[發(fā)明專利]一種GNSS電離層異常擾動(dòng)參量提取方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010904719.3
• 申請(qǐng)日: 2020-09-01
• 公開（公告）號(hào): CN112114334A
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 湯俊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華東交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S19/07
• 分類號(hào): G01S19/07
• 代理公司: 西安合創(chuàng)非凡知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61248
• 代理人: 張燕

本發(fā)明公開了一種GNSS電離層異常擾動(dòng)參量提取方法，包括以下步驟：GNSS電離層異常擾動(dòng)總電子含量時(shí)序提取；三站最大熵譜分析法分析GNSS電離層總電子含量擾動(dòng)時(shí)序；GNSS電離層異常擾動(dòng)參量的確定。本發(fā)明針對(duì)GNSS電離層異常擾動(dòng)探測(cè)，對(duì)研究其傳播速度、方向和范圍對(duì)探尋空間環(huán)境變化規(guī)律具有重要意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及GNSS電離層空間環(huán)境探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于三站最大熵譜分析的GNSS電離層異常擾動(dòng)參量提取方法。

背景技術(shù)

目前，電離層異常擾動(dòng)是電離層結(jié)構(gòu)偏離常規(guī)形態(tài)的急劇變化。電離層作為地球大氣層中一個(gè)良好的導(dǎo)電薄層，磁層空間的電流體系以及各種電場(chǎng)和粒子效應(yīng)都會(huì)進(jìn)入電離層，同時(shí)，低層大氣乃至地面的各種擾動(dòng)，也將通過與熱層耦合中的各種動(dòng)力學(xué)過程和非線性機(jī)制，引起電離層異常擾動(dòng)。由于電離層中存在大量的與太陽(yáng)活動(dòng)、磁層過程、低層大氣氣象過程相聯(lián)系的擾動(dòng)現(xiàn)象，包括多種時(shí)間尺度的波動(dòng)與擾動(dòng)，多種空間尺度的運(yùn)動(dòng)與不均勻性，使之成為日地空間環(huán)境監(jiān)測(cè)研究的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，探測(cè)電離層的主要手段包括電離層測(cè)高儀、非相干散射雷達(dá)以及GNSS技術(shù)。其中，GNSS技術(shù)是最方便、且連續(xù)可對(duì)大范圍進(jìn)行電離層探測(cè)的手段。針對(duì)GNSS電離層異常擾動(dòng)探測(cè)，研究其傳播速度、方向和范圍對(duì)探尋空間環(huán)境變化規(guī)律具有重要意義。由探測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)擾動(dòng)傳播參量常用的方法是時(shí)域方法和頻域方法，這兩種方法僅適用于平穩(wěn)、單一和非色散的異常擾動(dòng)分析，然而，大尺度的電離層異常擾動(dòng)是非平穩(wěn)、非單一和色散的。因此，本領(lǐng)域亟待更好的技術(shù)方法出現(xiàn)。

單顆衛(wèi)星的電離層總電子含量(total electron content, TEC)的時(shí)序持續(xù)時(shí)間一般較短，不超過6小時(shí)，因此，對(duì)于電離層異常擾動(dòng)分析只能局限于較短的探測(cè)數(shù)據(jù)。要進(jìn)行準(zhǔn)確的譜分析，要求時(shí)間序列自身滿足很多的物理實(shí)際和工程上的原則。快速FFT的傅里葉變換是譜分析中常用的一種技術(shù)，其適合對(duì)信號(hào)在時(shí)域和空域上進(jìn)行整體分析。

傅里葉變換只有在數(shù)據(jù)序列的長(zhǎng)度足夠大的情況下才是準(zhǔn)確的，對(duì)于很短的數(shù)據(jù)序列，傳統(tǒng)的功率譜估計(jì)的方法，例如平滑和加窗的過程所提供的頻率分辨率較低，另外，還伴有吉布斯現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于提供一種GNSS電離層異常擾動(dòng)參量提取方法，利用三站最大熵譜分析法提取電離層異常擾動(dòng)參量，對(duì)GNSS電離層異常擾動(dòng)總電子含量時(shí)序提取，利用三站譜分析法分析GNSS電離層總電子含量擾動(dòng)時(shí)序，對(duì)GNSS電離層異常擾動(dòng)參量進(jìn)行確定。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種GNSS電離層異常擾動(dòng)參量提取方法，包括以下步驟：

GNSS電離層異常擾動(dòng)總電子含量時(shí)序提取；

三站最大熵譜分析法分析GNSS電離層總電子含量擾動(dòng)時(shí)序；

GNSS電離層異常擾動(dòng)參量的確定。

進(jìn)一步地，所述GNSS電離層異常擾動(dòng)總電子含量時(shí)序提取包括以下步驟：

在擬合GNSS電離層總電子含量背景值時(shí)，將其按時(shí)間和緯度的二次方展開，將作為背景的垂直TEC展開成緯度和世界時(shí)的函數(shù)，如下：

(1)

通過最小二乘法可以計(jì)算上式系數(shù)

又由

(2)

式中，為信號(hào)傳播斜路徑上的總電子含量，為垂直總電子含量，為穿刺點(diǎn)IPP處衛(wèi)星傳播路徑方向的天頂距，分別為接收機(jī)和衛(wèi)星的硬件延遲偏差；

結(jié)合式(1)和(2)得到電離層擾動(dòng)，即：

(3)

式中，和分別為地理緯度和世界時(shí)；為穿刺點(diǎn)處天頂距為最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的世界時(shí)；為時(shí)刻穿刺點(diǎn)處的緯度；將計(jì)算得到的系數(shù)代入式(3)，得到。