CN110058268B - 一种基于gnss的电离层闪烁闭环测试***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于GNSS的电离层闪烁闭环测试***，包括：模拟器，用于设置GPS和BDS场景信息；模拟器还用于接收场景，根据所述场景输出导航射频信号；模拟器还用于设置电离层幅度闪烁指数和相位闪烁指数；接收机，接收导航射频信号，用于完成GPS/BD双模多频点信号的捕获、跟踪、电文解调和定位解算，并输出跟踪环路的原始观测量和接收机的定位解算信息，实时进行电离层幅度闪烁指数、电离层相位闪烁指数、TEC、ROTI和ROT的计算；上位机软件，显示位置、速度、信号强度信息，将解算得到的定位信息、各卫星载噪比、仰角及方位角、伪距、载波相位、电离层幅度闪烁指数、电离层相位闪烁指数、TEC、ROTI和ROT进行显示。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航领域，具体涉及一种基于GNSS的电离层闪烁闭环测试***及方法。
背景技术
对于目前在广泛应用的卫星导航***，电离层闪烁对导航信号的闪烁效应可以从幅度和相位两个角度去分析。对于电离层幅度闪烁，其主要影响的是卫星导航信号的幅度或者说是信号强度。幅度闪烁的发生，会造成信号的波动和衰减，闪烁强度越大，受到衰减的信号电平低于接收机门限的次数就越多，造成对卫星信号跟踪的不稳定，最终造成卫星导航接收机的跟踪环路失锁，从而无法正常工作。而对于电离层相位闪烁，其造成的卫星信号相位的衰落和随机波动，直接导致周跳的发生，并会引起误码，影响电文的解调，严重影响了卫星通信，而卫星通信技术不仅影响着我国民用通信市场，在军事，科研，天文等领域也有着重要的实用价值。电离层闪烁闭环测试***和方法的研究也有助于深入认识电离层活动规律及其变化机制。因此电离层闪烁测试***和方法研究具有重大的科学意义和实用价值，是空间物理和无线电科学等领域的研究热点和重点。通过电离层模型、电离层闪烁效应的分析，研究电离层效应模拟技术，在实时模拟器中加入电离层仿真模块，实现对电离层闪烁的实时模拟。研究完整的电离层闪烁闭环测试***和方法，已成为大势所趋。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于GNSS的电离层闪烁闭环测试***及方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于GNSS的电离层闪烁闭环测试***，该***包括：
模拟器，用于设置GPS和BDS场景信息；所述模拟器还用于接收场景，根据所述场景输出导航射频信号；
所述模拟器还用于设置电离层幅度闪烁指数S4和相位闪烁指数σφ使得模拟器中加载康内尔电离层闪烁模型产生幅度闪烁和相位闪烁的数据文件；
接收机，用于接收所述导航射频信号，用于完成GPS/BD双模多频点信号的捕获、跟踪、电文解调和定位解算，并输出跟踪环路的原始观测量和接收机的定位解算信息，然后实时进行电离层幅度闪烁指数、电离层相位闪烁指数、TEC、ROTI和ROT的计算；
上位机，用于显示位置、速度、信号强度信息，并将解算得到的定位信息、各卫星载噪比、仰角及方位角、伪距、载波相位、电离层幅度闪烁指数、电离层相位闪烁指数、TEC、ROTI和ROT进行显示；
采用如下公式提高电离层幅度闪烁指数S4，
其中，<>表示算术平均运算，SI′为经过消趋势滤波后的信号强度,S表示信号功率，N0表示噪声功率。
可选地，所述模拟器包括DSP模块、FPGA和DA，所述DSP用于接收GPS/BDS卫星初始参数和载体轨迹参数，然后进行编码GPS/BDS导航电文，计算GPS/BDS信号的初始相位和频率控制字，并传递给所述FPGA，所述FPGA接收DSP传过来的参数，生成GPS/BDS数字中频信号，最后通过DAC得到GPS/BDS中频模拟信号。
可选地，所述上位机软件包括定星历文件、***仿真起始时间、电离层闪烁强度指数和闪烁持续时长，BDS星历参数、GPS星历参数、场景文件和电离层闪烁相关参数通过FPGA模块中的FIFO发送给DSP模块。
可选地，所述接收机包括：
射频模块，用于接收来自天的GPS/BD双模多频点射频信号；
预处理模块，用于对所述射频信号进行放大、混频、滤波和数模转换处理，得到中频数字信号；
基带信号处理模块，读取GPS的L1/L2频点和北斗的B1/B2频点的中频数字信号，进行捕获、跟踪、电文解调和定位解算。
可选地，所述电离层相位闪烁指数σφ是通过以下公式计算：
其中，<>表示算术平均运算，φ′为经过消趋势滤波后的载波相位测量值。
可选地，所述TEC的计算公式为：
其中，f1和f2表示GPS的L1和L2频点信号的频率或者北斗B1和B2频点信号的频率，φ1和φ2表示GPS的L1和L2频点信号的载波相位或北斗B1和B2频点信号的载波相位，λ1和λ2表示相应频点信号的波长，k为常数。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于GNSS的电离层闪烁闭环测试方法，包括以下步骤：
步骤(1).用户根据需要在模拟器上位机自定义设置GPS和BDS场景信息，从上位机界面注入场景文件，输出导航射频信号；
步骤(2).在模拟器的上位机中对电离层幅度闪烁指数S4和相位闪烁指数σφ分别进行设置，使得模拟器中加载电离层闪烁模型产生幅度闪烁和相位闪烁的数据文件；
步骤(3).接收机接收所述导航射频信号，完成GPS/BD双模多频点信号的捕获、跟踪、电文解调和定位解算，并输出跟踪环路的原始观测量和接收机的定位解算信息，然后实时进行电离层幅度闪烁指数、电离层相位闪烁指数、TEC、ROTI和ROT的计算；
步骤(4).上位机软件通过实时的接收从串口发送过来的各种数据，在完成解码后，在主界面上显示位置、速度、信号强度信息，并将解算得到的定位信息、各卫星载噪比、仰角及方位角、伪距、载波相位、电离层幅度闪烁指数、电离层相位闪烁指数、TEC、ROTI和ROT也实时的在软件界面上显示；
步骤(5).重复步骤(1)～步骤(4)，设置不同的电离层闪烁指数进行监测，从而得到不同闪烁强度下信号的变化情况。
如上所述，本发明的一种基于GNSS的电离层闪烁闭环测试***及方法，具有以下有益效果：
1、模拟器可以模拟GPS和北斗***双频信号；
2、模拟器可以加载RINEX格式的卫星星历文件；
3、模拟器导入了康奈尔电离层闪烁模型，可以加载信号的幅度衰落值和相位波动值文件，并可按照设置的参数动态改变信号的幅度和相位；
4、接收机可以接收北斗和GPS***双频信号，接收机可输出解算出的用户位置、速度、时间、秒脉冲及载波相位等原始测量信息，以及电离层幅度闪烁指数和电离层相位闪烁指数，电离层总电子含量等信息，并具有开放的软件接口。
附图说明
为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。
图1是电离层闭环测试方法的流程图；
图2是本发明软件测试效果图一；
图3是本发明软件测试效果图二；
图4是电离层闭环测试***的框图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种基于GNSS的电离层闪烁闭环测试方法，如图1所示：包括以下步骤：
步骤(1).用户根据需要在模拟器上位机自定义设置GPS和BDS场景信息(如星历文件，起始仿真时间和用户位置(经纬高)等),从上位机界面注入场景文件，以此来启动模拟器，输出导航射频信号。具体地，打开BDS&GPS上位机界面，先设置串口，保证上位机串口与主基带板卡串口相连接，本例使用com1与主基带板卡连接，且波特率置为115200，打钩连接，然后点击OK即可完成设置，如设置经度东经125度，北纬25度，高度50m，如下图所示东向、北向高向速度均值为0。其他设置中，电离层、对流层误差模型打钩，且仰角门限为5度，选择星历文件，点击浏览，选择星历文件夹Ephemeris Almanac Files中的eph_20140909_Sat，点击打开后，首先设置初始仿真时刻，第二步设置仿真持续时间，第三步点击add按钮进行添加场景，最后将该场景保存到Scenario Files文件夹即可，最后生成场景命名为25_125_50_JDF_pinban_20140909_OK.snr，保存在Scenario Files文件中。
步骤(2).然后在模拟器的上位机中对电离层幅度闪烁指数S4和相位闪烁指数σφ分别进行设置，使模拟器中加载康奈尔电离层闪烁模型产生幅度闪烁和相位闪烁的数据文件,实现电离层闪烁效应加入到卫星信号的实时模拟。电离层幅度闪烁S4和电离层相位闪烁指数σφ，它们的设置范围都是从0到1，其值越大表示电离层闪烁情况越严重,还需设置电离层闪烁的持续时间t，闪烁时间t的调节范围是300s至3000s，设置完成后模拟器输出的卫星信号的功率和相位会发生波动。具体的，当闪烁指数或闪烁持续时间设置完成后点击“设定”，此界面的参数才有作用，模拟器输出的卫星信号的功率和相位才会发生波动。如遇到接收机定位后载噪比未变化，可能是串口传输数据出错，需再次设置参数。最后，给整个***上电，保证与上位机串口设置连接正常，将上述所设置的25_125_50_JDF_pinban_20140909_OK.snr和25_125_50_20140909_GLONASS_OK.snr分别下发到主、副基带板卡中即可，点击启动，等待30秒左右即可启动模拟。
步骤(3).用接收机接收模拟器发出的设置好的导航射频信号，负责完成GPS/BD双模多频点信号的捕获、跟踪、电文解调和定位解算，并输出跟踪环路的原始观测量(伪距，载波相位载噪比，信号强度，瞬时多普勒频率，跟踪通道状态，卫星号，跟踪时间等)和接收机的定位解算信息，然后实时进行电离层幅度闪烁指数、电离层相位闪烁指数、TEC、ROTI和ROT等电离层闪烁监测相关的参数的计算。具体的，用串口线将接收机上的串口或者USB线与电脑上的串口或者USB线相连，打开电源，启动接收机上位机，在接收机上位机上观察接收机定位情况，如各卫星载噪比，载波相位等参数，定位后可进行下一步。
步骤(4).上位机软件通过实时的接收从串口发送过来的各种数据，在完成解码后，在主界面上显示位置、速度、信号强度等信息，并将解算得到的定位信息、各卫星载噪比、仰角及方位角、伪距、载波相位、电离层幅度闪烁指数、电离层相位闪烁指数、TEC、ROTI和ROT也实时的在软件界面上显示。具体的，软件的主界面包括菜单栏、工具栏和状态栏以及主界面中各种视图。其中菜单栏主要包括整个软件中的各种设置选项，通过菜单栏可以打开出软件的各种功能和视图。软件的工具栏主要是包含一些较为常用的一般性功能选项，如串口设置、数据回放开关、数据存储开关以及控制主界面的视图显示哪一个卫星***和哪一颗卫星的信息。软件的状态栏显示的是当前UTC时间、串口状态、数据存取状态、软件运行时长以及实时上下位机数据通信速率。主界面的视图被分为7大板块，分别为基本信息、用户位置及速度视图、当前卫星***各颗卫星的载噪比视图、各通道信息列表、星空图视图、最大幅度/相位闪烁指数视图以及GPS/BD卫星某一频点信号的实时信号强度视图。当软件运行后，位于表示层的主线程会不断的与逻辑层的控制逻辑进行交互，定时的调用逻辑层的数据预处理逻辑模块、幅度闪烁解算逻辑模块、相位闪烁解算逻辑模块、TEC解算逻辑模块和数据存取逻辑模块进行数据处理和存储，并间隔一定的时间去读取逻辑层的处理数据然后完成主界面各大板块信息或视图的更新。可以通过此软件直接观察到电离层幅度闪烁和电离层相位闪烁在用户所设置的时长和对应强度的变化曲线。
步骤(5).重复步骤(1)～步骤(4)，设置不同的电离层闪烁指数进行监测。从而得到不同闪烁强度下信号的变化情况，为进行电离层闪烁方面的研究提供了一个功能全面的观测平台和方法。
于一实施例中，步骤(1)中的模拟器采用目前流行的基于软件无线电思想的DSP+FPGA+DA架构，首先，DSP接收上位机传递的GPS/BDS卫星初始参数和载体轨迹参数，然后进行编码GPS/BDS导航电文，计算GPS/BDS信号的初始相位和频率控制字，并传递给FPGA，FPGA接收DSP传过来的相关参数，利用DDS技术生成GPS/BDS数字中频信号，最后通过DAC得到GPS/BDS中频模拟信号。
于一实施例中，步骤(1)中的模拟器将电离层闪烁仿真模型构建在模拟器的DSP中，根据上位机传送过来的强度参数，产生相应的幅度和相位波动数据。
于一实施例中，上位机软件包括星历文件，***仿真起始时间、电离层闪烁强度指数和闪烁持续时长，并保存为。通过串口把上位机软件内部预存的BDS星历参数、GPS星历参数、场景文件和电离层闪烁相关参数通过FPGA模块中的FIFO发送给DSP模块。
于一实施例中，步骤(3)中的接收机电源模块采用电源模块主要由TI公司的电源管理芯片TPS650250、DC-DC芯片TPS62085和安纳森半导体公司的LDO稳压器芯片VRD3030PTX组成，然后通过内部升压和降压，分别为接收机的其他部分提供所需的各种电压。射频模块接收来自天线的GPS/BD双模多频点卫星信号，经过放大、混频、滤波和数模转换等处理后，得到中频数字信号并传输给基带信号处理模块，而射频模块本身也由基带信号处理模块进行配置。基带信号处理模块作为硬件核心，从射频模块中读取GPS的L1/L2频点和北斗的B1/B2频点的数字中频信号，进行捕获、跟踪、电文解调和定位解算等一系列处理，并将相关的数据经过MAX232芯片进行电平转换后通过串口向上位机发送。
于一实施例中，步骤(3)中的接收机加入了电离层幅度闪烁的计算，基于窄带功率与宽带功率相差的信号强度的计算分析中可知，利用该方法计算出原始信号强度SI仍然是包含有相应的噪声项的，采用消趋势滤波处理并滤除SI中的噪声的同时，为进一步提高S4的精度，用如下公式计算
其中，<>表示算术平均运算，为60秒信号强度值的算术平均,SI′为经过消趋势滤波后的信号强度，S是信号功率，N0是噪声功率。
于一实施例中，步骤(3)中的接收机加入了电离层相位闪烁的计算，电离层相位闪烁指数σφ是通过计算载波相位测量值的标准差经过消趋势滤波后得到的，其定义如下所示：
其中，<>表示算术平均运算，为60秒信号强度值的算术平均,φ′为经过消趋势滤波后的载波相位测量值。
于一实施例中，步骤(3)中的接收机加入了电离层相对TEC的计算，其定义如下所示：
其中，f1和f2表示GPS的L1和L2频点信号的频率或者北斗B1和B2频点信号的频率，φ1和φ2表示GPS的L1和L2频点信号的载波相位或北斗B1和B2频点信号的载波相位，λ1和λ2表示相应频点信号的波长，系数k与电离层折射有关，通常取值为80.62m3/s2。
于一实施例中，步骤(4)中的上位机软件能够以可视化的方式实时显示接收机位置、位置偏差、速度、时间、星空图以及各通道的仰角、方位角、载噪比、电离层幅度闪烁指数、相位闪烁指数等信息，并可实现数据的保存，并具有开放的软硬件接口。
如图4所示，本发明还提供一种基于GNSS的电离层闪烁闭环测试***，该***包括：
模拟器，用于设置GPS和BDS场景信息；所述模拟器还用于接收场景，根据所述场景输出导航射频信号；
所述模拟器还用于设置电离层幅度闪烁指数和相位闪烁指数使得模拟器中加载康内尔电离层闪烁模型产生幅度闪烁和相位闪烁的数据文件；
接收机，用于接收所述导航射频信号，用于完成GPS/BD双模多频点信号的捕获、跟踪、电文解调和定位解算，并输出跟踪环路的原始观测量和接收机的定位解算信息，然后实时进行电离层幅度闪烁指数、电离层相位闪烁指数、TEC、ROTI和ROT的计算；
上位机软件，用于显示位置、速度、信号强度信息，并将解算得到的定位信息、各卫星载噪比、仰角及方位角、伪距、载波相位、电离层幅度闪烁指数、电离层相位闪烁指数、TEC、ROTI和ROT进行显示。
于一实施例中，所述模拟器包括DSP模块、FPGA和DA，所述DSP用于接收GPS/BDS卫星初始参数和载体轨迹参数，然后进行编码GPS/BDS导航电文，计算GPS/BDS信号的初始相位和频率控制字，并传递给所述FPGA，所述FPGA接收DSP传过来的参数，生成GPS/BDS数字中频信号，最后通过DAC得到GPS/BDS中频模拟信号。
于一实施例中，所述上位机软件包括定星历文件、***仿真起始时间、电离层闪烁强度指数和闪烁持续时长，BDS星历参数、GPS星历参数、场景文件和电离层闪烁相关参数通过FPGA模块中的FIFO发送给DSP模块。
于一实施例中，所述接收机包括：
射频模块，用于接收来自天的GPS/BD双模多频点射频信号；
预处理模块，用于对所述射频信号进行放大、混频、滤波和数模转换处理，得到中频数字信号；
基带信号处理模块，读取GPS的L1/L2频点和北斗的B1/B2频点的中频数字信号，进行捕获、跟踪、电文解调和定位解算。
于一实施例中，采用如下公式提高电离层幅度闪烁S4，
其中，<>表示算术平均运算，SI′为经过消趋势滤波后的信号强度，S是信号功率，N0是噪声功率。
于一实施例中，所述电离层相位闪烁指数σφ是通过以下公式计算：
其中，<>表示算术平均运算，φ′为经过消趋势滤波后的载波相位测量值。
于一实施例中，所述TEC的计算公式为：
其中，f1和f2表示GPS的L1和L2频点信号的频率或者北斗B1和B2频点信号的频率，φ1和φ2表示GPS的L1和L2频点信号的载波相位或北斗B1和B2频点信号的载波相位，λ1和λ2表示相应频点信号的波长，k为常数。
本实施例中的各个组件/模块的功能实现都可以通过上述的方法中的步骤来实现，此处不再赘述。
本发明主要由接收机，模拟器的上位机，模拟器，软件由接收机上位机软件，电离层闪烁测试上位机软件组成，在.net平台上对***进行编译运行，本***可成功观测到在不同电离层闪烁强度下的导航信号变化情况，如图2、3所示，并且可以根据用户需要自行设置闪烁时间。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种基于GNSS的电离层闪烁闭环测试***，其特征在于，该***包括：
模拟器，用于设置GPS和BDS场景信息；所述模拟器还用于接收场景，根据所述场景输出导航射频信号；
所述模拟器还用于设置电离层幅度闪烁指数S4和相位闪烁指数σφ使得模拟器中加载康内尔电离层闪烁模型产生幅度闪烁和相位闪烁的数据文件；
接收机，用于接收所述导航射频信号，用于完成GPS/BD双模多频点信号的捕获、跟踪、电文解调和定位解算，并输出跟踪环路的原始观测量和接收机的定位解算信息，然后实时进行电离层幅度闪烁指数、电离层相位闪烁指数、TEC、ROTI和ROT的计算；
上位机软件，用于显示位置、速度、信号强度信息，并将解算得到的定位信息、各卫星载噪比、仰角及方位角、伪距、载波相位、电离层幅度闪烁指数、电离层相位闪烁指数、TEC、ROTI和ROT进行显示；
采用如下公式提高电离层幅度闪烁指数S4，
其中，<>表示算术平均运算，SI′为经过消趋势滤波后的信号强度,S表示信号功率，N0表示噪声功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的电离层闪烁闭环测试***，其特征在于，所述模拟器包括DSP模块、FPGA和DA，所述DSP用于接收GPS/BDS卫星初始参数和载体轨迹参数，然后进行编码GPS/BDS导航电文，计算GPS/BDS信号的初始相位和频率控制字，并传递给所述FPGA，所述FPGA接收DSP传过来的参数，生成GPS/BDS数字中频信号，最后通过DAC得到GPS/BDS中频模拟信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的电离层闪烁闭环测试***，其特征在于，所述上位机软件包括定星历文件、***仿真起始时间、电离层闪烁强度指数和闪烁持续时长，BDS星历参数、GPS星历参数、场景文件和电离层闪烁相关参数通过FPGA模块中的FIFO发送给DSP模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的电离层闪烁闭环测试***，其特征在于，所述接收机包括：
射频模块，用于接收来自天的GPS/BD双模多频点射频信号；
预处理模块，用于对所述射频信号进行放大、混频、滤波和数模转换处理，得到中频数字信号；
基带信号处理模块，读取GPS的L1/L2频点和北斗的B1/B2频点的中频数字信号，进行捕获、跟踪、电文解调和定位解算。
5.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的电离层闪烁闭环测试***，其特征在于，所述电离层相位闪烁指数σφ是通过以下公式计算：
其中，<>表示算术平均运算，φ′为经过消趋势滤波后的载波相位测量值。
6.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的电离层闪烁闭环测试***，其特征在于，所述TEC的计算公式为：
其中，f1和f2表示GPS的L1和L2频点信号的频率或者北斗B1和B2频点信号的频率，φ1和φ2表示GPS的L1和L2频点信号的载波相位或北斗B1和B2频点信号的载波相位，λ1和λ2表示相应频点信号的波长，k为常数。
7.一种基于GNSS的电离层闪烁闭环测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1).用户根据需要在模拟器上位机自定义设置GPS和BDS场景信息，从上位机界面注入场景文件，输出导航射频信号；
步骤(2).在模拟器的上位机中对电离层幅度闪烁指数S4和相位闪烁指数σφ分别进行设置，使得模拟器中加载康内尔电离层闪烁模型产生幅度闪烁和相位闪烁的数据文件；
步骤(3).接收机接收所述导航射频信号，完成GPS/BD双模多频点信号的捕获、跟踪、电文解调和定位解算，并输出跟踪环路的原始观测量和接收机的定位解算信息，然后实时进行电离层幅度闪烁指数、电离层相位闪烁指数、TEC、ROTI和ROT的计算；
步骤(4).上位机软件通过实时的接收从串口发送过来的各种数据，在完成解码后，在主界面上显示位置、速度、信号强度信息，并将解算得到的定位信息、各卫星载噪比、仰角及方位角、伪距、载波相位、电离层幅度闪烁指数、电离层相位闪烁指数、TEC、ROTI和ROT也实时的在软件界面上显示；
步骤(5).重复步骤(1)～步骤(4)，设置不同的电离层闪烁指数进行监测，从而得到不同闪烁强度下信号的变化情况。
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