本發(fā)明涉及使用陸基全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收器進行大氣測量，并且具體涉及與電離層和電離層活動相關(guān)的統(tǒng)計資料的測量。

背景技術(shù)：

空基無線電信號廣泛地用于大氣監(jiān)測。由于這些信號從其空基發(fā)射器傳播至地球，大氣會誘發(fā)相位偏移、群延遲以及振幅變化。以合適的方式處理這些信號的接收器可以提取這些相位、延遲以及振幅變化的估計值，并且可以進而推斷出關(guān)于大氣的一些信息。由于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號的充足性、全球覆蓋以及其以不止一個頻率發(fā)射的事實，其被廣泛地用于該目的。電離層和對流層都是使用這些信號被監(jiān)測的，因為它們二者都會對在L波段發(fā)射的信號誘發(fā)傳播速度和方向的改變。

為測量這些影響，采用GNSS接收器。這些接收器跟蹤這些信號的載波頻率、相位以及調(diào)制測距碼，并產(chǎn)生信號功率、載波相位以及測距碼延遲的測量值。然后這些值(下文稱為原始信號測量值)被用于計算與穿過大氣的信號傳播相關(guān)的多種性質(zhì)(下文稱為大氣測量值)。通常，為了產(chǎn)生這些原始信號測量值，接收器對感興趣的參數(shù)執(zhí)行閉環(huán)跟蹤，并且典型的系統(tǒng)包括對測距碼使用延遲鎖定環(huán)路(DLL)并對載波使用相位鎖定環(huán)路(PLL)。盡管有許多其他系統(tǒng)可用，但通常，接收器依靠某種遞歸反饋/前饋機制來產(chǎn)生原始信號測量值。

大氣測量值的計算取決于原始信號測量值的可用性和質(zhì)量二者。因此，當(dāng)接收器跟蹤算法在準確地跟蹤信號參數(shù)方面經(jīng)歷困難時，會降低結(jié)果形成的大氣測量值的質(zhì)量。跟蹤算法的具體實施也對結(jié)果形成的大氣測量值有影響；例如，跟蹤算法中的濾波效應(yīng)或瞬時誤差可以在大氣測量值中產(chǎn)生偽跡。

大氣異常(例如，電離層閃爍(scintillation))可以對接收器跟蹤算法造成困難，并且當(dāng)使用接收器測量這種異常時，在跟蹤算法失敗的情況下，由于原始信號測量值的質(zhì)量下降或由于其不可用，大氣測量值的質(zhì)量可能顯著地下降。用于提高接收器跟蹤穩(wěn)健性和測量可用性(諸如延長積分時間和減少跟蹤帶寬)的許多技術(shù)也會促使原始信號測量值的下降，并最終在大氣測量值中造成偽跡。

某些大氣測量值(包括例如被稱為(sigma-phi)的電離層測量值)的生成需要對原始信號測量值進行濾波。通常被稱為退勢的濾波級具有顯著較長的收斂時間。當(dāng)原始信號測量值出現(xiàn)間歇性不可用時，結(jié)果形成的大氣測量值的不可用性會更長。

現(xiàn)代方法的弱點是估計階段。原始信號參數(shù)在用于計算大氣測量值之前由接收器估計或跟蹤。當(dāng)非理想條件占主導(dǎo)時，該跟蹤階段是有問題的。將聯(lián)系圖1和圖2(現(xiàn)有技術(shù))討論常規(guī)系統(tǒng)在處理一些理論因素時的缺點。

典型地，在陸基接收器的天線處接收的GNSS信號被建模為：

其中，S_sig是在觀察中的衛(wèi)星信號組，sⁱ(t)表示從可見衛(wèi)星接收的i^th信號并且n(t)表示加性熱噪聲。在等式(1)中的各種參數(shù)代表以下信號性質(zhì)：P_i是總接收信號功率，單位瓦特；ω_i是標稱射頻(RF)載波頻率，單位拉德/秒(rad/s)；d_i(t)代表雙跖數(shù)據(jù)信號或副碼；c_i(t)是信號傳播序列和子載波；θ_i(t)是總計接收的相位處理，包括傳播延遲、衛(wèi)星對用戶動態(tài)、大氣效應(yīng)以及衛(wèi)星時鐘效應(yīng)；處理τ_i(t)代表在接收器處觀察到的總延遲，包括傳播延遲、衛(wèi)星時鐘效應(yīng)以及大氣延遲。

具體地，等式(1)中的載波相位項θ_i(t)代表多個不同的相位處理。在數(shù)學(xué)上，其可以表示為線性組合：

θ_i(t)＝θ₀+θ_Los(t)+θ_{SV Clk}.(t)+θ_Atm.(t)， (2)

其中，θ₀代表某個任意初始相位，θ_LOS(t)代表由衛(wèi)星和接收器之間的視線幾何/動態(tài)誘發(fā)的相位處理，θ_{SV Clk}.(t)代表由衛(wèi)星時鐘中的誤差誘發(fā)的相位處理，而θ_Atm.(t)代表由信號傳播穿過的大氣誘發(fā)的相位處理。

圖1(現(xiàn)有技術(shù))是常規(guī)接收器的數(shù)字匹配濾波器102-1的框圖，示出了如何使用載波相位和測距碼延遲的本地估計值生成相關(guān)器值Y_i[n]。

通常，GNSS接收器會將接收到的RF信號降頻轉(zhuǎn)換至零或非零中頻(IF)，并且隨后對該信號進行取樣。然后用實施以下運算的數(shù)字匹配濾波器(DMF)102-1處理這些信號樣本(r)：

其中，如等式(1)限定的，變量和是變量τ_i和θ_i的接收器估計值，并且Y_i[n]項被稱為相關(guān)器值。

等式(3)描述的運算在接收器的跟蹤算法中實施，作為載波相位和測距碼相位跟蹤環(huán)路的一部分。

圖2(現(xiàn)有技術(shù))是典型閉環(huán)跟蹤架構(gòu)的框圖，示出了用于載波跟蹤環(huán)路104和測距碼跟蹤106二者的環(huán)路。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，DMF庫102包含了多個實例102-1、102-2、102-3(即，每個信道一個；這里僅示出了三個)。

典型的實施按照圖2中所示的框圖，其中，通過載波跟蹤框104和測距碼跟蹤框106處理相關(guān)器值Y_i[n]，以產(chǎn)生信號參數(shù)和的估計值，轉(zhuǎn)而可以使用這些估計值生成隨后一組的相關(guān)器值Y_i[n]。

在標為‘大氣監(jiān)測算法’108的框中實施用于估計GNSS信號傳播穿過的大氣的性質(zhì)和屬性的具體算法。這些算法對以下量進行運算：由DMF 102生成的Y_i[n]以及由跟蹤算法估計的和監(jiān)測算法的性能直接受原始信號測量值的質(zhì)量影響，所以載波和測距碼跟蹤算法二者的正確運算對于大氣監(jiān)測接收器至關(guān)重要。問題在于，在高大氣活動條件下，傳播信道中的變化可能使得這些跟蹤算法執(zhí)行較差或失敗。

YORK J等人：“Development of a Prototype Texas Ionospheric Ground Receiver(TIGR)”，ITM 2012-PROCEEDINGS OF THE 2012 INTERNATIONAL TECHNICAL MEETING OF THE INSTITUTE OF NAVIGATION，THE INSTITUTE OF NAVIGATION，8551 RIXLEW LANE SUITE 360 MANASSAS，VA 20109，USA，2012年2月1日(2012-02-01)，1526-1556頁，XP056000936，公開了設(shè)計成根據(jù)衛(wèi)星信號進行電離層測量的軟件接收器。RF數(shù)據(jù)通過2千兆樣本/秒的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)被直接取樣并傳遞至現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，其中，RF數(shù)據(jù)被數(shù)字濾波并且下取樣為三個可調(diào)諧帶，每個帶均具有20MHz的帶寬。減少的數(shù)字數(shù)據(jù)流被傳遞至第二FPGA，其中，各個信道被濾波為多個窄的信號帶，以衛(wèi)星信號的頻率為中心，由于被調(diào)節(jié)用以補償預(yù)計的多普勒頻移。通過使用在通用中央處理器(CPU)上運行的機載軟件完成該數(shù)據(jù)中信號的相位和振幅估計。

LULICH T D等人：“Open Loop Tracking of Radio Occultation Signals from an Airborne Platform”，GNSS 2010-PROCEEDINGS OF THE 23RD INTERNATIONAL TECHNICAL MEETING OF THE SATELLITE DIVISION OF THE INSTITUTE OF NAVIGATION(ION GNSS 2010)，THE INSTITUTE OF NAVIGATION，8551 RIXLEW LANE SUITE 360 MANASSAS，VA 20109，USA，2010年9月24日(2010-09-24)，1049-1060頁，XP056000217，公開了一種基于無線電掩星(RO)的遙感技術(shù)，該遙感技術(shù)利用采用多普勒頻率的基于模型的估計值和GPS數(shù)據(jù)位的記錄的開環(huán)(OL)跟蹤方法，使用來自全球定位系統(tǒng)(GPS)的信號來確定電離層中的電子密度。

G.BEYERLE等人：“Observations and simulations of receiver-induced refractivity biases in GPS radio occultation”，JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH，vol.111，no.D12，2006年1月1日(2006-01-01)，XP055158431，ISSN：0148-0227，DOI：10.1029/2005J D006673公開了對GPS無線電掩星中接收器誘發(fā)的折射率偏差的觀察和模擬。

NIU F等人：“GPS Carrier Phase Detrending Methods and Performances for Ionosphere Scintillation Studies”，ITM 2012-PROCEEDINGS OF THE 2012 INTERNATIONAL TECHNICAL MEETING OF THE INSTITUTE OF NAVIGATION，THE INSTITUTE OF NAVIGATION，8551 RIXLEW LANE SUITE 360 MANASSAS，VA 20109，USA，2012年2月1日(2012-02-01)，1462-1467頁，XP056000934，公開了用于電離層閃爍研究的GPS載波相位退勢方法和性能。所述退勢利用六階巴特沃斯(Butterworth)濾波器。

本發(fā)明還力求產(chǎn)生從以完全開環(huán)方式生成的無線電導(dǎo)航(例如，GNSS)信號的原始信號測量值獲得的大氣測量值。

本發(fā)明力求即使在原始信號測量值質(zhì)量較差和/或大氣活動較高的情況下也生成大氣測量值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種測量系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)用于根據(jù)來自無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星裝載發(fā)射器的至少一個無線電導(dǎo)航信號生成大氣測量值，該測量系統(tǒng)包括：布置成開環(huán)構(gòu)造的數(shù)據(jù)采集模塊、解調(diào)器模塊和大氣監(jiān)測算法模塊，其中，數(shù)據(jù)采集模塊包括參考時鐘，數(shù)據(jù)采集模塊適于接收所述無線電導(dǎo)航信號并且由此生成多個IF樣本(r)，每個樣本均具有從所述參考時鐘獲得的關(guān)聯(lián)時間標記(TOW)；其中，解調(diào)器模塊適于接收所述IF樣本(r)和與所述衛(wèi)星系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)聯(lián)時間標記(TOW)和輔助數(shù)據(jù)，并且適于由此生成相關(guān)器值(Y_i)；并且其中，大氣監(jiān)測算法模塊適于接收所述相關(guān)器值(Y_i)并且適于由此生成所述大氣測量值。

數(shù)據(jù)采集模塊可以適于將每個IF樣本(r)作為標記的IF樣本(r)輸出，每個標記的IF樣本(r)包括標記有相應(yīng)的時間標記(TOW)的IF樣本(r)。

解調(diào)器模塊可以適于接收所述標記的IF樣本(r)，其中，由解調(diào)器模塊(32)生成的每個相關(guān)器值(Y_i)與相應(yīng)的時間標記(TOW)關(guān)聯(lián)。

數(shù)據(jù)采集模塊可以包括用于生成IF樣本(r)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，ADC與參考時鐘(418)耦接并根據(jù)參考時鐘的定時生成IF樣本(r)。

數(shù)據(jù)采集模塊可以包括時間標記模塊，該時間標記模塊適于將所述時間標記(TOW)和相應(yīng)IF樣本(r)同步輸出。

數(shù)據(jù)采集模塊可以包括與參考時鐘耦接的時間標記模塊，時間標記模塊適于作為代表本地時間的本地計數(shù)器運行，本地計數(shù)器的計數(shù)隨著生成每個IF樣本(r)而增加。

數(shù)據(jù)采集模塊可以包括適于根據(jù)無線電導(dǎo)航信號生成模擬IF信號的降頻轉(zhuǎn)換器，降頻轉(zhuǎn)換器根據(jù)從參考時鐘的輸出獲得的轉(zhuǎn)換信號運行。

數(shù)據(jù)采集模塊可以包括被耦接以接收參考時鐘的輸出的PLL，其中，PLL驅(qū)動向降頻轉(zhuǎn)換器提供轉(zhuǎn)換信號的VCO。

參考時鐘可以具有的與無線電導(dǎo)航信號的時間幀的對準程度小于無線電導(dǎo)航信號的測距碼芯片的周期的十分之一。

參考時鐘可以具有的與無線電導(dǎo)航信號的時間幀具有的對準程度使得其可以用于以約1納秒的準確度傳播用于生成時間標記的估計值時間。

參考時鐘可以適于從初始同步點在時間上向前傳播，該初始同步點對應(yīng)于初始時間標記。

在一個實施方案中，參考時鐘包括完美建模的時鐘，其中，所述時間標記是從使用預(yù)定樣本周期自過去的信號同步點傳播的時間信號而獲得的。

在另一實施方案中，參考時鐘包括訓(xùn)練振蕩器，該訓(xùn)練振蕩器包括內(nèi)部振蕩器并且適于根據(jù)外部頻率標準接收訓(xùn)練時鐘信號。該系統(tǒng)能夠運行在初始化階段和數(shù)據(jù)采集相位中，其中，參考時鐘是能夠運行的，使得通過訓(xùn)練振蕩器的訓(xùn)練在初始化階段期間有效并且在數(shù)據(jù)采集相位期間停用。外部頻率標準可以由GNSS信號和GPS訓(xùn)練振蕩器(GPSDO)信號之一提供。

在另一實施方案中，參考時鐘包括自由運轉(zhuǎn)時鐘，根據(jù)所述自由運轉(zhuǎn)時鐘使用時鐘估計算法執(zhí)行對所述參考時鐘的未知參數(shù)的現(xiàn)場建模。參考時鐘能夠操作用來測量估計的時鐘參數(shù)，并且根據(jù)估計的時鐘參數(shù)從初始同步點準確地傳播時間標記?？梢愿鶕?jù)來自第一組衛(wèi)星裝載發(fā)射器的無線電導(dǎo)航信號測量估計的時鐘參數(shù)，并且其中，由所述數(shù)據(jù)采集模塊接收的無線電導(dǎo)航信號來自第二組衛(wèi)星裝載發(fā)射器中的一個或多個衛(wèi)星裝載發(fā)射器，第一組和第二組衛(wèi)星裝載發(fā)射器沒有共同的衛(wèi)星裝載發(fā)射器。

輔助數(shù)據(jù)可以包括接收器相關(guān)參數(shù)(Rec.)，接收器相關(guān)參數(shù)代表接收器天線在地心地固體系中的分段連續(xù)軌跡。

輔助數(shù)據(jù)可以包括衛(wèi)星的軌道參數(shù)(S.V.)，根據(jù)該軌道參數(shù)安裝發(fā)射器。軌道參數(shù)(S.V.)可以包括廣播星歷表。廣播星歷表可以包括GNSS星歷表或精確星歷表。

輔助數(shù)據(jù)可以包括星歷表信息(ATM)。

解調(diào)器模塊可以包括用戶接收器模型，該用戶接收器模型用于接收時間標記(TOW)和接收器相關(guān)參數(shù)(Rec.)，并且用于輸出接收器相關(guān)時間延遲(δt_RX)。

解調(diào)器模塊可以包括飛行器模型(506)，飛行器模型適于接收時間標記(TOW)和軌道參數(shù)(S.V.)，并且適于生成飛行器相關(guān)時間延遲(δt_SV)。

解調(diào)器模塊可以包括大氣模型，大氣模型適于接收時間標記(TOW)、接收器相關(guān)時間延遲(δt_RX)、飛行器相關(guān)時間延遲(δt_SV)以及星歷表信息(Atm.)，并且適于輸出大氣相關(guān)時間差(δt_A)。

解調(diào)器模塊適于生成包括接收器相關(guān)時間差(δt_RX)和飛行器相關(guān)時間差(δt_SV)的總和的第一總和，并且適于生成包括第一總和與大氣相關(guān)時間差(δt_A)的總和的第二總和，以生成信號相關(guān)時間延遲(t_SIG)。

解調(diào)器模塊還可以包括代碼和載波MCO，適于接收信號延遲(t_SIG)并且適于生成用于輸入至DMF的估計值

大氣監(jiān)測算法模塊可以包括相位處理重建算法，相位處理重建算法包括：

根據(jù)先前的相位估計值解旋轉(zhuǎn)當(dāng)前相關(guān)器值(Y_i)；

使用鑒別器估計殘余相位(Φ)；以及

將當(dāng)前相位(θ)計算為先前相位和當(dāng)前殘余相位(Φ)的總和。

大氣監(jiān)測算法模塊可以包括相位差處理算法，相位差處理算法能夠操作以使用下式來重建相位差：

在一實施方案中，其中，可以使用下式表示的濾波器根據(jù)Δ[n]值計算

以生成φ的值。

在一實施方案中，使用下式根據(jù)得到

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種測量方法，該測量方法用于根據(jù)來自無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星裝載發(fā)射器的至少一個無線電導(dǎo)航信號生成大氣測量值，該方法包括：提供布置成開環(huán)構(gòu)造的數(shù)據(jù)采集模塊、解調(diào)器模塊以及大氣監(jiān)測算法模塊，其中，數(shù)據(jù)采集模塊包括參考時鐘；使用數(shù)據(jù)采集模塊接收所述無線電導(dǎo)航信號并且由此生成多個IF樣本(r)，每個樣本均具有從所述參考時鐘獲得的關(guān)聯(lián)時間標記(TOW)；使用解調(diào)器模塊接收所述IF樣本(r)和與所述衛(wèi)星系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)聯(lián)時間標記(TOW)和輔助數(shù)據(jù)，并由此生成相關(guān)器值(Y_i)；以及使用大氣監(jiān)測算法模塊接收所述相關(guān)器值(Y_i)并由此生成所述大氣測量值。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種可記錄、可重寫或可儲存的介質(zhì)，該介質(zhì)上記錄或儲存有限定或能轉(zhuǎn)化成如下指令的數(shù)據(jù)，該指令由處理電路執(zhí)行并至少對應(yīng)于所附權(quán)利要求中權(quán)利要求32的步驟。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種服務(wù)器計算機，該服務(wù)器計算機包含通信裝置和存儲裝置并且適于根據(jù)請求或以其他方式傳輸限定或能轉(zhuǎn)化成如下指令的數(shù)據(jù)，該指令由處理電路執(zhí)行并至少對應(yīng)于所附權(quán)利要求中權(quán)利要求32的步驟。

一個優(yōu)點在于，通過適當(dāng)?shù)厥褂靡恍┡c接收器時間和位置相關(guān)的協(xié)助信息并修改計算大氣測量值的方法，可以完全規(guī)避跟蹤階段，因此產(chǎn)生較穩(wěn)健的監(jiān)測系統(tǒng)。

另一優(yōu)點在于，通過在開環(huán)模式下運行并且通過規(guī)避連續(xù)全相位估計的需要，本發(fā)明的實施方案提供了對弱信號環(huán)境的適應(yīng)力、在非常劇烈的電離層活動下穩(wěn)健的跟蹤以及比傳統(tǒng)接收器架構(gòu)更高可用性的測量值。

附圖說明

現(xiàn)在將參照附圖通過示例的方式描述本發(fā)明的實施方案，在附圖中：

圖1(現(xiàn)有技術(shù))是一個常規(guī)接收器的數(shù)字匹配濾波器102-1的框圖，示出了如何使用載波相位和測距碼延遲的本地估計值生成相關(guān)器值Y_i[n]；

圖2(現(xiàn)有技術(shù))是一個典型閉環(huán)跟蹤架構(gòu)的框圖，示出了用于載波跟蹤環(huán)路104和測距碼跟蹤106二者的環(huán)路；

圖3是根據(jù)本發(fā)明一實施方案的測量系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)的框圖；

圖4是圖3的數(shù)據(jù)采集模塊31的框圖；

圖5是圖3的開環(huán)解調(diào)模塊32的框圖；

圖6是考慮到一系列相關(guān)器值Y_i在圖3的大氣監(jiān)測算法(AMA)模塊33中進行的計算S₄的值的過程的框圖；

圖7是在考慮到一系列相位估計值在圖3的AMA模塊33中進行的計算的值的過程的框圖；

圖8是在圖3的AMA模塊33中進行的根據(jù)相關(guān)器值Y_i進行相位重建的過程的框圖，所述相位重建計算當(dāng)前相位；

圖9是考慮到一系列相位差估計值在圖3的AMA模塊33中進行的計算的值的過程的框圖；

圖10是使用圖6所示的算法通過方法1和方法2二者計算的、并與商用大氣監(jiān)測接收器提供的參考值比較的S₄相對于時間的圖；以及

圖11是在圖3的AMA模塊33中進行的、使用圖7和圖9所示的算法通過方法1和方法2計算的、并與商用大氣監(jiān)測接收器提供的參考值比較的相對于時間的圖。

具體實施方式

圖3是根據(jù)本發(fā)明一實施方案的測量系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)的框圖；

系統(tǒng)架構(gòu)可以組織為三個主框：數(shù)據(jù)采集(DAQ)31、開環(huán)解調(diào)器(OLD)32以及大氣監(jiān)測算法(AMA)33。

為了克服與GNSS接收器中的閉環(huán)前饋或反饋跟蹤架構(gòu)關(guān)聯(lián)的問題和缺點，本發(fā)明的實施方案利用開環(huán)架構(gòu)。本發(fā)明的一實施方案包括如圖3所示的以下部件：數(shù)據(jù)采集模塊(DAQ)31、開環(huán)解調(diào)器(OLD)32以及合并了一組大氣監(jiān)測算法的大氣監(jiān)測算法模塊(AMA)33。如下文將更詳細討論的，DAQ模塊31接收原始(例如，GNSS)信號并且輸出IF樣本(r)，每個IF樣本均具有關(guān)聯(lián)時間標記(TOW)。解調(diào)器32接收r和TOW，并且根據(jù)這些和輔助數(shù)據(jù)(通常用35標出)生成相關(guān)器值Y_i，該相關(guān)器值Y_i被輸出至AMA模塊33。

圖4是圖3的數(shù)據(jù)采集模塊31的框圖。

如圖4所示，DAQ模塊31執(zhí)行從天線402采集用于一個或多個GNSS帶的中頻樣本(r)的任務(wù)。用低噪聲放大器(LNA)404放大在天線402處接收的信號，該信號傳遞通過帶通RF濾波器406和另一放大器408，到達將其轉(zhuǎn)換成IF的降頻轉(zhuǎn)換器410。從降頻轉(zhuǎn)換器410輸出的IF信號在增益框412中經(jīng)受進一步放大，并且傳遞通過帶通IF濾波器414，然后在ADC 416處被轉(zhuǎn)換成數(shù)字(IF)樣本r。精密時鐘418用于對這些樣本進行降頻轉(zhuǎn)換和數(shù)字化，使得為每個IF樣本r提供與UTC或具體的GNSS系統(tǒng)時間準確對準的時間標記，在本文用TOW 420表示。將來自參考時鐘418的時鐘信號422供應(yīng)至PLL 424，PLL 424與VCO 426形成環(huán)路，VCO 426的輸出被施加至降頻轉(zhuǎn)換器410用于生成IF信號。(本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，IF數(shù)據(jù)可以直接流向OLD模塊32(圖3)進行實時處理，或者流向儲存盤進行后處理。)DAQ的關(guān)鍵特征是參考時鐘418。優(yōu)選地，參考時鐘418與UTC或具體的GNSS系統(tǒng)時間準確地同步，或者參考時鐘的偏移是熟知的。然而，在優(yōu)選實施方案中，必要的是在數(shù)據(jù)采集期間不直接根據(jù)GNSS系統(tǒng)訓(xùn)練參考時鐘418，因為這將違反系統(tǒng)的實施方案運行所依照的開環(huán)原理。下文將會進一步討論DAQ 31的參考時鐘418的具體實施方案。

返回至圖3，OLD模塊32接受來自DAQ 31的IF樣本r和關(guān)聯(lián)時間標記(TOW和r)以及輔助信息35作為輸入；在本實施方案中，輔助信息包括衛(wèi)星星歷表、接收器位置信息和大氣信息，在圖3中分別用S.V.、Rec.和Atm.表示，不過可使用這些中的一個、一些或全部。優(yōu)選地，對于r的每個樣本，對應(yīng)的TOW與S.V.、Rec.和Atm.信息35一起使用，以預(yù)計所接收的信號參數(shù)的值，該值用和表示。本質(zhì)上，該信息可以用于預(yù)計包括幾何范圍、相對論效應(yīng)、任何已知和/或確定的大氣效應(yīng)、衛(wèi)星時鐘和硬件偏差以及任何已知接收器偏差的傳播信道。然后將這些信號參數(shù)傳遞至DMF，該DMF可以是如圖1所示的標準DMF 102以產(chǎn)生相關(guān)器值Y[n]。DMF 102執(zhí)行載波、測距碼消除以及隨后的積分-清零運算以產(chǎn)生相關(guān)器值Y[n]。參照等式(2)描述的相位處理，處理θ_LOS(t)和θ_{SV Clk}.(t)被移除，僅剩下對應(yīng)于由于衛(wèi)星星歷表中的誤差造成的大氣誤差和殘余誤差的處理。雖然對每個可見衛(wèi)星，可以對IF數(shù)據(jù)中捕獲的每個信號產(chǎn)生至少一個相關(guān)器值Y[n]，不過也可以生成對應(yīng)于測距碼延遲或載波相位之一或二者的具體偏移的額外相關(guān)器值。

AMA模塊33接受OLD模塊32生成的相關(guān)器值Y[n]作為輸入，并且使用它們產(chǎn)生多種大氣測量值。模塊可以實施多種提供關(guān)于大氣狀態(tài)或大氣活動等級的信息的算法。特別地，AMA模塊33可以執(zhí)行生成與電離層活動相關(guān)的測量值，包括描述或量化閃爍的那些測量值。盡管許多接收器通過利用算法的特征使用相關(guān)器值Y[n]和全相位估計值二者，但AMA模塊33可以單獨使用Y_i實施標準電離層測量算法。

參照圖4，DAQ模塊31包含接收器天線402并且處理所接收的RFGNSS信號。該框的輸出是數(shù)字GNSS數(shù)據(jù)(r、TOW)的精確時間標記流。由于GNSS信號由天線接收，數(shù)字GNSS數(shù)據(jù)本質(zhì)上是GNSS信號的數(shù)字表示，其中每個樣本r均與精確時間標記TOW配對。時間可以用本地時間幀(接收器)或用遠程時間幀(飛行器、發(fā)射器)表達。不論是哪種情況，隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換器416記錄IF信號的每個樣本r，代表當(dāng)前時間的本地計數(shù)器可以增加。該計數(shù)器的值與該樣本r配對，代表時間標記TOW。

優(yōu)選地，使用足夠精密的時鐘418收集IF數(shù)據(jù)并生成時間標記(TOW)。更優(yōu)選地，為了進行閃爍監(jiān)測，時鐘418需要展示出非常低的相位噪聲。本發(fā)明的實施方案還對時鐘漂移和漂移率特征有第二要求，所述時鐘漂移和漂移率特征需要足夠穩(wěn)定以在整個數(shù)據(jù)采集操作期間適合已知模型。所需要的與給定GNSS時間幀對準的程度由被監(jiān)測的信號的特征確定，并且該程度被標稱地取小于測距碼芯片的周期的十分之一。根據(jù)實施方案，可以采用不同的實現(xiàn)方式，如下所列出的。

例如，本發(fā)明的現(xiàn)場實施使用GNSS前端和數(shù)字器。通常，這種系統(tǒng)由信號預(yù)調(diào)節(jié)框(預(yù)放大器和濾波器)、一個或多個合成器和混合器、抗混疊濾波器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)組成。用于調(diào)整本地振蕩器的時鐘也應(yīng)驅(qū)動ADC。事后實施涉及先前用GNSS數(shù)字器捕獲的文件中的流數(shù)據(jù)。

如圖4所示，對GNSS樣本流進行時間標記的處理由單個參考時鐘418驅(qū)動。重要的是該時鐘與GNSS時間幀對準并且可以用于以非常高的準確度(≈1.-納秒)傳播用于生成時間標記的估計值時間。

在一個實施方案中，使用完美的(即，完美建模的)時鐘418。在這種情況下，DAQ模塊31僅使用可預(yù)計的樣本周期傳播自過去的單個同步點的時間。

另一實施方案涉及依靠訓(xùn)練振蕩器(DO)。在這種情況下，DAQ模塊31要求在采集數(shù)據(jù)的時間段期間參考振蕩器維持對準。訓(xùn)練振蕩器通常包括內(nèi)部振蕩器，并利用外部頻率標準提供對內(nèi)部振蕩器的更正或操縱。外部頻率標準的一個常用來源是GNSS信號。在訓(xùn)練來自GNSS的情況下(即，使用GPS訓(xùn)練振蕩器(GPSDO))，必須確保的是在數(shù)據(jù)采集處理開始之前執(zhí)行訓(xùn)練。此外，必須確保的是裝置具有在整個數(shù)據(jù)收集處理期間維持對準的足夠好的保持性能。當(dāng)然，這種實施可以采用標準的、現(xiàn)成的GPSDO作為參考時鐘，并且在數(shù)據(jù)采集期間選擇停用訓(xùn)練動作。

在其中使用自由運轉(zhuǎn)時鐘的另一實施方案中，使用定制的時鐘估計算法執(zhí)行其未知參數(shù)(即，漂移和漂移率)的現(xiàn)場建模。在GNSS系統(tǒng)用作參考(對照該參考估計參考時鐘的未知參數(shù))的意義上，本質(zhì)上，這等同于前述段落的實施方案。然而，不試圖操縱或訓(xùn)練振蕩器，僅測量估計的時鐘參數(shù)，并將其用于從初始同步點更準確地傳播時間標記。關(guān)于此的一種特殊情況是對先前所采集數(shù)據(jù)的后處理。對數(shù)據(jù)進行后處理，并且在測試時似乎不受大氣異常影響或僅受輕度影響的一個(或多個)衛(wèi)星信號可以用于估計未知時鐘參數(shù)。注意，用于估計未知時鐘參數(shù)的衛(wèi)星組和用于監(jiān)測大氣的衛(wèi)星組必須是互相不交叉的。這種方法寬泛地用于對照早前沒有使用精確時間標記特征歸檔的閃爍文件進行驗證結(jié)果。

參考時鐘418的上述三個實施方案代表了從初始時間標記在時間上向前傳播初始同步點的方式。在所有情況下，必須實現(xiàn)這種初始時間同步。在實施方案中，這是通過處理DAQ 31的輸出r進行的。這些樣本可以與在典型的GNSS接收器中進行的一樣被處理，由此將傳統(tǒng)的閉環(huán)算法應(yīng)用至樣本r，并且計算位置和時間確定。這種時間確定將為時間標記處理提供初始同步點。

圖5是圖3的開環(huán)解調(diào)模塊32的框圖。

開環(huán)解調(diào)器(OLD)模塊32處理由DAQ模塊31產(chǎn)生的IF樣本r，以產(chǎn)生相關(guān)器值Y_i。OLD模塊32必要的輸入優(yōu)選地包括：數(shù)字GNSS數(shù)據(jù)(r、TOW)的精確時間標記流；用戶動態(tài)、飛行器動態(tài)(包括機載時鐘)以及大氣延遲。注意，在接收器側(cè)誘發(fā)的延遲通過IF樣本時間標記TOW被建模/被吸收進入IF樣本時間標記TOW。模塊對可見衛(wèi)星信號的每個產(chǎn)生相關(guān)器值Y_i作為輸出。典型的相干積分周期是1ms，然而更一般的實施可以使用更短或更長的周期。

如圖5所示的OLD 32由兩個主要的子框組成：GNSS信號合成器502和DMF 102。合成器復(fù)制如同在特定用戶位置和時間在接收天線402(圖4)處將觀察到的衛(wèi)星信號。為此，用戶天線402的軌跡需要為零或精確地已知。這通過提供輸入(在圖5中用‘Rec.’表示)實現(xiàn)，該輸入代表接收器天線402在地心地固體系中的分段連續(xù)軌跡。OLD 32適合地包括用于接收時間標記(TOW)和輸入Rec的用戶接收器模型；并且用戶接收器模塊504輸出時間延遲Δ(t)_RX。

使用軌道參數(shù)和時鐘更正以及精確的時間參考生成衛(wèi)星信號動態(tài)。在圖5中用變量‘S.V.’表示該軌跡模型的參數(shù)。這些軌道參數(shù)通常被稱為星歷表并且可以采用由GNSS提供的一組廣播星歷、一組第三方所謂的精確星歷表或任何其他適合的軌跡模型的形式。典型的示例是用于GPS、伽利略和北斗的廣播的成組開普勒參數(shù)，或用于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)的笛卡爾定位和衍生模型，其他選擇包括由第三方例如國際GNSS服務(wù)(IGS)提供的精確星歷表模型。OLD 32適合地還包括飛行器模型506；并且飛行器模型506適于接收時間標記(TOW)和軌道參數(shù)(S.V.)并生成與飛行器相關(guān)的時間延遲δt_SV。最后，使用另一種模型產(chǎn)生各個大氣延遲的估計值，使用已知值或輔助星歷表信息適合地參數(shù)化各個大氣延遲的估計值，該信息在圖5中用變量‘Atm.’表示。典型的模型包括用于電離層的Klobuchar或NeQuick模型以及用于對流層的Saastamoinen模型，僅舉幾例。大氣模型508適于接收時間標記(TOW)、與接收器相關(guān)的時間延遲(δt_RX)、與飛行器相關(guān)的時間延遲(δt_RX)以及星歷表信息(Atm.)。根據(jù)這些，大氣模型508生成大氣相關(guān)時間延遲(δt_A)。

OLD 32包括第一求和元件510，該第一求和元件用于生成包括與接收器相關(guān)的延遲(δt_RX)和與飛行器相關(guān)的延遲(δt_SV)的總和的第一總和512。另外，第二求和元件514適于生成包括第一總和512和與大氣相關(guān)的時間延遲(δt_A)的總和的第二總和，以生成信號相關(guān)時間延遲(t_SIG)。將信號相關(guān)時間延遲(t_SIG)輸入至代碼和載波MCO 516，以生成用于輸入至DMF 102的估計值

如圖1所示，針對模擬復(fù)制信號，DMF 102執(zhí)行輸入信號流解擴和累積。該步驟非常類似于相關(guān)器引擎在典型的閉環(huán)GNSS接收器中所做的(如圖2所示)，區(qū)別在于沒有反饋操作。有利地，本發(fā)明確切地依靠測量所接收信號中可觀察的振幅、延遲和相位變化，而不依靠觀察本身可能受到那些異常的影響的相關(guān)器輸出Y_i的任何反饋機制。在DMF 102的一個實施方案中，每個衛(wèi)星信號僅使用一個相關(guān)器，但是這種構(gòu)思較通用并且可以使用任意數(shù)目。在另一實施方案中，在標稱對準的相關(guān)器周圍實施了許多相關(guān)器，在頻率和延遲上均間隔開，以較穩(wěn)健并且較準確地估計所接收的信號參數(shù)。在實施方案中，實現(xiàn)涉及典型的實時處理或后處理。

在OLD 32內(nèi)兩個子框(信號合成器502和DMF 102)之間的界面是一系列適當(dāng)定時的代碼延遲和載波相位，分別是和它們二者均與用戶和導(dǎo)航衛(wèi)星天線之間的視線(LOS)幾何范圍相關(guān)，但是由于大氣是分散媒質(zhì)以及其他因素，因此存在實質(zhì)區(qū)別。使用精確的流時間可以隨時將累加器清零，但通常用擴展代碼邊緣以同步的形式清零。此外，假設(shè)訪問到廣播導(dǎo)航消息，可以預(yù)計導(dǎo)航消息的顯著部分，允許對接收的信號執(zhí)行位消除。當(dāng)這有可能時，會顯著地增強相位重建，如下文所述。

大氣監(jiān)測算法(AMA)模塊33(圖3)接受來自O(shè)LD模塊32的復(fù)雜相關(guān)器值Y[n]作為輸入，并產(chǎn)生大氣測量值作為輸出。在下文中，討論了產(chǎn)生共同閃爍指數(shù)(包括S₄和如下文所限定)的電離層閃爍監(jiān)測模塊的實施方案。

廣泛接受的用于閃爍表征的參數(shù)是用于振幅的S₄和用于載波相位的通常，S₄的計算要求根據(jù)相關(guān)器值Y[n]計算用表示的中間參數(shù)。在許多情況下，通常通過用窄帶功率(NBP)和寬帶功率(WBP)表示的另外的中間變量實施中間參數(shù)的計算。或者，其他實現(xiàn)方式直接根據(jù)相關(guān)器值計算中間參數(shù)，如圖6所示。通常使用具有0.1Hz帶寬的六階巴特沃斯低通濾波器對值進行退勢，由于數(shù)值穩(wěn)定性的原因，該六階巴特沃斯低通濾波器被實施為級聯(lián)系列的二階濾波器并且在圖6中用LPF 62表示。

圖7示出了考慮到一系列相位估計值在圖3的AMA模塊33中進行的計算的值的過程的框圖。

計算的常規(guī)方法涉及如下三個步驟。首先，重建接收到的GNSS信號的相位，并以固定的取樣率對其進行取樣，以產(chǎn)生相等處理θ[n]＝θ[nT_I]。然后，使用具有0.1Hz帶寬的六階巴特沃斯高通濾波器對其進行退勢。最后，在周期秒的有限的非重疊框計算退勢相位處理的方差(框74)。因此，復(fù)雜相關(guān)器輸出的即時復(fù)制物(更準確地說是它們的副產(chǎn)品)被用于評估振幅異常，而載波相位測量值用于測量相位異常。如圖7所示，高通濾波器被實現(xiàn)作為在信號和通過LPF 72濾波產(chǎn)生的低通分量之間的差(通過求和元件76)。

要注意的是標準GNSS接收器通過閉環(huán)相位跟蹤算法(諸如PLL)獲得載波相位觀察。相比之下，在本發(fā)明的實施方案中，采用了兩個新穎的方法計算不用閉合環(huán)路跟蹤所接收的信號相位的優(yōu)點包括：將閃爍指標計算與跟蹤環(huán)路濾波器偽跡分離，并且規(guī)避在信號狀況非常差的情況下相位跟蹤失敗(例如，周跳)的問題。

用于計算的方法的兩個實施方案都利用了重建相位被立刻退勢的事實。如上所述，OLD模塊32通過信號合成而移除對載波相位的所有已知的確定性貢獻，包括視線(LOS)動態(tài)、衛(wèi)星時鐘和已知大氣貢獻。剩下的就是由星歷表和大氣模型造成的殘余誤差以及本地振蕩器的進一步相位貢獻。退勢處理的目的是移除除了θ_Atm.(t)以外的所有因素的貢獻，因此，相位重建處理僅需要代表這一項。該兩個實施方案如下所述：

方法1：相位處理的重建。

圖8示出了在圖3的AMA模塊33中進行的根據(jù)相關(guān)器值Y_i重建相位的過程的框圖，該過程將當(dāng)前相位計算為先前相位和根據(jù)先前相位估計值解旋轉(zhuǎn)當(dāng)前相關(guān)器時觀察到的殘余相位的總和。符號e^-jθ代表在復(fù)平面上相對于實軸具有-θ角度的單位向量，符號z^-1代表單個樣本延遲。這種情況下，根據(jù)連續(xù)成對的相關(guān)器值(即，Y[n-1]和Y[n])之間計算得出的相位差的累計總和重建相位處理的有用部分。如圖8所示，根據(jù)先前的相位估計解旋轉(zhuǎn)相關(guān)器值Y_i(通過框82輸入至第一乘法元件84)并測量殘余相位誤差。鑒別器框84代表等式4中所述的相位鑒別器功能。通過累積這些殘余相位測量值提供總相位估計值θ?？梢砸灶愃朴谟玫湫虶NSS接收器產(chǎn)生的方式處理最終形成的相位處理。對載波頻率相位測量值最顯著的貢獻是由于用戶和衛(wèi)星天線之間的LOS速度以及用戶和衛(wèi)星時鐘漂移之間的差異而做出的。通常，當(dāng)從傳統(tǒng)接收器使用相位測量值時，這種貢獻通過退勢濾波器花費不可忽略的收斂時間被過濾掉。實際上，這種濾波器的該收斂時間可以為大約數(shù)分鐘。這種技術(shù)自然地移除了該相位貢獻。結(jié)果顯示在標稱噪聲條件下，相同退勢濾波器對常規(guī)相位處理和方法1之一產(chǎn)生完全相同的結(jié)果，但是在后者的情況下收斂得更快。

具體地，相位處理按照如下被重建。首先，根據(jù)先前的相位估計值(對第一樣本初始化為零)解旋轉(zhuǎn)當(dāng)前相關(guān)器值。然后，取決于對應(yīng)于當(dāng)前樣本的數(shù)據(jù)位的標志是否已知，通過相干(四象限反正切)或非相干的(反正切)鑒別器86估計殘余相位Φ。然后將當(dāng)前相位Φ的值計算為先前相位(通過應(yīng)用框88得出)和當(dāng)前殘余相位Φ的總和(通過求和元件87)。在數(shù)學(xué)上，該處理可以表示為：

Y′[n]＝Y(jié)[n]e^-iθ[n-1]

θ[n]＝θ[n-1]+Δ[n] (4)

其中，d[n]是當(dāng)前數(shù)據(jù)位的值并且我們假設(shè)相位處理可以分解為相位差的遞歸求和，如：θ[n]＝θ[n-1]+Δ[n]，符號和分別表示x的實部和虛部，并且反正切函數(shù)(x)和atan2(y，x)分別表示反正切和四象限反正切函數(shù)。然后按照圖7所示的標準算法處理該相位估計值，以產(chǎn)生測量值。

方法2：改進的退勢濾波器。

圖9是考慮到一系列相位差估計值在圖3的AMA模塊33中進行的計算的值的過程的框圖。第二種方法利用了具有0.1Hz帶寬的六階高通濾波器基本上移除了載波相位的所有慢變動態(tài)的事實。這表明可以完全避免相位處理重建并使用相位差代替絕對相位。退勢濾波器的階數(shù)可以減少一階，并且同等但較簡單的濾波器生成與按照常規(guī)方法獲得的完全相同的結(jié)果。這種新的濾波器如下所示。假設(shè)具有以下z域轉(zhuǎn)換函數(shù)的傳統(tǒng)六階高通巴特沃斯濾波器：

其中，等式(5)的輸出是退勢相位處理(在本文用θ^D[n]表示)，是通過將H(z)應(yīng)用于已重建相位θ[n]而建立的。該濾波同樣等同于將濾波器B(z)應(yīng)用于θ(t)以及隨后將濾波器1/A(z)應(yīng)用于結(jié)果的級聯(lián)處理。因此，僅用B(z)運行相位處理θ[n]。

在初相n，將濾波器B(z)應(yīng)用于θ[n]的輸出(在本文用θ_B[n]表示)通過以下得出：

再次，假設(shè)將相位處理分解成相位差的求和，那么等式(6)通過以下得出：

注意，由于H(z)是高通濾波器并且具有零DC增益，那么H(1)＝0，所以

并且(7)簡化為：

其中，

回想(8)，我們發(fā)現(xiàn)c₆＝0，所以

因此，表明通過使用濾波器H(z)處理原始相位處理θ得到的退勢相位處理θ^D同樣等同于通過使用以下新濾波器處理相位差處理Δ[n]＝θ[n]-θ[n-1]所得到的，該新濾波器通過以下得出：

(12)的含義是不需要重建相位處理，只需要估計在兩個相鄰相關(guān)器值之間的相位差。這大大簡化了的生成，并且導(dǎo)致顯著更穩(wěn)健的監(jiān)測算法。具體地，在一個實施方案中，相位差處理的重建涉及：

其中，取決于兩個相關(guān)器值的數(shù)據(jù)位是否已知，使用兩個相位差估計值之一。在已生成這種相位差的處理后，可以應(yīng)用改進濾波器，并且最終可以計算的估計值。圖9中示出了根據(jù)Δ[n]值計算的處理，其中標注為‘M-FLT’的框代表本文所述的改進濾波器。

盡管在下文中假設(shè)了由等式13得出的相位差的簡單直接估計，但在替代的實施方案中可以對相關(guān)器值進行進一步處理以改善Δ[n]的估計值。例如，可以根據(jù)先驗統(tǒng)計模型對相位處理調(diào)節(jié)估計值；可以實施一個方案來拒絕或改正似乎是異常值或大錯誤的估計值；還可以觀察多個連續(xù)相關(guān)器值，三個或更多。

圖10和圖11分別示出了通過方法1和方法2計算得出的與商用大氣監(jiān)測(參照)接收器的比較，以及通過方法1和方法2計算得出的S₄與商用大氣監(jiān)測(參照)接收器的比較，其中，可以看出，開環(huán)監(jiān)測算法能夠完美地復(fù)制傳統(tǒng)閉環(huán)接收器的情況。

雖然已經(jīng)參照在其相應(yīng)實施中具有不同部件的實施方案描述了實施方案，但是可以理解的是其他實施方案利用這些或其他部件的其他組合和排列。

此外，一些實施方案在本文中被描述作為可以通過計算機系統(tǒng)的處理器實施或通過實現(xiàn)功能的其他裝置實施的方法或方法的元件的組合。因此，具有用于實現(xiàn)這種方法或方法的元件的必要指令的處理器形成用于實現(xiàn)方法或方法的元件的裝置。此外，本文描述的設(shè)備實施方案的元件是用于實現(xiàn)由為實現(xiàn)本發(fā)明的目的的元件執(zhí)行的功能的裝置的一個示例。

在本文提供的描述中，給出了許多具體的細節(jié)。然而，可以理解的是實施本發(fā)明的實施方案可以不需要這些具體的細節(jié)。為了不模糊對本說明書的理解，在其他情況中沒有詳細地示出熟知的方法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)。

因此，雖然已經(jīng)描述了被認為是本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的內(nèi)容，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以對實施方案做出其他和進一步修改，并且旨在要求保護落入本發(fā)明的范圍內(nèi)的所有這種改變和修改。例如，上文給出的任何公式僅代表可能使用的程序?？梢韵蚩驁D中添加功能或從框圖刪除功能，并且可以在功能框之中交換操作。在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以向描述的方法添加或刪除步驟。