一种关于GNSS空间信号质量的动态可视化分析方法

摘要

本发明涉及一种关于GNSS空间信号质量的动态可视化分析方法，动态可视化软件采用均值、方差等数理统计方法实现空间信号质量监测评估分系统的运行状态分析、观测数据状态分析、评估结果动态分析、异常状态关联分析功能。数据分析处理基于信号质量并行实时分析，信号数据分析模块可以分布式实施，将计算分解至多台服务器进行，提升数据处理效率，减少延时。数据分析，可视化展现数据实时更新，及时掌握信号质量各指标变化情况以及数据异常情况；系统运行期间，技术人员可以在线可配置可视化，实时生效。

说明书

技术领域

本发明属于GNSS观测数据指标变化技术领域，具体涉及一种关于GNSS空间信号质量的动态可视化分析方法。

背景技术

伴随全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System)的快速发展，全球4大卫星定位系统(GPS、BDS、GLONASS、Galileo)、日本准天顶卫星导航系统、印度区域导航卫星系统等。每一颗在轨运行的卫星随时都在输出大量的信号数据。如何利用空间信号数据对卫星的工作状态、信号质量进行动态可视化分析一直是困扰技术人员的难题。传统的方式是对接收的卫星信号数据存盘，然后使用Matlab进行计算分析输出各种图表和数据文件，然后在制作报表文件供计算人员参考使用，分析只是对某个时间段的信号数据进行独立的分析，没有关注接收机设备的工作状态参数或卫星的健康状态对数据的影响而造成的分析结果偏差，分析结果也仅限于单个指标的变化和几个指标之间的关联影响，例如接收机的工作处于非正常状态或卫星截至高度角设置不当等，其输出数据的有效性就受到影响，只对数据进行分析而忽略外围信息，就容易对信号质量造成误判。分析没有引入外围信息容易造成误判并且离线分析是的技术人员不能及时掌握信号质量真实情况。其次传统的一次分析通常都是比较短的一个时间段的数据进行分析，缺少与历史数据的关联比对分析，容易造成因为观测时长不够而造成分析获取的信息缺失，不容易获取长时间信号质量的一个变化趋势。

发明内容

本发明的目的是为解决上述问题，提供一种关于GNSS空间信号质量的动态可视化分析方法，直观、实时展现GNSS观测数据指标变化情况及各指标之间的关联影响关系。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种关于GNSS空间信号质量的动态可视化分析方法，包括接收机接收的卫星信号数据、数据预处理模块、可视化数据分析计算模块、卫星编码数据异常规则可视化指标配置数据库和信号质量结果数据异常告警信息数据库，所述接收机接收的卫星信号数据包括GPS、BDS、GLONASS、Galileo、接收机的工作状态数据和卫星健康状况数据，所述接收机接收的卫星信号数据通过网络发送至数据预处理模块。

优先的：所述数据预处理模块完成对数据进制、精度转换、缺失修正、数据结构标准化、UTC时间标准化、数据时序标定、同一颗卫星多来源数据归并、串行转并行处理；

针对不同卫星系统的信号数据，进行实时分析，同时对分析结果和原始数据写入信号质量结果数据异常告警信息数据库：

对北斗系统B1、B2、B3频点信号、GPS系统L1、L2、L5频点信号、Galileo系统E1、E5、E6频点信号、GLONASS系统G1、G2、G3频点信号基于并行计算完成实时数据流的分析处理，分析包括：测距码与载波相干性评估项并行计算，频内/频间测距码相位之间相干性并行计算，伪距/载波相位/载噪比/多普勒测量值的实时分析计算。

优先的：根据卫星编码数据异常规则可视化指标配置数据库设定的数据异常规则对分析结果进行异常判定，判定规则是结合卫星健康状态和接收机参数的数据阈值范围的组合判断，数据异常则输出异常信息并将异常信息存入信号质量结果数据异常告警信息数据库，异常信息与所对应的原数据进行关联标记。

优先的：所述可视化数据分析计算模块的输入数据包括信号质量并行实时分析模块输出的数据和信号质量结果数据异常告警信息数据库中的数据。

优先的：时序数据应用算法有：

①.降采样和插值：降采样算法、插值算法，

②.聚合计算：逻辑聚合、算数聚合、统计，

③.计算后将结果写入可视化时序数据库，供可视化服务模块使用。

优先的：所述信号质量结果数据异常告警信息数据库将历史数据传送到多指标历史数据关联分析模块，所述多指标历史数据关联分析模块能够实现历史数据的比对分析，指标关联分析，分析结果也写入可视化时序数据库，供可视化服务模块使用。

优先的：所述可视化时序数据库将部分数据传输到信号质量动态可视化服务模块，所述信号质量数据动态可视化服务模块包含可视化在线配置模块、多指标比对分析折线图、质量汇总数据饼图和柱形图、异常告警信息图表可视化、信号质量指标变化折线图、信号质量指标正态分布图、信号质量指标关联分析散点图和多指标差异分析堆积面积图，所述信号质量数据动态可视化服务将部分数据传输到多指标多维度可视化数据仪表盘。

优先的：所述多指标多维度可视化数据仪表盘针对于单颗卫星的综合信息或多指标数据，使其能够在一个界面上面呈现多种信息；对于单指标或者指标比对可以使用单一的可视化图表呈现。

优先的：可视化在线配置模块能够实现在线配置数据源、配置可视化输出的图表样式，快捷配置，能够将现有的可视化展现配置可以存储为模版，便于重复利用。

优先的：本分析方法由于数据量大，为提升数据处理效率保障数据动态可视化效果，可以使用并行计算进行分析处理，可以借助多核CPU或者GPU计算能力来提供计算。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

一种关于GNSS空间信号质量的动态可视化分析方法，动态可视化软件采用均值、方差等数理统计方法实现空间信号质量监测评估分系统的运行状态分析、观测数据状态分析、评估结果动态分析、异常状态关联分析功能。数据分析，可视化展现数据实时更新，及时掌握信号质量各指标变化情况以及数据异常情况；系统运行期间，技术人员可以在线可配置可视化，实时生效。

动态可视化软件支持单星数据分析结果可视化展示、多星数据分析结果可视化展示、系统间性能比较分析结果可视化展示，该方法实现的数据关联可视化分析不仅仅局限于同一时间点的各个指标间的关联关系，还包括分析结果指标与卫星健康状态的关联、接收机的工作状态参数的关联。分析结果更具客观性准确性，同一指标数据还可关联至历史特定时间段的数据比对分析，充分利用了大数据的优势提炼更多信息。

GNSS信号数据都有时标，数据存储依据时标分区存储，数据查询时也都是有时间范围条件，系统会根据时间自动汇总，从毫秒级数据汇总至秒级、再至分钟级、小时级等，聚合数据提升性能降低数据利用成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构框架示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例只作为对本发明的说明，不作为对本发明的限定。

如图1所示的一种关于GNSS空间信号质量的动态可视化分析方法，包括接收机接收的卫星信号数据、数据预处理模块、可视化数据分析计算模块、卫星编码数据异常规则可视化指标配置数据库和信号质量结果数据异常告警信息数据库，所述接收机接收的卫星信号数据包括GPS、BDS、GLONASS、Galileo、接收机的工作状态数据和卫星健康状况数据，所述接收机接收的卫星信号数据通过网络发送至数据预处理模块。

数据预处理：完成对数据进制、精度转换、缺失修正、数据结构标准化、UTC时间标准化、数据时序标定、同一颗卫星多来源数据归并、串行转并行等处理，使得满足后续分析算法的需要；

针对不同卫星系统的信号数据，进行实时分析，同时将分析结果和原始数据写入时序数据库。

针对北斗系统B1、B2、B3频点信号，GPS系统L1、L2、L5频点信号，Galileo系统E1、E5、E6频点信号，GLONASS系统G1、G2、G3频点信号基于并行计算完成实时数据流的分析处理，分析包括：测距码与载波相干性评估项并行计算，频内/频间测距码相位之间相干性并行计算，伪距/载波相位/载噪比/多普勒等测量值的实时分析计算。

由于分析结果和原始数据都具有强时序、数据量大特征，对结果和原始数据使用时序数据库存储。因数据量大为提升数据处理效率保障数据动态可视化效果，使用并行计算进行分析处理，可以借助多核CPU或者GPU计算能力来提供计算。

可视化数据分析计算模块是根据数据可视化指标要求，专为分析结果数据可视化展现而进行的计算处理，输入数据有信号质量并行实时分析模块输出的数据和信号质量结果数据异常告警信息数据库中的数据。针对时序数据库应用算法主要有：

降采样和插值：降采样算法（最大值/最小值/均值），插值算法（补零/线性/贝塞尔曲线）；

聚合计算：逻辑聚合，算术聚合，统计。

经过计算后，将计算结果写入可视化时序数据库，供可视化服务模块使用。

多指标历史数据关联分析模块完成从信号质量结果数据异常告警信息数据库读取历史数据，实现历史数据的比对分析，指标关联分析，分析结果也写入可视化时序数据库，供可视化服务模块使用。

信号质量数据动态可视化服务从可视化时序数据库中读取数据，然后组合配置的可视化模版，进行数据渲染，最终数据可视化通过网页或其他可视化组件呈现给用户。

对于单颗卫星的综合信息或多指标数据可以通过多指标多维度可视化数据仪表盘形式组合多个可视化组件，在一个界面上面呈现多种信息；对于单指标或者指标比对可以使用单一的可视化图表呈现。

GNSS空间信号质量指标主要有：相关损失变化，S曲线过零点偏差和斜率，有效功率比变化，信号分量间相位偏差变化，波形失真参数变化，基带信号波形图频间，频内信号相干性，载波与伪码相干性关联可视化和功率谱变化。

基于网页的动态可视化为保障数据动态刷新率，可使用WebSocket技术实现数据更新的推送技术，相比较与常见的定时刷新具有服务器压力小，可视化数据更新及时的特点。

为实现动态、灵活多变的可视化需求，可以通过可视化在线配置模块实现在线配置数据源、配置可视化输出的图表样式，为方便快捷配置，对于现有的可视化展现配置可以存储为模版，以便重复利用。

可视化采取组件化，自定义模版技术，从而实现灵活多变组合，满足不同数据分析需求。

数据分析处理基于并行化的信号数据分析，信号质量并行实时分析模块可以分布式实施，将计算分解至多台服务器进行，提升数据处理效率，减少延时；GNSS信号数据有时标，数据存储依据时标分区存储，数据查询时也有时间范围条件，系统根据时间自动汇总，毫秒级数据汇总至秒级、再至分钟级、小时级等，聚合数据提升性能降低数据利用成本；

动态可视化的动态特性体现在两个方面：

（1）数据分析，可视化展现数据实时更新,及时掌握信号质量各指标变化情况以及数据异常情况；

（2）系统运行期，技术人员可以在线可配置可视化，实时生效。

数据关联可视化分析既体现在同一时间段内各个指标之间的关联影响，还可关联卫星健康状态和接收机的工作参数因素，分析结果更具客观性准确性。同一指标数据还可关联至历史特定时间段的数据比对分析，充分利用大数据的优势提炼更多信息。

空间信号质量动态可视化分析需收集指定卫星的监控时长、监测次数、监测数据文件、监测评估参数等数据和信息，其中监测评估参数包括：信号发射带宽，带外多余辐射功率谱密度，带外抑制，相关损失，信号分量间相位偏差，频间，频内信号相干性，地面最小接收功率，信号分量间有效信号功率比偏差，合成功率谱偏差，S曲线过零点偏差及斜率，时域信号波形失真，载波与伪码相干性。

动态可视化软件采用均值、方差等数理统计方法实现空间信号质量监测评估分系统的运行状态分析、观测数据状态分析、评估结果动态分析、异常状态关联分析功能。动态可视化软件支持单星数据分析结果可视化展示、多星数据分析结果可视化展示、系统间性能比较分析结果可视化展示。该方法实现的数据关联可视化分析不仅仅局限于同一时间点的各个指标的间的关联关系，还包括：分析结果指标与卫星健康状态的关联、接收机的工作状态参数关联。

一种关于GNSS空间信号质量的动态可视化分析方法，接收机接收北斗、GPS、GALILEO、GLONASS及其他GNSS系统卫星信号数据，实现空间信号质量监测评估分系统的系统动态分析功能，通过监测和处理系统状态数据、信号监测数据和评估结果分析空间信号质量监测评估分系统的系统运行状态及趋势，分析监测评估对象也就是GNSS信号的性能指标状态与趋势。根据设定的卫星编码数据异常规则可视化指标配置数据库中的数据对分析结果进行异常判定，判定规则是结合卫星健康状态、接收机参数的数据阈值范围的组合判断，如果数据异常则输出异常信息并将异常信息存入信号质量结果数据异常告警信息数据库，异常信息与所对应的原数据进行关联标记，为后续关联可视化分析做支撑。

本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。