点的长度超过预定长度时,则抛弃该断点区间数据,并以断点区间后的第一个正常数据开始,重新选择用于闪烁指数计算和闪烁谱估计的连续数据段。

图4示出了一个原始幅度数据插值修正的例子。该实例中,接收机的监测20 Hz,数据长度为1分钟(1 200个数据点),插值修正的断点长度区间限定为3个点,即对出现的连续3个及以下断点进行插值修正。可以看出,采用插值修正后的原始幅度时间序列,仍保持了原有的变化趋势。采用插值修正,保证了原始幅度数据的连续性和完整性,有利于进一步的闪烁参数估计处理。

图4　GPS信号原始幅度变化(深色曲线)和插值修正后的结果(浅色曲线)(GPS PRN14号星,海口2014年9月9日23点20分)

2.3幅度闪烁事件识别

闪烁指数是进行闪烁事件判断的重要依据[13]。从幅度闪烁指数S4的定义可以看出,S4实际为归一化的原始幅度统计值。当存在射频干扰,以及多径影响时,同样可以造成原始幅度数据的统计值产生明显变化。因此,必须在闪烁指数时间序列计算的基础上,进一步建立有效的幅度闪烁事件识别方法。

文献14中提出了一种幅度闪烁事件的判别方法,即在连续的一段时间内,幅度闪烁指数超过预定门限的次数超过一定比例,即判定该段时间内有幅度闪烁发生。图5示出了按照上述方法实现的幅度闪烁事件判定结果。其中,幅度闪烁指数预定门限选为0.1,数据时间段长度选为10 min.门限超过次数为6次。图6为对应时间内的原始幅度变化曲线。

图5　BD卫星信号幅度闪烁指数时间序列(BD PRN 10号星B1频点,海口2014年9月14日 20:00-21:00)

图6　BD卫星信号原始幅度时间序列(BD PRN 10号星B1频点,海口2014年9月14日 20:00-21:00)

可以看出,在观测期间内(2014年9月14日 20:00-21:00),“北斗二号”系统 PRN10号卫星的B1和B2信号原始幅度一般在40 dB/Hz左右变化。在20:20-20:35之间,信号发生幅度闪烁,而在20:50分左右,B1信号幅度出现“毛刺”状变化。相应的,在20:20-20:35之间,B1信号幅度闪烁指数连续超过预定门限,并满足闪烁事件判决条件,故可判为闪烁事件。而在20:50分左右,尽管B1信号幅度闪烁指数连续超过预定门限,但不满足闪烁事件判决条件,故视为干扰影响。

2.4幅度闪烁谱分析

闪烁谱估计一方面是获取电离层闪烁建模所需参数的重要数据处理过程,另一方面,从闪烁谱的形状中,也可以进行进一步的闪烁事件判断。

图7和图8分别示出了对应于图1和图2原始幅度时间序列中某一段数据谱分析的结果。其中,图7对应于GPS PRN9号星2009年7月31日6点30分开始的1200点幅度数据进行谱分析的结果,图8对应于GPS PRN9号星2012年9月25日20点42分开始的1200点幅度数据进行谱分析的结果。

图7　射频干扰影响下的GPS信号幅度谱分析结果(GPS PRN9号星,海口2009年7月31日6:30)

图8　电离层闪烁影响下的GPS信号幅度谱分析结果(GPS PRN9号星,海口2012年9月25日20:42)

可以看出,对应于射频干扰影响下的幅度数据而言,其谱分析结果在对应于闪烁衰落频率范围内的变化较为平坦,谱拟合结果表明,谱指数绝对值较小(p=0.6)。这表明幅度时间序列没有发生剧烈的衰落变化,幅度谱表现为一种近似的噪声变化。

对于闪烁影响下的幅度数据而言,其谱分析结果在相应的频率范围内表现出典型的闪烁衰落变化特性,谱拟合结果得到的谱指数为p=2.58,为典型的幅度谱指数值[15]。

3结束语

GNSS是电离层闪烁监测的重要手段。为实现对海量GNSS电离层闪烁数据的处理,需建立有效的数据处理方法。

GNSS信号容易受到射频干扰等外部环境的影响,射频干扰影响限制了对电离层闪烁监测的能力,引起电离层闪烁监测的中断,造成“虚假”的闪烁参数估计,必须在GNSS电离层闪烁数据处理的不同阶段,根据GNSS闪烁监测的特点、电离层闪烁的特征,建立合理的数据质量控制方法,进行有效的数据检测、闪烁识别和参数估计。

需要说明的是,除了射频干扰外,多径影响也往往是影响GNSS电离层闪烁监测的环境因素。但由于多径影响可以通过提高观测截止仰角的方法加以抑制,并且多GNSS系统的出现可以提供更多的空间可视卫星。因此,多径误差对电离层闪烁监测的影响不及射频干扰影响严重。同时,上述数据质量控制方法对多径误差的抑制也具有一定效果。

参考文献

[1] COCO D. GPS-satellites of opportunity for ionospheric monitoring[J]. GPS World, 1991,2(9):47-50.

[2] GROVES K., BASU S, WEBER E. et al. Equatorial scintillation and systems support[J].Radio Science, 1997,32(5):2047-2064.

[3] CARRANO C, GROVES K. The GPS segment of the AFRL-SCINDA global network and the challenges of real-time TEC estimation in the equatorial ionosphere[C]// ION NTM 2006,18-20 January 2006, Nonterey, CA.

[4] 刘钝，冯健，邓忠新，等.电离层闪烁情况下的卫星导航系统定位性能分析[J].全球定位系统，2009, 34(6):1-8.

[5] 刘钝，冯健，邓忠新，等.电离层闪烁对卫星导航系统定位性能的影响分析[J].电波科学学报，2010, 25(4):702-710.

[6] 甄卫民，冯健，陈丽，等.多站多路径GPS信号研究低纬电离层不均匀体[J].电波科学学报，2007,22(1):138-142.

[7] CORRIGAN T M, HARTRANFT J F, LEVY L J,etal. GPS risk assessment study[D]. The Johns Hopkins University, 1999.

[8] SBAS Ionospheric Working Group. Effects of ionospheric scintillations on GNSS - A white paper[R].2010.

[9] SEO J, WALTER T, CHIOU Tsungyu,etal. Characteristics of deep GPS signal fading due to ionospheric scintillation for aviation receiver design[J].Radio Science, 2009,44(1).doi:10.1029/2008RS004077.

[10]KNIGHT M F. Ionospheric scintillation effects on Global Positioning System receivers[D].Univercity of Adelaide, 2000.

[11]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号B1I(1.0版)[R].2012.

[12]Arinc Research Corporation. Navstar GPS space segment/navigation user interfaces[R]. 1997.

[13]WHITNEY H E, AARONS J, MALIK C. A proposed index for measuring ionospheric scintillation[J]. Plantary & Space Science,1969,17(5):1069-1073.

[14]MCNEIL W J, LONG A R, KENDRA M J. Detection and characterization of equatorial scintillation for real-time operation support[R]. 1997.

[15]SECAN J A, ANDREASEN C C, FREMOUW E J,etal. Analysis of ionospheric monitoring system (IMS) total electron content (TEC) data and equatorial phase-scintillation data[R]. Northwest Research Associates, INC., 1995.

[16]FREMOUW E J, ROBINS R E. An equatorial scintillation model[R]. Northwest Research Associates, INC., 1985.

郭珊(1981-),女,工程师,主要研究方向为电离层闪烁数据处理及建模技术研究。

於晓(1982-)，女，工程师，主要研究方向为电离层闪烁建模技术研究。

刘钝(1973-)，男，高级工程师，主要研究方向为电波传播应用技术、GNSS应用技术研究。

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

作者简介

收稿日期：2015-08-05

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2015)06-0039-05

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.008