气象科技管理信息系统

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行业专项成果综述-导航卫星电离层三维探测技术研究和探空技术开发

发布者:张岳   来源:   发布时间:2020/5/13 14:56:57   标签:   浏览次数:3360

项目编号GYHY201006048

研究周期2010年9月—2013年12月

国拨经费302万元

项目负责人曹云昌

项目骨干成员  杨荣康 王晓英 张恩红 黄丹丹     袁运斌 李子申 李慧柴   张宝成 霍星亮 王瀚晟 秦晓懿   马文佳     杨光林   王云冈

项目承担单位】中国气象局气象探测中心

项目协作单位】北京东方联星科技有限公司 南京大桥机器有限公司 国家卫星气象中心 中国科学院测量与地球物理研究所


主要研究成果

1.北斗导航模块研制

针对气象探空应用,项目组借助自主研发的高性能多模兼容卫星导航芯片OTrack-32设计了CC100-BG 双系统卫星导航模块,CC100-BG BD2/GPS 双系统卫星导航测风模块基于OTrack-32设计,可实时接收处理BD2和GPS导航卫星信号,实现机动载体的实时高精度三维定位、三维测速、精确定时,该模块在导航定位上没有高度的限制,并针对气象探空采用了特殊的对流层模型,其信号处理与定位解算的卡尔曼滤波模型能很好地适应探空仪垂向、摆动、旋转等复杂的三维运动,同时其数据输出采用了专用的二进制数据格式,既能包含丰富的导航定位信息又能达到较高的数据传输效率。

由于上述版本体积、功耗和价格相对较高,使得探空业务应用存在供电、结构和价格不能满足需求的情况,为此,项目组又研制了MT50-BG双系统卫星导航模块,该模块采用ProGee II导航与通信一体化芯片技术,极大地减小了模块的尺寸和功耗,实时接收BD2和GPS导航卫星信号,实现机动载体的实时高精度三维定位、三维测速、精确授时。模块在保持北斗-GPS混合运算和单独运算高性能的同时,在功耗和尺寸方面大大下降,生产成本也进一步得到了控制,为后一步探空系统的批量生产和业务应用奠定了坚实基础。MT50-BG模块目前已实现量产,除应用于高空气象探测外,该模块已广泛应用于航运、公路交通、车载监控、车载导航、手持及物品跟踪等领域,运行稳定可靠。

此后,项目组研制了基于OTrack-128的双系统卫星导航模块CC50III-BG,进一步提高了系统集成度,使成本、体积和功耗达到最优。CC50III-BG 双系统卫星导航模块采用多模多频导航一体化芯片技术,极大地减小了模块的尺寸和功耗,实时接收BD2 和GPS 导航卫星信号,实现机动载体的实时高精度三维定位、三维测速和精确授时,具有更广阔的应用前景。

在模块研制中,项目组共申请国内专利12 项,包括:《一种可配置系数的数字滤波器和实现方法》《一种集成化卫星导航气象探空仪》《一种实现卫星导航气象探空仪导航数据通信方法》《一种高灵敏度北斗辅助授时装置和授时接收机及授时方法》《基于虚拟北斗卫星导航信号的室内定位系统和方法》《一种FPGA 正交数字下变频的实现方法》。已授权专利6 向,包括:《基于数字中频信号串行传输的卫星导航接收机和方法》《一种整型化的最小均方LMS 自适应滤波器和方法》《陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法》《使用MEMS 加速度计的GNSS PVT 质量快速自检方法》《GNSS 辅助MEMS 惯性传感器零偏的快速在线动态标定方法》《卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法》。研制并申请软件著作权7 项,包括:《CC50 导航系统软件V1.0》《PNS100 组合导航系统软件》《PNS200 组合导航系统软件》《TOAS100C 组合测向系统软件》《SuperViewE 实时接收与显示软件》《NavCmpTool 组合导航数据分析软件》《StarGraf 图形和数据显示软件》

2.北斗探空系统研制

项目组研制了北斗GPS高空气象探测系统,该系统可完成从地面到36km高空大气层的风速、风向、温度、气压、湿度和位势高度等六个气象要素的综合探测。数据处理终端能对气象数据进行自动录取和及时处理,能根据气象技术规范要求和用户实际需求,生成多种气象业务产品。

根据项目组设计,由北斗GPS兼容探空仪和地面接收处理设备等组成。利用北斗GPS 卫星信号,实时确定探空仪飞行轨迹所在位置的三维坐标,通过解调和数据处理解算得到探空仪飞行轨迹和任意高度上的风矢量;探空仪上的温、压、湿等传感器进行气象要素测量;探空仪上CPU 对北斗GPS 模块测风数据和PTU 数据以GFSK 方式进行数字调制,通过400MHz(或其他频段)的射频发送给地面接收处理设备。具体完成以下工作:

(1)通过完善探空仪发射模块的设计,逐步解决了北斗GPS 测风模块受探空仪发射模块干扰而定位异常的问题,实现了北斗导航定位模块在3 中定位模式下均能够高精度探测。

(2)项目组重点开展了温度传感器涂层工艺、温度传感器支架结构、辐射误差订正算法的攻关,使探空仪温度探测性能水平达到世界先进水平。

(3)项目组重点开展了湿度传感器选型、校准工艺、防雨帽结构设计等攻关,使湿度探测性能提升明显,实现湿度探测性能满足WMO 对常规高空探测的应用需求。

(4)项目组开展了气压传感器校准工艺、电磁兼容设计、温度补偿算法等的研究,并开展了利用高度反算气压和气压传感器探测的混合计算模型研究,使气压探测和位势高度探测性能达到世界先进水平。

(5)项目组重点开展了基于卫星导航定位开展风速风向计算数学模型研究,使测风性能达到世界先进水平。

(6)面向业务实际需求,项目在总结中国气象局现有常规高空探测系统业务软件系统经验基础上,开发了新一代的北斗探空系统业务软件系统,包括放球软件系统实现了探空仪地面基测、鉴定证自动读取、探空仪频率自由调整、环境频率扫描、星图显示、系统运行状态监控、探测数据接收和人机交互等功能;数据处理软件实现了高空探测数据处理和业务报表、数据文件的生成和发报等功能,为系统后续业务化奠定了基础。

基于上述研制成果,北斗GPS高空气象探测系统具备了了全数字式收发体制,通信频道窄、集成化程度高、抗干扰能力强;工作频率可现场设置,能有效避开地面无线电的干扰。探空仪采用功能化、模块化设计、体积小、重量轻、使用干电池操作简单;地面接收设备重量轻,占用空间小;探测准确性和一致性水平达到世界先进水平;软件操作简单,自动化程度高,人机交互便捷,与业务衔接紧密等技术优势,具有广阔的应用前景。

3.卫星导航电离层延迟确定和质量控制方法研究

本项目在电离层三维探测技术核心算法研究及软件开发研制过程中,融入了多项自主创新的相关研究成果,主要包括研究团队以往及在电离层三维探测技术核心算法研究及软件开发研制过程中提出和发展的一系列改进的算法和模型等,这些创新性研究成果的应用,显著提高了电子密度反演结果的精度和可靠性,为开展基于GNSS 系统的电离层综合探测技术奠定了基础。

(1)基准站电离层延迟信息的精确提取

利用地面布设的基准监测站提取精确的电离层延迟信息是建立高精度全球电离层时延修正模型的基础,本项目发展了基于载波相位平滑码及非差精密单点定位(PPP)等技术精确提取电离层时延信息的方法,为后续生成电离层三维电子密度提供可靠的电离层时延观测信息。与常用的相位平滑伪距技术相比,利用非组合PPP 提取GNSS 电离层延迟量的新技术提供的电离层信息受伪距多路径影响较小,改善了利用GNSS 实施电离层总电子含量反演和卫星仪器偏差分离的精度。

(2)导航卫星仪器偏差的精确确定

本项目采用了一种卫星仪器偏差精确确定新方法—“分站估计约束法”。相较于目前常用频间偏差参数估计方法,其技术特点主要体现在如下两个方面:

第一,IGGDCB 方法采用逐基准站局部电离层建模实现TEC 参数与频间偏差参数的分离,不仅解决了常用方法中因全球电离层TEC 建模而造成的对全球分布大量基准站的依赖,而且通过提高电离层TEC建模的精度有效改善了卫星和接收机综合频间偏差估值的精度;

第二,IGGDCB方法通过设计卫星频间偏差稳定性判别标准,自适应地选择部分频间偏差稳定性较好卫星构造“拟稳”基准实现卫星和接收机频间偏差参数的合理分离,可以有效避免部分频间偏差稳定性较差的卫星对其他所有频间偏差参数估值的影响,提高相关参数估计的可靠性及其与实际稳定性的吻合程度。

(3)电离层电子密度计算

由于投影视角和地面观测站数的有限性,在利用基于GPS 的电离层层析技术反演电离层电子密度时,一般需要引入电离层电子密度的先验信息,来克服电子密度反演过程中由于观测数据的缺失而引起的不适定问题。

本项目采用一种改进的代数重构算法,该算法利用电离层CT 中上一轮电离层电子密度的迭代结果,自适应地调整迭代公式中的松弛参数向量的各元素,使之随着迭代次数的增加而逐渐减小。采取自适应的调整方式,改进的代数重构算法克服了经典代数重构算法在反演电离层电子密度过程中迭代收敛速度慢,重构图像精度不高的缺点。

4.中国区域电离层多维结构监测应用系统业务软件

通过对中国气象局GPS/MET 网数据的归一化处理,实现了海量导航卫星观测数据的自动快速预处理。利用GPS/MET 网约800 个站的GPS 观测数据,反演计算中国区域电离层总电子含量、电子密度,从而实现对中国区域电离层二维、三维结构的监测应用。其中电子密度产品的水平分辨率在中东部地区不低于1°(经度)×0.5°(纬度),在西部地区不低于2°(经度)×1°(纬度),垂直分辨率不低于50km。

 

成果应用情况

1.卫星导航模块成果应用情况

MT50-BG双系统模块应用于北京长峰微电科技有限公司、南京大桥机器有限公司、上海长望气象科技有限公司研制的探空仪,并进行了大量的探空施放和业务化试运行工作,取得了良好的探测准确性和运行稳定性。

2.北斗探空系统

(1)本项目在温度、湿度传感器研究成果和探空仪设计成果被应用于南京大桥机器有限公司研制的自动探空系统中,该系统目前已被中国气象局列装并在西藏狮泉河、申扎和改则进行了布设和业务应用,该系统的配套探空子系统沿用了本项目研制成果,其探测性能和自动化水平已得到广泛认可,目前其观测资料被应用于中国气象局青藏高原科学观测试验中,为填补西部恶劣环境无人区高空气象观测资料的空白发挥了巨大作用。

(2)本项目研制北斗探空系统,在广东省阳江探空站开展了为期6个月的业务化试验,经当地气象局确认,该系统探测准确性高,提供了更加准确的自由对流高度(LFC)和平衡高度(EL),能更好地计算CAPE、K指数、沙氏指数、抬升指标(LI)等物理量,更加准确直观地反映了大气在整个对流层的垂直热力结构、大气垂直稳定度以及与对流运动相关的大气能量信息,对于提升当地天气预报服务能力发挥了正面作用,同时,结合当地天气雷达和风廓线雷达的综合应用,对中小尺度天气系统动力分析和强对流天气预报预警提供更加有效的观测资料。

3.卫星导航电离层延迟确定和质量控制方法研究

在项目研究过程中,坚持根据我国北斗/GPS 发展与布网的实际状况进行自主创新,并将创新成果应用于多个重要科学问题研究与国家重大需求任务实施中,主要包括:

(1)提出了不依赖大规模GNSS 监测网的站星仪器偏差高精度分离新算法“分站估计约束法”,该技术突破了国际现有技术精确确定卫星硬件延迟时对全球大量布设地面监测站的依赖,实现卫星和接收机仪器偏差的精确确定,为后续进一步提高电离层时延修正及电离层TEC 建模的精度奠定基础;

(2)创新性地提出有效控制GNSS 卫星观测弧段长短及多路径误差影响的“非差非组合PPP-TEC 确定法”,降低了与测站有关的误差对提取电离层TEC 的影响达60%左右,该部分技术成果应用于建设我国北斗全球连续监测评估系统(IGMAS)数据分析中心的产品生成服务中。

(3)研究了“基于GPS/北斗系统的电离层层析反演新方法”,采用改进的代数重构反演算法迭代获得电离层电子密度三维结构。基于此研究,研制了一套GNSS 电离层三维电子密度现报业务示范系统,通过系统每天自动调用,实现利用中国气象局GPS/MET 观测数据计算中国区域及周边地区电离层电子总含量(TEC)及电离层电子密度(Ne)的时空变化,监测中国区域及周边地区的电离层活动。

上述部分研究成果已在Journal of Geodesy、IEEE TGRS、地球物理学报以及测绘学报等国内外权威学术期刊发表,得到本领域国内外相关专家的认可。

4.中国区域电离层多维结构监测应用系统业务软件开发

    基于中国气象局自主观测数据,可为空间天气业务、科研部门提供延时一天的中国区域电离层二维、三维结构监测,可供空间天气业务、科研部门进行电离层监测、空间天气事件效应分析和相关机理研究,可供航天部门进行测距计算和测距修正。目前该系统部署在国家空间天气监测预警中心,用于电离层天气的监测和分析。


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