CN110568459B - 基于igs和cors站的区域电离层tec实时监测方法 - Google Patents

基于igs和cors站的区域电离层tec实时监测方法 Download PDF

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CN110568459B CN201910799623.2A CN201910799623A CN110568459B CN 110568459 B CN110568459 B CN 110568459B CN 201910799623 A CN201910799623 A CN 201910799623A CN 110568459 B CN110568459 B CN 110568459B
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Abstract

本发明提出一种基于IGS和CORS站的区域电离层TEC实时监测方法，包括：确定监测区域，根据所述监测区域的大小划分格网；确定各格网的经纬度，并确定参与建立区域电离层格网VTEC模型的IGS跟踪站和CORS站；读取监测区域内IGS跟踪站数据、CORS站原始双频观测数据与导航电文；对所述观测数据与导航电文进行预处理；计算卫星位置、高度角和穿刺点经纬度；平滑伪距观测值；获取卫星DCB与接收机的DCB；提取穿刺点处的VTEC；对穿刺点进行克里金空间插值与分析，以格网形式播发给区域用户。本发明融合IGS和CORS站数据，建立区域电离层格网VTEC模型，弥补IGS跟踪站不足导致精度下降等问题，扩大了监测区域的范围，提高电离层格网VTEC模型在赤道等地区的精度和可靠性。

Description

基于IGS和CORS站的区域电离层TEC实时监测方法
技术领域
本发明属于卫星导航领域，具体涉及一种基于IGS和CORS站的区域电离层TEC实时监测方法。
背景技术
电离层是距离地面高度为60～2000km的大气区域，稀薄的空气被紫外线和X射线电离产生大量自由电子，形成等离子体，可对穿越其中的电磁信号造成包括反射、折射、散射和吸收等不同程度的影响。电离层总电子含量(Total Electron Contents，TEC)是描述电离层特征和变化的最重要参数之一，对于高精度测量具有十分重要的意义，准确的获取TEC信息对于深入研究电离层物理特性及变化规律，对提高GNSS定位精度、推动相关科学的理论研究和工程应用的发展有重要的应用价值和科学意义。
GNSS是监测电离层活动的最主要技术手段之一，自20世纪90年代就已经开始，并逐渐向高精度、近实时、时间和空间的高分辨率等监测方向发展。国际GNSS服务(InternalGNSS Service，IGS)于1998年开始利用全球IGS网来提取全球电离层信息，发布全球电离层TEC格网产品，目前通过解算全球200多个GPS跟踪站的观测数据，公布每2个小时5°(经度)×2.5°(纬度)格网点的电子含量，但其空间分辨率与时间分辨率较低，应用于小范围区域时精度不高，并有24小时的延迟，不能做到实时改正。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于IGS和CORS站的区域电离层TEC实时监测方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于IGS和CORS站的区域电离层TEC实时监测方法，该监测方法包括：
确定监测区域，根据所述监测区域的大小划分格网；
确定各格网的经纬度，并确定参与建立区域电离层格网VTEC模型的IGS跟踪站和CORS站；
读取监测区域内IGS跟踪站数据、CORS站原始双频观测数据与导航电文；
对所述观测数据与导航电文进行预处理；
计算卫星位置、高度角和穿刺点经纬度；
平滑伪距观测值；
获取卫星DCB与接收机的DCB；
提取穿刺点处的VTEC；
对穿刺点进行克里金空间插值与分析，以格网形式播发给区域用户。
可选地，所述IGS跟踪站数据包括观测数据、DCB文件。
可选地，所述预处理包括剔除粗差、周跳探测与修复、高度截止角的处理以及伪距值的优化。
可选地，所述卫星的DCB由IGS DCB产品读取，接收机的DCB采用球谐函数进行估计。
可选地，所述穿刺点的经纬度为
Figure BDA0002181941030000021
Figure BDA0002181941030000022
Figure BDA0002181941030000023
Figure BDA0002181941030000024
式中，λIPP为穿刺点的经度，
Figure BDA0002181941030000025
为穿刺点的纬度，α表示穿刺点的地心张角，H为电离层高度，E、A分别为卫星高度角和方位角，R为地球半径，λr为接收机经度，
Figure BDA0002181941030000026
为接收机纬度。
可选地，采用Hatch滤波对伪距观测值进行平滑。
可选地，采用Hatch滤波对伪距观测值进行平滑，具体包括：
假设在第i-1个历元时P2-P1的平滑值[(P2-P1)i-1]平滑，则第i个历元时P2-P1的预报值用下式表示：
[(P2-P1)i]预报＝[(P2-P1)i-1]平滑+[(L4)i-(L4)i-1]
则第i个历元时P2-P1的平滑值为
[(P2-P1)i]平滑＝Wi[(P2-P1)i]伪距观测+(1-Wi)[(P2-P1)i]预报
式中，P1、P2分别为两个频点对应的伪距观测值，Wi是权重因子，当i＝1时，Wi＝1.0，即[(P2-P1)i]平滑＝Wi[(P2-P1)i]伪距观测；
则，斜路径方向的电离层电子总含量STEC的观测方程如下：
Figure BDA0002181941030000027
Figure BDA0002181941030000031
是伪距观测值的卫星相对电路延迟偏差；
Figure BDA0002181941030000032
是伪距观测值的接收机相对电路延迟偏差，即硬件延迟。
可选地，球谐函数表达式如下：
Figure BDA0002181941030000033
Figure BDA0002181941030000034
Figure BDA0002181941030000035
式中，nmax表示球谐函数最大阶数，
Figure BDA0002181941030000036
表示n阶m次的归化Legendre函数，
Figure BDA0002181941030000037
表示穿刺点的地理纬度，δ0m为Kronecker型函数δ函数，
Figure BDA0002181941030000038
为经典Legendre函数，
Figure BDA0002181941030000039
Figure BDA00021819410300000310
为待求系数，s＝λ-λ0表示穿刺点的日固经度，其中λ表示穿刺点的地理经度，λ0表示太阳的地理经度。
如上所述，本发明的一种基于IGS和CORS站的区域电离层TEC实时监测方法，具有以下有益效果：
融合IGS和CORS站数据，建立区域电离层格网VTEC模型，弥补IGS跟踪站不足导致精度下降等问题，扩大了监测区域的范围，提高电离层格网VTEC模型在赤道等地区的精度和可靠性，对用户端内插获取电离层延迟也可提高精度。
附图说明
为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。
图1为本发明一种基于IGS和CORS站的区域电离层TEC实时监测方法的流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提出一种基于IGS((Internal GNSS Service，国际GNSS服务))和CORS站(Continuously Operating Reference Stations，连续运行参考站)的区域电离层TEC(Total Electron Contents，总电子含量)实时监测方法，可对一定区域内电离层TEC进行实时监测，提高电离层格网VTEC(Vertical Total Electron Contents，垂直方向的总电子含量)模型在赤道、IGS观测站不足等地区的精度和可靠性。具体包括以下步骤：
S1首先确定监测区域，根据区域大小划分格网和确定各格网点的经纬度，确定参与建立区域电离层格网VTEC模型的IGS跟踪站和CORS站；
S2读取区域内IGS跟踪站数据、CORS站原始双频观测数据与导航电文；
S3对观测数据与导航电文等进行预处理；
S4计算卫星位置、高度角和穿刺点经纬度；
S5采用Hatch滤波对伪距观测值进行平滑；
S6获取卫星DCB(difference code bias，硬件延迟偏差)与接收机的DCB；
S7提取穿刺点处的VTEC；
S8对穿刺点进行克里金空间插值与分析，以格网形式播发给区域用户。
以下对上述步骤进行详细说明。
在步骤S2中，所述IGS跟踪站数据包括观测数据、DCB文件。
在步骤S3中，所述预处理包括剔除粗差、周跳探测与修复、高度截止角的处理以及伪距值的优化。卫星截止高度角设置为10°。
在步骤S4中，计算穿刺点经纬度时，采用电离层单层模型，薄层高度选择450km，按照如下公式确定穿刺点的经纬度
Figure BDA0002181941030000041
Figure BDA0002181941030000042
Figure BDA0002181941030000043
Figure BDA0002181941030000044
式中，α表示穿刺点的地心张角，H为电离层高度，E、A分别为卫星高度角和方位角，R为地球半径，λr为接收机经度，
Figure BDA0002181941030000045
为接收机纬度。
在步骤S5中，利用载波平滑伪距观测值，对于双频GPS观测数据，斜路径方向的电离层电子总含量STEC(Slant Total Electron Content，斜向传播路径上的总电子含量)的观测方程如下：
Figure BDA0002181941030000051
式中：P1、P2分别为两个频点对应的伪距观测值；
Figure BDA0002181941030000052
是伪距观测值的卫星相对电路延迟偏差；
Figure BDA0002181941030000053
是伪距观测值的接收机相对电路延迟偏差，即硬件延迟。
采用Hatch滤波进行观测值的平滑，平滑原理如下：
假设在第i-1个历元时P2-P1的平滑值[(P2-P1)i-1]平滑，则第i个历元时P2-P1的预报值可用下式表示：
[(P2-P1)i]预报＝[(P2-P1)i-1]平滑+[(L4)i-(L4)i-1] (5)
得到第i个历元时P2-P1的平滑值为
[(P2-P1)i]平滑＝Wi[(P2-P1)i]伪距观测+(1-Wi)[(P2-P1)i]预报 (6)
式中，Wi是权重因子。当i＝1时，Wi＝1.0，即[(P2-P1)i]平滑＝Wi[(P2-P1)i]伪距观测。此后权重Wi将随着历元i的递增而递减。
由此，得到STEC的方程如下：
Figure BDA0002181941030000054
在步骤S6中，所述卫星的DCB由IGS DCB产品读取，接收机的DCB采用球谐函数进行估计。
首先将包含有接收机DCB的TEC通过投影转换为VTEC，穿刺点处天顶方向的总电子含量VTEC与斜路径方向的电子总含量STEC的转换公式为：
Figure BDA0002181941030000055
Figure BDA0002181941030000056
式中，F(Z)为单层电离层投影函数，这里采用三角投影函数；Z为卫星在电离层穿刺点处的天顶距。
然后使用球谐函数模型实现电离层建模，球谐函数具体函数模型表达式如下：
Figure BDA0002181941030000061
Figure BDA0002181941030000062
Figure BDA0002181941030000063
式中，nmax表示球谐函数最大阶数，
Figure BDA0002181941030000064
表示n阶m词的归化Legendre函数，
Figure BDA0002181941030000065
表示IPP的地理纬度，δ0m为Kronecker型函数δ函数，
Figure BDA0002181941030000066
为经典Legendre函数，
Figure BDA0002181941030000067
Figure BDA0002181941030000068
为待求系数，s＝λ-λ0表示IPP日固经度，其中λ表示IPP的地理经度，λ0表示太阳的地理经度。
在步骤S8中，对穿刺点进行克里金空间插值与分析，以格网形式播发给区域用户。
进行空间插值需要具备两个基本要素：已知点和空间插值方法。对于电离层VTEC空间插值的过程即利用实测穿刺点的VTEC，运用相应的空间插值方法来估算其它空间位置的VTEC。利用克里金插值方法计算格网点电离层延迟，以格网形式保存并播发给区域用户。
克里金插值又称为空间自协方差最佳插值方法，基本思想是基于变异函数理论和结论分析，在有限的区域内对观测量进行无偏、最优估计，依据已知样本点的统计特性进行估计的，并以空间自相关性为基础，利用原始观测数据和半方差函数的结构性，不仅可以对已知点间的空间自相关性实现量化，还能够说明插值样点在预测区域内的空间分布状态。其原理如下：
以待估网点x0为例，用
Figure BDA0002181941030000069
表示待估格网点x0处的电离层VTEC估计值，计算公式如下：
Figure BDA00021819410300000610
其中，wi分别为N个IPP(ionospheric pierce point,穿刺点)观测量I(xi)(i＝1,2,...,N)的权重因子。N个IPP穿刺点的坐标分别为x1,x2,···xN。
用I(x0)为待估格网点x0处电离层VTEC的真值，则
Figure BDA00021819410300000611
估计误差的期望值
Figure BDA00021819410300000612
为：
Figure BDA00021819410300000613
其中，E(·)为变量期望。为满足无偏性条件，令上式为零，则：
Figure BDA0002181941030000071
变异函数定义为穿刺点的I(xi)(i＝1,2,...,N)在任意距离h的两点x和x+h处的观测值之差的方差的一半，表示为γ(x+h,x)，简记为γ(h)。
估计值
Figure BDA0002181941030000072
和真值I(x0)之间的差异，即估计误差的方差
Figure BDA0002181941030000073
可利用变异函数表示为：
Figure BDA0002181941030000074
其中，var(·)为方差计算。在无偏性的限制条件下，为使估计误差的方差达到最小，引入拉格朗日乘数因子μ，构建拉格朗日函数：
Figure BDA0002181941030000075
计算拉格朗日函数对wi的偏导数并置零，得：
Figure BDA0002181941030000076
即
Figure BDA0002181941030000077
其中，γij为γ(xi,xj)的简写，i,j＝1,2,...,N，上式可记为：
Aw＝b (20)
解算即可得出权重因子wi和拉格朗日乘数因子μ，从而求得Kriging估计方差
Figure BDA0002181941030000078
Figure BDA0002181941030000079
则可得到预估格网点x0处VTEC估计值
Figure BDA00021819410300000710
最后以格网形式保存播发给区域用户。
本发明具有以下优点：
1.提出一种基于IGS和CORS站的区域电离层TEC实时监测方法，融合IGS和CORS站数据，建立区域电离层格网VTEC模型，弥补IGS跟踪站不足导致精度下降等问题。
2.对于卫星DCB，直接采用IGS DCB产品，对于接收机DCB，采用球谐函数进行估计，提高电离层TEC模型精度。
3.在获取VTEC后，不是直接按照球谐函数得到的模型去播发，而是采用克里金插值进行电离层VTEC空间插值形成格网，提高VTEC建模的精度，也有利于区域用户进行电离层延迟改正。
本发明还提供一种存储介质，存储计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行前述的方法。
本发明还提供一种电子终端，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述设备执行前述的方法。
所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括:能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器((RAM,Random AccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit,CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器可以是内部存储单元或外部存储设备，例如插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字卡(Secure Digital,SD)，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括内部存储单元，也包括外部存储设备。所述存储器用于存储所述计算机程序以及其他程序和数据。所述存储器还可以用于暂时地存储己经输出或者将要输出的数据。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种基于IGS和CORS站的区域电离层TEC实时监测方法，其特征在于，该监测方法包括：
确定监测区域，根据所述监测区域的大小划分格网；
确定各格网的经纬度，并确定参与建立区域电离层格网VTEC模型的IGS跟踪站和CORS站；
读取监测区域内IGS跟踪站数据、CORS站原始双频观测数据与导航电文；
对所述观测数据与导航电文进行预处理；
计算卫星位置、高度角和穿刺点经纬度；
平滑伪距观测值；
获取卫星DCB与接收机的DCB；
提取穿刺点处的VTEC；
对穿刺点进行克里金空间插值与分析，以格网形式播发给区域用户具体为对于电离层VTEC空间插值的过程即利用实测穿刺点的VTEC，运用相应的空间插值方法来估算其它空间位置的VTEC；利用克里金插值方法计算格网点电离层延迟，以格网形式保存并播发给区域用户；所述IGS跟踪站数据包括观测数据、DCB文件；所述卫星的DCB由IGSDCB产品读取，接收机的DCB采用球谐函数进行估计；所述预处理包括剔除粗差、周跳探测与修复、高度截止角的处理以及伪距值的优化。
2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述穿刺点的经纬度为
Figure FDF0000015824210000011
Figure FDF0000015824210000012
Figure FDF0000015824210000013
Figure FDF0000015824210000014
式中，λIPP为穿刺点的经度，
Figure FDF0000015824210000015
为穿刺点的纬度，α表示穿刺点的地心张角，H为电离层高度，E、A分别为卫星高度角和方位角，R为地球半径，λr为接收机经度，
Figure FDF0000015824210000016
为接收机纬度。
3.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，采用Hatch滤波对伪距观测值进行平滑。
4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，采用Hatch滤波对伪距观测值进行平滑，具体包括：
假设在第i-1个历元时P2-P1的平滑值[(P2-P1)i-1]平滑，则第i个历元时P2-P1的预报值用下式表示：
[(P2-P1)i]预报＝[(P2-P1)i-1]平滑+[(L4)i-(L4)i-1]
则第i个历元时P2-P1的平滑值为[(P2-P1)i]平滑＝Wi[(P2-P1)i]伪距观测+(1-Wi)[(P2-P1)i]预报
式中，P1、P2分别为两个频点对应的伪距观测值，Wi是权重因子，当i＝1时，Wi＝1.0，即[(P2-P1)i]平滑＝Wi[(P2-P1)i]伪距观测；
则，斜路径方向的电离层电子总含量STEC的观测方程如下：
Figure FDF0000015824210000021
Figure FDF0000015824210000022
是伪距观测值的卫星相对电路延迟偏差；
Figure FDF0000015824210000023
是伪距观测值的接收机相对电路延迟偏差，即硬件延迟。
5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，球谐函数表达式如下：
Figure FDF0000015824210000024
Figure FDF0000015824210000025
Figure FDF0000015824210000026
式中，nmax表示球谐函数最大阶数，
Figure FDF0000015824210000027
表示n阶m次的归化Legendre函数，
Figure FDF0000015824210000028
表示穿刺点的地理纬度，δ0m为Kronecker型函数δ函数，
Figure FDF0000015824210000029
为经典Legendre函数，
Figure FDF00000158242100000210
Figure FDF00000158242100000211
为待求系数，s＝λ-λ0表示穿刺点的日固经度，其中λ表示穿刺点的地理经度，λ0表示太阳的地理经度。
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