一种电离层异常环境下的周跳实时探测方法

1.本发明涉及周跳实时探测技术领域，尤其涉及一种电离层异常环境下的周跳实时探测方法。


背景技术：

2.gnss观测数据中的整周跳变是指由于外部影响使得快速的相位变化导致频繁的多普勒频移超过接收机的锁相环带宽，最终导致接收机未能连续计数卫星的载波相位观测值的现象，简称周跳，自二十世纪八十年代以来，研究者提出了大量周跳探测与修复的算法，以及课题研究，例如基于gnss观测水汽时数据的气候变化特征挖掘(课题号：y846011001)，多源异构gnss数据高效融合处理方法研究(课题号：e046381001)，天地联合多时空尺度近地空间环境监测(课题号：y636241001)，还例如电离层残差算法(goad1987)，melbourne-w
ü
bbena(mw)算法(melbourne1985；w
ü
bbenag1985)，多项式拟合算法(lichtenegger1989)，以及turboedit算法(blewitt1990)，其中turboedit算法联合使用电离层残差算法和mw算法进行周跳探测和修复，其因有效地避免了周跳探测的盲点而被广泛应用，以上探测方法普遍认为观测值随时间平稳变化，但是这一假设在电离层活跃期间，尤其是对低采样率的数据并不成立，这使得低采样率的观测数据的周跳探测与修复在电离层活跃期内更具挑战性，针对这一限制，有学者提出了基于turboedit的改进算法：刘志赵(2011)提出基于总电子含量变化率的方法探测和修复周跳；蔡昌盛(2013)提出了一个基于mw组合的前后向滑动窗平均算法联合电离层残差二阶时间差分算法来探测并修复周跳；张小红(2017)提出构建阈值模型改善turboedit算法，指出0.15米可以作为电离层残差法在电离层异常期间30秒采样间隔数据的周跳探测的经验阈值；
3.针对不同的应用，周跳探测与修复有不同的策略，比如在精密定位方面，在保证足够观测量的前提下，为了确保参与解算的数据精度，周跳探测往往采取更严格的阈值来排除掉疑似周跳的数据；在电离层建模或电离层异常监测方面，更多的数据意味着更多的电离层穿刺点，也就意味着更好的建模或监测效果；因此一个较为宽松或更合理的阈值对电离层建模或监测更有利，为了解决这一问题，本发明提出了一种电离层异常环境下的周跳实时探测方法。


技术实现要素：

4.基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种电离层异常环境下的周跳实时探测方法。
5.本发明提出的一种电离层异常环境下的周跳实时探测方法，包括以下步骤：
6.s1：对于同一个测站，获取30秒和1秒采样率数据的gf组合历元间差分值，分别记为30s-δgf和1s-δgf；
7.s2：将1s-δgf按每30秒划分为一个基本单元，每个所述基本单元的首历元的时间是30秒的整倍数；
8.s3：将每个30s-δgf与划分后的1s-δgf的每个基本单元进行比较，当1s-δgf未发生周跳及短时失锁时，提取对应时刻30s-δgf的差分gf，确定这些点的变化范围和百分比，确定出30秒采样间隔的数据在电离层异常期间，其相邻历元间的电离层变化的范围，通过统计这些点的变化范围和百分比确定出电离层的变化范围，该值作为确定30秒数据周跳探测阈值的一个参考，若1s-δgf发生周跳时，以单元为对象统计发生周跳的数量；
9.s4：以传统阙值0.15米作为30秒采样间隔数据的gf组合探测周跳的阈值，确定电离层闪烁期间30秒数据的周跳数量；
10.s5：确定划分后的1秒数据的周跳数量，确定方法为：只要某个基本单元(30秒内)内有数据发生了周跳，则认为该基本单元发生了周跳，且不论该基本单元内有多少数据发生周跳，该基本单元只会被认为发生了一次周跳，只有当该基本单元内没有数据发生周跳时，才认为该基本单元没有发生周跳；
11.s6：将s4中确定的周跳数量作为因变量y,将s5中确定的周跳数量作为因变量x，对x和y进行线性回归分析，确定两者的关系，记为y＝ax b；
12.s7：根据前面的分析,理论上30秒数据的周跳数量应当与划分后的1秒数据的周跳数量相等且周跳发生的位置也相同，根据s6确定的回归关系,反算30秒采样间隔数据的周跳数量的理论值:y
theoretical
＝x＝(y-b)/a；
13.s8：对30s-δgf的序列按降序排列，认为序列中前y
theoretical
个值为更合理的周跳，第y
theoretical
个值为所要确定的周跳探测阈值，对确定的所有的周跳探测阈值进行取平均，为最终的30秒数据在电离层异常环境下的周跳探测阈值；
14.s9：用mw组合联同gf组合进行周跳探测。
15.优选地，所述s6中，使用线性回归关系进行反算，当得到负值时，将负值置为零后再进行一轮拟合。
16.优选地，所述s1中，gf组合为无几何距离组合，且gf的全称为geometry free。
17.优选地，所述s9中，周跳检测的方程为：
[0018][0019]
其中δ为差分符号，l
gf
和n
mw
分别为gf组合和mw组合，λ
mw
是宽巷波长。
[0020]
优选地，所述s4中，30秒数据的周跳数量与同站1秒数据(按每30秒进行划分后)的周跳数量进行对比，并确定两者的线性回归关系，并根据确定的线性回归关系反算30秒数据理论上的周跳数量，记为n，并对30秒数据gf组合的差分序列按降序进行排列，认为该序列前n个值为发生周跳的序列，那么该序列第n个值则为所确定的30秒数据gf组合探测周跳的更合理的阈值，由每颗卫星所确定的阈值进行取平均，再参考前面确定的电离层变化的范围，确定出最终的周跳探测阈值。
[0021]
优选地，所述实时的周跳探测方法涉及到的基本方程为gnss伪距和相位观测方程：
[0022][0023]
其中i是频率项，j是卫星项；p代表伪距，单位为米；φ和均代表载波相位，φ的单位是米，的单位是周；ρ代表卫星和接收机的几何距离；λ为波长；n代表整周模糊度；δr和δj分别代表接收机和卫星的钟差；γi＝f
12
/f
i2
为频率因子；ij代表电离层延迟；tj代表对流层延迟；b
ij
和d
ij
分别代表接收机和卫星的硬件延迟。
[0024]
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
[0025]
本发明所确定的周跳探测阈值，在电离层异常期间，有效将电离层变化与周跳进行区分，对于30秒采样间隔的观测数据，较原周跳探测方法相比，新的周跳探测方法减少了周跳的误判，对于gps一天的数据，最高可减少300个周跳的误判，满足使用需求。
附图说明
[0026]
图1为本发明提出的一种电离层异常环境下的周跳实时探测方法的流程图；
[0027]
图2为1秒和30秒数据的δgf在不同的电离层环境下，其值在预设阈值之内及超过预设阈值的百分比；
[0028]
图3为s3中当1秒数据未发生周跳时，30秒数据的gf组合历元间差分序列的分布范围和对应的累积直方图；
[0029]
图4为s6中基于旧的周跳探测阈值统计得到的30秒数据的周跳数量和1秒数据周跳数量的线性回归关系；
[0030]
图5为基于回归关系所得30秒数据周跳数量的理论值与1秒数据周跳数量的线性回归关系；
[0031]
图6为新的周跳探测方法较旧的周跳探测方法相比减少的周跳误判数量图。
具体实施方式
[0032]
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
[0033]
实施例
[0034]
参照图1-6，本实施例提出了一种电离层异常环境下的周跳实时探测方法，包括以下步骤：
[0035]
s1：对于同一个测站，获取30秒和1秒采样率数据的gf组合历元间差分值，分别记为30s-δgf和1s-δgf，gf组合为无几何距离组合，且gf的全称为geometry free；
[0036]
s2：将1s-δgf按每30秒划分为一个基本单元，每个所述基本单元的首历元的时间是30秒的整倍数；这样做是为了能够在后续的比较中将1秒数据和30秒数据进行对齐。
[0037]
s3：将每个30s-δgf与划分后的1s-δgf的每个基本单元进行比较，当1s-δgf未发生周跳以及短时失锁时，提取对应时刻30s-δgf的差分gf，确定这些点的变化范围和百分比，确定出30秒采样间隔的数据在电离层异常期间，其相邻历元间的电离层变化的范围，通过统计这些点的变化范围和百分比大致确定出电离层的变化范围，该值作为确定30秒数据周跳探测阈值的一个参考，1s-δgf发生周跳时，以传统阈值0.15米作为30秒数据gf组合
探测周跳的阈值；
[0038]
s4：s3中的1s-δgf发生周跳时，并进行统计30秒数据的周跳数量，并将其与同站1秒数据(按每30秒进行划分后)的周跳数量进行对比，并确定两者的线性回归关系，并根据确定的线性回归关系反算30秒数据理论上的周跳数量，记为n，并对30秒数据gf组合的差分序列按降序进行排列，认为该序列前n个值为发生周跳的序列，那么该序列第n个值则为所确定的30秒数据gf组合探测周跳的更合理的阈值，由每颗卫星所确定的阈值进行取平均，再参考前面确定的电离层变化的范围，即可确定出最终的周跳探测阈值；
[0039]
s5：确定划分后的1秒数据的周跳数量，确定方法为：只要某个基本单元(30秒内)有数据发生了周跳，则认为该基本单元发生了周跳，且不论该基本单元内有多少数据发生周跳，该基本单元只会被认为发生了一次周跳，只有当该基本单元内没有数据发生周跳时，才认为该基本单元没有发生周跳。
[0040]
s6：将s4中确定的周跳数量作为因变量y,将s5中确定的周跳数量作为因变量x，对x和y进行线性回归分析，确定两者的关系，记为y＝ax b，使用线性回归关系在进行反算，当得到负值时，将负值置为零后再进行一轮拟合；
[0041]
s7：根据前面的分析,理论上30秒数据的周跳数量应当与划分后的1秒数据的周跳数量相等且周跳发生的位置也相同，根据s6确定的回归关系,反算30秒采样间隔数据的周跳数量的理论值:y
theoretical
＝x＝(y-b)/a；
[0042]
s8：对30s-δgf的序列按降序排列，认为序列中前y
theoretical
个值为更合理的周跳，即第y
theoretical
个值为所要确定的周跳探测阈值，对确定的所有的周跳探测阈值进行取平均，为最终的30秒数据在电离层异常环境下的周跳探测阈值，其中周跳检测的方程为：
[0043][0044]
其中δ为差分符号，l
gf
和n
mw
分别为gf组合和mw组合，λ
mw
是宽巷波长；
[0045]
s9：用mw组合联同gf组合(基于确定的新阈值)进行周跳探测，其中实时的周跳探测方法涉及到的基本方程为gnss伪距和相位观测方程：
[0046][0047]
其中i是频率项，j是卫星项；p代表伪距，单位为米；φ和均代表载波相位，φ的单位是米，的单位是周；ρ代表卫星和接收机的几何距离；λ为波长；n代表整周模糊度；δr和δj分别代表接收机和卫星的钟差；γi＝f
12
/f
i2
为频率因子；ij代表电离层延迟；tj代表对流层延迟；b
ij
和d
ij
分别代表接收机和卫星的硬件延迟。
[0048]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种电离层异常环境下的周跳实时探测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：对于同一个测站，获取30秒和1秒采样率数据的gf组合历元间差分值，分别记为30s-δgf和1s-δgf；s2：将1s-δgf按每30秒划分为一个基本单元，每个所述基本单元的首历元的时间是30秒的整倍数；s3：将每个30s-δgf与划分后的1s-δgf的每个基本单元进行比较，当1s-δgf未发生周跳以及短时失锁时，提取对应时刻30s-δgf的差分gf，确定这些点的变化范围和百分比，确定出30秒采样间隔的数据在电离层异常期间，其相邻历元间的电离层变化的范围，通过统计这些点的变化范围和百分比确定出电离层的变化范围，该值作为确定30秒数据周跳探测阈值的一个参考，若1s-δgf发生周跳时，以单元为对象统计发生周跳的数量；s4：以传统阈值0.15米作为30秒采样间隔数据的gf组合探测周跳的阈值，确定电离层闪烁期间30秒数据的周跳数量；s5：确定划分后的1秒数据的周跳数量，确定方法为：只要某个基本单元(30秒)内有数据发生了周跳，则认为该基本单元发生了周跳，且不论该基本单元内有多少数据发生周跳，该基本单元只会被认为发生了一次周跳，只有当该基本单元内没有数据发生周跳时，才认为该基本单元没有发生周跳；s6：将s4中确定的周跳数量作为因变量y,将s5中确定的周跳数量作为因变量x，对x和y进行线性回归分析，确定两者的关系，记为y＝ax b；s7：根据前面的分析,理论上30秒数据的周跳数量应当与划分后的1秒数据的周跳数量相等且周跳发生的位置也相同，根据s6确定的回归关系,反算30秒采样间隔数据的周跳数量的理论值:y
theoretical
＝x＝(y-b)/a；s8：对30s-δgf的序列按降序排列，认为序列中前y
theoretical
个值为更合理的周跳，第y
theoretical
个值为所要确定的周跳探测阈值，对确定的所有的周跳探测阈值进行取平均，为最终的30秒数据在电离层异常环境下的周跳探测阈值；s9：用mw组合联同gf组合进行周跳探测。2.根据权利要求1所述的一种电离层异常环境下的周跳实时探测方法，其特征在于，所述s6中，使用线性回归关系进行反算，当得到负值时，将负值置为零后再进行一轮拟合。3.根据权利要求1所述的一种电离层异常环境下的周跳实时探测方法，其特征在于，所述s1中，gf组合为无几何距离组合，且gf的全称为geometry free。4.根据权利要求1所述的一种电离层异常环境下的周跳实时探测方法，其特征在于，所述s9中，周跳检测的方程为：其中δ为差分符号，l
gf
和n
mw
分别为gf组合和mw组合，λ
mw
是宽巷波长。5.根据权利要求1所述的一种电离层异常环境下的周跳实时探测方法，其特征在于，所述s4中，30秒数据的周跳数量与同站1秒数据(按每30秒进行划分后)的周跳数量进行对比，
并确定两者的线性回归关系，并根据确定的线性回归关系反算30秒数据理论上的周跳数量，记为n，并对30秒数据gf组合的差分序列按降序进行排列，认为该序列前n个值为发生周跳的序列，那么该序列第n个值则为所确定的30秒数据gf组合探测周跳的更合理的阈值，由每颗卫星所确定的阈值进行取平均，再参考前面确定的电离层变化的范围，确定出最终的周跳探测阈值。6.根据权利要求1所述的一种电离层异常环境下的周跳实时探测方法，其特征在于，所述实时的周跳探测方法涉及到的基本方程为gnss伪距和相位观测方程：其中i是频率项，j是卫星项；p代表伪距，单位为米；φ和均代表载波相位，φ的单位是米，的单位是周；ρ代表卫星和接收机的几何距离；λ为波长；n代表整周模糊度；δ
r
和δ
j
分别代表接收机和卫星的钟差；γ
i
＝f
12
/f
i2
为频率因子；i
j
代表电离层延迟；t
j
代表对流层延迟；b
ij
和d
ij
分别代表接收机和卫星的硬件延迟。

技术总结
本发明公开了一种电离层异常环境下的周跳实时探测方法，包括以下步骤：S1：对于同一个测站，获取30秒和1秒采样率数据的GF组合历元间差分值，分别记为30s-ΔGF和1s-ΔGF；S2：将1s-ΔGF按每30秒划分为一个基本单元，每个所述基本单元的首历元的时间是30秒的整倍数。本发明所确定的周跳探测阈值，在电离层异常期间，有效将电离层变化与周跳进行区分，对于30秒采样间隔的观测数据，较原周跳探测方法相比，新的周跳探测方法减少了周跳的误判，对于GPS一天的数据，最高可减少300个周跳的误判，满足使用需求。满足使用需求。满足使用需求。


技术研发人员：李伟 宋淑丽 周伟莉
受保护的技术使用者：中国科学院上海天文台
技术研发日：2022.02.18
技术公布日：2022/5/25