專利名稱：一種電波折射修正方法、裝置及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電波環(huán)境探測和無線電應用技術領域，尤其涉及一種電波折射修正方法、裝置及系統(tǒng)。
背景技術：
由于電波環(huán)境的存在，大氣折射指數(shù)不同于真空中的折射指數(shù)，信號在傳播過程中產生了折射效應，使得信號傳播的速度 、方向均發(fā)生了一定的變化，產生了一定的測量偏差。在航天測控、雷達探測、導航定位等高精度的測控系統(tǒng)中，必須對系統(tǒng)測量值進行折射誤差修正，以補償由于電波環(huán)境引起的誤差。而電波環(huán)境的感知與探測是決定大氣折射修正精度的關鍵所在。目前，對流層探測一般采用探空技術，但探空氣球一次探測需要約I小時，甚至更長，費用高，操作復雜，且一般探空站一天只實施進行兩次探測，無法實現(xiàn)24小時連續(xù)觀測，不能滿足實時應用的需求。電離層一般采用電離層垂測技術探測，一方面，它只能得到電離層F2層最大電子密度hmF2對應的高度以下的底部電離層剖面，另一方面，設備成本高，天線尺寸較大，移動性差，不便于推廣應用。已發(fā)展的基于衛(wèi)星信標的電波環(huán)境探測方法主要有掩星探測和地基接收機網(wǎng)絡層析CT兩種遙感探測方法。這兩種方法均存在成本高、技術復雜等問題。如，掩星探測需要配合低軌衛(wèi)星聯(lián)合觀測，并且受到掩星事件的制約；網(wǎng)絡層析要求在一定的地區(qū)范圍按一定的位形布置多臺接收機，這需要很好解決彼此之間通訊和數(shù)據(jù)傳輸，且計算耗時長。綜合以上分析，目前對流層和電離層探測方法分別存在操作復雜、運行成本高、實時性低、可移動性差、連續(xù)觀測能力受限等缺點，不便于工程中實際操作和應用，這一定程度制約了導航、定位、測控等設備的精度，使其功能得到較大的限制，成為提升設備、系統(tǒng)性能“瓶頸”。因此，需要研制便于工程應用的、低成本、輕便、實時高精度的探測方法和設備，以彌補提升我國工程中電波環(huán)境感知能力不足的缺陷，為導航、定位、測控等設備的性能的改進和提升提供支撐。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是，提供一種電波折射修正方法、裝置及系統(tǒng)，提升工程中電波環(huán)境感知能力，以提高對系統(tǒng)測量值進行大氣折射修正的精度。本發(fā)明采用的技術方案是，所述電波折射修正方法，包括:步驟一，基于歷史氣象探空數(shù)據(jù)和地面溫濕壓數(shù)據(jù)，實時獲得對流層折射率剖面；步驟二，基于地基單站GNSS(Global Navigation Satellite System,全球導航衛(wèi)星系統(tǒng))接收機采集到的GNSS信號，實時獲取電離層垂直總電子含量實測值，在電離層垂直總電子含量實測值的基礎上，利用遺傳非線性優(yōu)化算法實時反演出電離層電子密度剖面；步驟三，根據(jù)對流層折射率剖面和電離層電子密度剖面，利用射線描跡方法實時計算電波環(huán)境折射誤差； 步驟四，根據(jù)電波環(huán)境折射誤差，對目標探測數(shù)據(jù)進行修正。進一步的，所述步驟一具體包括:Al，將歷史氣象探空數(shù)據(jù)代入溫濕壓折射率公式計算得到折射率氣象探空剖面；A2，基于對流層折射率分段模型以及歷史氣象探空數(shù)據(jù)對應的折射率氣象探空剖面，確定出對流層折射率分段模型剖面；A3，基于地面溫濕壓測量數(shù)據(jù)代入溫濕壓折射率公式計算得到實測地面折射率，將對流層折射率分段模型剖面中的地面折射率數(shù)值替換成所述實測地面折射率，實時得到對流層折射率剖面。進一步的,所述步驟A2具體包括:基于歷史氣象探空數(shù)據(jù)對應的折射率氣象探空剖面得到對流層折射率分段模型的最優(yōu)參數(shù)，將所述最優(yōu)參數(shù)代入對流層折射率分段模型得到對流層折射率分段模型剖面。進一步的，所述對流層折射率分段模型如下:
權利要求
1.一種電波折射修正方法,其特征在于,包括: 步驟一，基于歷史氣象探空數(shù)據(jù)和地面溫濕壓數(shù)據(jù)，實時獲得對流層折射率剖面；步驟二，基于地基單站全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS接收機采集到的GNSS信號，實時獲取電離層垂直總電子含量實測值，在電離層垂直總電子含量實測值的基礎上，利用遺傳非線性優(yōu)化算法實時反演出電離層電子密度剖面； 步驟三，根據(jù)對流層折射率剖面和電離層電子密度剖面，利用射線描跡方法實時計算電波環(huán)境折射誤差； 步驟四，根據(jù)電波環(huán)境折射誤差，對目標探測數(shù)據(jù)進行修正。
2.根據(jù)權利要求1所述的電波折射修正方法，其特征在于，所述步驟一具體包括: Al，將歷史氣象探空數(shù)據(jù)代入溫濕壓折射率公式計算得到折射率氣象探空剖面； A2，基于對流層折射率分段模型以及歷史氣象探空數(shù)據(jù)對應的折射率氣象探空剖面，確定出對流層折射率分段模型剖面； A3，基于地面溫濕壓測量數(shù)據(jù)代入溫濕壓折射率公式計算得到實測地面折射率，將對流層折射率分段模型剖面中的地面折射率數(shù)值替換成所述實測地面折射率，實時得到對流層折射率剖面。
3.根據(jù)權利要求2所述的電波折射修正方法，其特征在于，所述步驟A2具體包括: 基于歷史氣象探空數(shù)據(jù)對應的折射率氣象探空剖面得到對流層折射率分段模型的最優(yōu)參數(shù)，將所述最優(yōu)參數(shù)代入對流層折射率分段模型得到對流層折射率分段模型剖面。
4.根據(jù)權利要求3所述的電波折射修正方法，其特征在于，所述對流層折射率分段模型如下: N0 - AN^h-hs)hs < h <hs + Ihn N(h) = -1 N' exp[- c, (h - h.-1Jj hs + \km < h < 9km Nk! exp[-6；； (h - 9)J 9km < / < 6Qkm 其中，Ntl為地面折射率；hs為地面海拔高度；AN1為近地面Ikm內的折射率負梯度；Ni為地面Ikm高度處折射率；Cl為地面以上Ikm至海拔9km的指數(shù)衰減率；N9為海拔9km高度處折射率；c9為海拔9km至60km的指數(shù)衰減率，參數(shù)凡、AN1^c1和C9的最優(yōu)值待確定；所述最優(yōu)參數(shù)的確定過程如下: A21，將歷史氣象探空數(shù)據(jù)按照月份、時刻進行分組，代入溫濕壓折射率公式得到各組折射率氣象探空剖面； A22，將Ikm以下的折射率氣象探空剖面中不同高度與折射率的對應關系，代入分段模型中利用最小二乘法計算出參數(shù)N。、AN1JU N1 = N0-AN1 ； A23，將I 9km的折射率氣象探空剖面中不同高度與折射率的對應關系，代入分段模型中利用非線性回歸算法計算出參數(shù)C1，則: N9 = N:exp [-C1 (8-hs)] A24，將9 60km的折射率氣象探空剖面中不同高度與折射率的對應關系，代入分段模型中利用非線性回歸算法計算出參數(shù)c9。
5.根據(jù)權利要求1所述的電波折射修正方法，其特征在于，GNSS信號包括:衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)和衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)；所述步驟二具體包括: BI，利用衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)計算載波相位整周模糊度以及載波相位差； B2，利用自適應網(wǎng)格法計算GNSS系統(tǒng)硬件誤差； B3，根據(jù)載波相位整周模糊度、載波相位差以及GNSS系統(tǒng)硬件誤差計算各衛(wèi)星與GNSS接收機之間傳播路徑的電離層穿刺點IPP處電子含量； B4,利用投影函數(shù)將各衛(wèi)星與GNSS接收機之間傳播路徑的電離層穿刺點IPP處電子含量轉化為各傳播路徑的電離層穿刺點處垂直電子含量，再利用內插方法計算出GNSS接收機上空電離層垂直總電子含量實測值； B5，基于電離層IRI模型和電離層垂直總電子含量實測值，利用遺傳優(yōu)化算法對電離層關鍵參量進行優(yōu)化選擇，實時反演出電離層電子密度剖面。
6.根據(jù)權利要求5所述的電波折射修正方法，其特征在于，所述步驟B5具體包括: B51:在設定的搜索范圍內利用遺傳算法，對電離層IRI模型的四個關鍵參量NmF2、hmF2、M(3000) F2, Fia 7進行搜索，當由相應的電離層IRI模型積分得到的電離層垂直總電子含量模型值與電離層垂直總電子含量實測值的差值最小時，獲得優(yōu)化的所述四個關鍵參數(shù)；該設定的搜索范圍根據(jù)歷史電離層垂測數(shù)據(jù)和IRI模型的預報數(shù)據(jù)加權確定； B52:然后判斷優(yōu)化的四個關鍵參數(shù)是否滿足設定的精度要求與約束條件，如果滿足，則將優(yōu)化的四個關鍵參數(shù)代入IRI模型，實時得到電離層電子密度剖面。
7.根據(jù)權利要求1所述的電波折射修正方法，其特征在于，所述步驟三具體包括: Cl，根據(jù)目標的視在距離，計算目標的真實海拔高度，計算過程如下: 設目標的視在距離為Ra，當Ra彡Rat時，目標在對流層高度內，Rat表示對流層頂高度對應的距離，目標的真實海拔高度hT:
8.一種實現(xiàn)權利要求1所述電波折射修正方法的裝置，其特征在于，包括: 對流層數(shù)據(jù)處理單元，用于基于歷史氣象探空數(shù)據(jù)和地面溫濕壓數(shù)據(jù)，實時獲得對流層折射率剖面； 電離層數(shù)據(jù)處理單元，用于基于地基單站GNSS接收機采集到的GNSS信號，實時獲取電離層垂直總電子含量實測值，在電離層垂直總電子含量實測值的基礎上，利用遺傳非線性優(yōu)化算法實時反演出電離層電子密度剖面； 折射率誤差計算單元，用于根據(jù)對流層折射率剖面和電離層電子密度剖面，利用射線描跡方法計算電波環(huán)境折射誤差； 目標探測數(shù)據(jù)修正單元，用于根據(jù)電波環(huán)境折射誤差對目標探測數(shù)據(jù)進行修正。
9.一種實現(xiàn)權利要求1所述電波折射修正方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括:權利要求8中的所述電波折射修正方法的裝置、以及數(shù)據(jù)采集設備，其中， 數(shù)據(jù)采集設備包括:用于采集GNSS信號的地基單站GNSS接收機、以及用于采集溫濕壓數(shù)據(jù)的氣象數(shù)據(jù)采集單元；所述氣象數(shù)據(jù)采集單元與GNSS接收機連接固定。
10.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述GNSS接收機包括:GNSS接收天線、天線支架和GNSS衛(wèi)星監(jiān)測模塊；所述氣象數(shù)據(jù)單元包括:溫濕傳感器、氣壓傳感器和模數(shù)轉換器；其中，GNSS接收天線安裝在天線支架的最頂端，溫濕傳感器和氣壓傳感器均固定在天線支架上低于GNSS接收天線的位置，氣壓傳感器的安裝高度不低于0.5米； GNSS接收天線通過射頻線與GNSS衛(wèi)星監(jiān)測模塊連接，GNSS衛(wèi)星監(jiān)測模塊向電離層數(shù)據(jù)處理單元輸出采集到的GNSS信號； 溫濕傳感器和氣壓傳感器分別將采集到的模擬信號通過模數(shù)轉換器變成數(shù)字信號后輸入到對流層數(shù)據(jù)處理單元。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電波折射修正方法、裝置及系統(tǒng)，該方法包括基于歷史氣象探空數(shù)據(jù)和地面溫濕壓數(shù)據(jù)，實時獲得對流層折射率剖面；基于地基單站GNSS接收機采集到的GNSS信號，實時獲取電離層垂直總電子含量實測值，在電離層垂直總電子含量實測值的基礎上，利用遺傳非線性優(yōu)化算法實時反演出電離層電子密度剖面；根據(jù)對流層折射率剖面和電離層電子密度剖面，利用射線描跡方法計算電波環(huán)境折射誤差；并對目標探測數(shù)據(jù)進行修正。本發(fā)明可以提升工程中電波環(huán)境感知能力，精確給出電波環(huán)境折射誤差，有效地提高目標的探測精度。
文檔編號G01D3/028GK103217177SQ20131016720
公開日2013年7月24日 申請日期2013年5月9日 優(yōu)先權日2013年5月9日
發(fā)明者康士峰, 劉琨, 趙振維, 林樂科, 李建儒, 陳祥明, 朱慶林, 王紅光, 孫方, 丁宗華 申請人:中國電子科技集團公司第二十二研究所