CN101893714A - 全球卫星导航系统广播电离层时延修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全球卫星导航系统广播电离层时延修正方法，涉及全球卫星导航系统广播发布的电离层时延改正技术。该方法包含下列步骤：(1)全球电离层基础数据库建立，(2)全球电离层基础数据库的更新，(3)全球电离层球谐函数的模型的预报，(4)电离层时延修正参数的发播，(5)接收机端电离层时延的修正。本发明的优点在于：充分利用了多年来全球的GNSS观测站数据，并顾及电离层TEC的太阳11年周期，年、半年、季节、月份、日等不同时间和空间的周期变化特征，采用多种方法，既减小了对卫星通讯的要求，又提高了修正效果。

Description

全球卫星导航系统广播电离层时延修正方法

技术领域

本发明涉及无线电传播时延改正，尤其是能够满足于全球卫星导航系统广播发布的电离层时延改正技术。

背景技术

全球卫星导航系统英文名称为Global Navigation Satellite System，简称GNSS。其工作原理：由距地球表面2～4万公里在轨连续运行的多颗卫星(包括：中轨卫星和地球静止卫星)不间断地发送L波段的无线电信号，经过地球大气层(包括中性大气和电离层)到达地面被GNSS接收机捕获，通过对捕获的信号进行处理和测量可用于导航、定位和授时等。目前，全球卫星导航系统主要包括：美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALIEO和中国北斗系统。

无线电信号在大气传播中因电离层的影响，可造成几米甚至上百米的信号延迟，电离层对无线电信号的影响是全球卫星导航系统在导航、定位和授时数据处理中最为棘手的误差源之一。GNSS接收机分为单频和双频两种型号，双频接收机能够接收到2个及以上频率的信号，可采用双频自校正技术消除电离层对无线电信号的影响，然而除GLONASS采用频分多址技术外，其他全球卫星导航系统均采用码分多址技术，双频接收机价格昂贵，民用用户一般采用单频接收机，只能接收到1个频率的信号，无法采用双频自校正技术消除电离层对无线电信号的影响。码分多址技术比频分多址技术具有较大的优势，已逐渐成为全球卫星导航建设信号处理技术的发展趋势。对于单频用户而言，消除/削弱空间电离层体的影响是保证其定位精度的关键因素之一。因此，研究适用于全球卫星导航系统的广播电离层时延改正技术一直是国内外全球卫星导航系统发展和应用研究中的热点和难点问题。

全球卫星导航系统广播电离层时延改正技术通常用于实时导航定位用户，要求计算效率高，修正效果好，所要求的发播参数与通讯水平相匹配，不宜过多，一般控制在10个左右。目前，GPS采用Klobuchar模型修正技术的发播8个参数，虽然计算效率较高，但是即便在电离层活动平静的中纬度(30°N～60°N)地区，其修正效果也仅有60％左右，电离层活动剧烈时期或其他地区的修正效果更差。GALIEO系统采用经验的NeQuick电离层模型，该模型尽管修正效果略优于Klobuchar模型，但计算效率难以满足实时计算要求，模型参数较多不便于广播发布。中国北斗全球卫星导航系统目前正处于初步建设时期，尚未见到相关的电离层广播时延修正方法的报道。

发明内容

本发明的目的是：提供一种全球卫星导航系统广播电离层时延修正方法。该方法既有效利用了球谐函数高精度和优良的数学结构以及GNSS观测资料的优势，又巧妙地在整个模型参数数目不变的条件下，使得需要广播的参数数目适量、修正效果更好；且能够实时更新，具有良好的应用功能，从而较好地解决了全球卫星导航系统广播电离层时延修正的技术难题。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

1、全球卫星导航系统广播电离层时延修正方法基础数据库建立

利用正交勒让德多项式作为基函数的全球电离层球谐函数模型，其对应的不同阶次的模型系数本身也蕴含了电离层活动变化的不同步长的周期性规律。本发明首先基于全球分布GNSS基准站已有观测数据逐天构建对应2小时分辨率的全球电离层球谐函数模型，利用快速傅立叶变换技术分析全球电离层球谐函数各个系数的周期，构建用于描述各个系数的三角级数模型，以此为基础，建立全球卫星导航系统广播电离层试验修正方法基础数据库，将该基础数据库存储于全球卫星导航系统数据处理中心，同时固化于GNSS接收机中。

2、全球卫星导航系统广播电离层时延修正方法基础数据库更新

利用最近一天全球分布GNSS基准站观测数据构建当天的全球电离层球谐函数模型，结合该球谐函数模型系数重新构建的各个系数的三角级数模型，基于此，更新步骤1中建立的基础数据库，同时，更新数据处理中心基础数据库，另外，按照用户要求更新GNSS接收机基础数据库。

3、全球卫星导航系统广播电离层时延预报

利用更新之后的基础数据库中的三角级数模型预报指定时刻的全球电离层球谐函数模型系数，基于此系数组建全球电离层球谐函数模型，利用该模型对当天全球电离层时延变化进行预报。

4、全球卫星导航系统广播电离层时延修正方法参数发播

选择步骤3中预报的当天全球电离层球谐函数模型前9个系数作为全球卫星导航系统广播电离层时延修正方法的发播参数，通过无线电通讯发射至卫星。在卫星通讯能力允许的前提下，可增加发播参数的个数。

5、全球卫星导航系统广播电离层时延修正应用

GNSS接收机接收到卫星广播星历包括有卫星轨道信息和步骤4中发播的参数，将其替换利用固化至接收机中的基础数据库按照步骤3中的全球卫星导航系统广播电离层时延预报技术预报的全球电离层球谐函数模型对应的系数，融合上述两部分形成最终的全球电离层函数模型，计算指定时间和位置的电离层延迟。

本发明的优点和效果

利用本发明进行全球卫星导航系统广播电离层延迟修正，如图6，其修正效果在80％左右，优于GPS、GALILEO所采用的广播电离层改正技术——Klobuchar模型、Nequick模型，也优于利用GNSS资料改进的Klobuchar模型，且能有效进行长期预报，安全性能好，更新参数个数也适于发布，总体精度和可靠性优于国际同类研究成果。

本发明主要服务于GNSS单频用户导航与定位时修正电离层延迟的影响。

附图说明

图1：全球卫星导航系统广播电离层时延修正方法组成图

图2：全球电离层基础数据库建立

图3：全球电离层基础数据库的更新

图4：全球电离层球谐函数模型的预报

图5：接收机端电离层时延的修正

图6：2002-2007年不同广播电离层时延修正技术修正百分比比较

其中，图6中，KLOBUCHAR-GPS广播电离层延迟改正技术；KLO-Style-欧洲定轨中心(CODE)发布的KLOBUCHAR-Style修正技术；IGGSH-本专利建立的IGGSH技术；NeQuick-GALILEO系统拟采用的广播电离层延迟改正模型；Mean：不同电离层修正技术在相应年的所有观测站的电离层时延修正平均百分比；Total Mean：不同电离层修正技术连续6年的所有观测站的电离层时延修正平均百分比。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

如图1，全球卫星导航系统广播电离层时延修正方法包含下列5个步骤：

1、全球电离层基础数据库的建立

1.1基于GNSS数据构建全球电离层球谐函数模型

基于最近11年(约4018天)全球分布的GNSS基准站观测数据用最小二乘法构建全球电离层球谐函数(简称“SH”)模型，该模型的数学表达式如(1)所示：

(1)式中TEC(φ，λ)为电离层电子总含量函数，φ为电离层交叉点IPP(Ionospheric Pierce Point)点的纬度；λ为IPP点的经度；n_dmax为SH函数的最大度数；

为n度m阶的归化勒让德函数(Legendre Functions)；MC(n，m)为归化函数，即：

$\mathrm{MC}(n,m)=\sqrt{(n-m)!(2n+1)(2-{\mathrm{\δ}}_{0m})/(n+m)!}$

其中：δ_0m为Kronecker型δ函数；P_nm(sinφ)为经典勒让德函数；

和

为全球电离层球谐函数系数。设定n＝m＝15，时间分辨率为2小时，即每2小时为一组，每组共有256个全球电离层球谐函数系数，其中128个

128个11年共48216组。

1.2提取全球电离层球谐函数系数时间序列

在步骤1.1中得到的全球电离层球谐函数模型共256个系数，即(1)式中的

和

其中128个

128个

逐个提取步骤1.1中48216组全球电离层球谐函数模型的256个全球电离层球谐函数系数，形成256个系数序列，将其表示成

和

序列长度为48216，其中：128个

序列，128个

序列，时间分辨率为2小时。

1.3用傅立叶变换分析步骤1.2中各序列的周期用傅立叶变换依次分析步骤1.2中128个序列和128个

序列，得到各个序列的周期，将各个周期作为主周期项。

1.4构建用于描述全球电离层球谐函数各系数的三角级数函数模型

用步骤1.3中得到的主周期项，结合下面(2)、(3)式构建用于描述全球电离层球谐函数各系数的三角级数函数模型。

$\tilde{A}\left(t\right)=A_0+\underset{i=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}(C_{\mathrm{ai}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right)+S_{\mathrm{ai}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right))---\left(2\right)$

$\tilde{B}\left(t\right)=B_0+\underset{i=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}(C_{\mathrm{bi}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right)+S_{\mathrm{bi}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right))---\left(3\right)$

其中：(2)式中

为用于描述全球电离层球谐函数系数

的三角函数模型，A₀为常数项，ω_i为步骤1.3中得到的第i个主周期项，C_ai、S_ai为第i个主周期项三角函数系数；(3)式中

为用于描述全球电离层球谐函数系数

的三角函数模型，B₀为常数项，ω_i为步骤1.3中得到的第i个主周期项，C_bi、S_bi为第i个主周期项三角函数系数。

1.5确定全球电离层球谐函数各系数的三角级数模型

用步骤1.2得到的全球电离层球谐函数系数的序列，采用最小二乘法，确定步骤1.4中构建的各个系数的三角级数函数的系数A₀、C_ai、S_ai、B₀、C_bi、S_bi。

1.6全球广播电离层时延修正基础数据库的建立

基于步骤1.5中确定的三角函数系数A₀、C_ai、S_ai、B₀、C_bi、S_bi，即可确定步骤1.4中各个系数的三角函数模型的具体表达式，将上述确定的256个三角函数的各个系数作为全球电离层基础数据库的基础数据，将全球电离层基础数据库分别存储在数据处理中心和GNSS接收机内存中。

步骤1.1～1.6的实施流程参见图2。

2、全球电离层基础数据库的更新

2.1全球电离层球谐函数模型构建

用前一天观测得到的GNSS数据，构建步骤1.1中的全球电离层球谐函数模型，参数设置与步骤1.1中相同。

2.2全球电离层球谐函数系数序列的更新

将步骤2.1中得到的前一天全球电离层球谐函数模型的12组系数分别追加至步骤1.2中全球电离层球谐函数对应系数的序列之后，形成新的序列。

2.3重新确定步骤1.5中各个全球电离层球谐函数系数的三角级数模型

用步骤2.2更新后的全球电离层球谐函数系数的序列，利用最小二乘法重新确定步骤1.4中构建的各个系数的三角级数函数模型的系数A₀、C_ai、S_ai、B₀、C_bi、S_bi。

2.4全球电离层基础数据库更新

将步骤2.3中确定的256个三角函数模型的各个系数作为新的全球电离层基础数据替换原有全球电离层基础数据库中对应的数据，得到新的全球电离层基础数据库，用新的全球电离层基础数据库替换存储在数据处理中心和GNSS接收机内存中的全球电离层基础数据库，实现数据库的更新。GNSS接收机中的全球电离层基础数据库的更新频率由用户自行确定。

步骤2.1～2.4的实施流程参见图3。

3、全球电离层球谐函数模型的预报

3.1将存储在步骤2更新后的全球电离层基础数据库中的A₀、C_ai、S_ai、B₀、C_bi、S_bi，结合(2)、(3)式更新

和表达式，作为全球电离层球谐函数模型各系数的三角函数模型。

3.2按照步骤3.1中得到的

和表达式，分别计算指定时刻t₀的全球电离层球谐函数系数和

3.3将步骤3.2中计算生成该指定时刻的

和

回代至(1)式中，确定指定时刻t₀的全球电离层球谐函数模型。

步骤3.1～3.3的实施流程参见图4。

4、电离层时延修正参数的发播

将步骤3中预报的全球电离层球谐函数模型的前9个系数作为电离层时延修正参数进行电文编码，并发送至各个GNSS卫星，更新周期1天。在卫星通讯能力允许的前提下，发射电离层时延修正参数可增加至10～256个。

5、接收机端电离层时延的修正

5.1GNSS接收机接收广播星历

GNSS接收机在实施测量时将接收到各个卫星的广播星历，其中包括：卫星轨道、钟差以及步骤4中发送至卫星的电离层时延修正参数等信息。

5.2利用接收机中固化的全球电离层基础数据库预报全球电离层球谐函数模型

接收机从接收到的卫星广播星历中得到时间信息，用固化在接收机中的全球电离层基础数据库，按照步骤3的方法，预报当天全球电离层球谐函数模型，并将该模型存储在接收机内存上；当接收机跨过世界协调时00:00:00时，接收机用固化在接收机中的电离层基础数据库预报新一天的全球电离层球谐函数模型，将该模型存储在接收机内存上，并覆盖原有的全球电离层球谐函数模型。

5.3计算GNSS接收机和卫星的概率位置

用步骤5.1中接收到的GNSS卫星轨道和钟差信息，计算该历元观测到的GNSS卫星以及本接收机的概率位置。

5.4融合恢复当天全球电离层球谐函数模型

用广播星历中的全球电离层球谐函数的系数替换接收机中预报的当天全球电离层球谐函数对应的系数，再按照(1)式构建当天全球电离层球谐函数模型；当接收机接收到的卫星广播星历中的电离层信息不可用或无法接收到电离层信息时，直接步骤5.2中存储在接收机内存中的当天全球电离层球谐函数模型。

5.5计算对应卫星的电离层时延信息

基于步骤5.4中全球电离层球谐函数模型和步骤5.3中计算得到的卫星和接收机的概率位置，确定信号传播路径上的电离层延迟，即可实现全球卫星导航系统广播电离层时延修正。

步骤5.1～5.5的实施流程参见图5。

Claims (2)

1.全球卫星导航系统广播电离层时延修正方法，其特征在于该方法包含下列步骤：

a、全球电离层基础数据库的建立

a.1基于最近11年全球分布的GNSS基准站观测数据用最小二乘法构建全球电离层球谐函数模型，该模型的数学表达式为：

(1)式中TEC(φ，λ)为电离层电子总含量函数，φ为电离层交叉点IPP点的纬度，λ为IPP点的经度，n_dmax为球谐函数的最大度数，

为n度m阶的归化勒让德函数，MC(n，m)为归化函数，即：

$\mathrm{MC}(n,m)=\sqrt{(n-m)!(2n+1)(2-{\mathrm{\δ}}_{0m})/(n+m)!}$

其中：δ_0m为Kronecker型δ函数，P_nm(sinφ)为经典勒让德函数，

和

为全球电离层球谐函数系数；设定n＝m＝15，时间分辨率为2小时，即每2小时为一组，每组共有256个全球电离层球谐函数系数，其中128个

128个

11年共48216组；

a.2在步骤a.1中得到的全球电离层球谐函数模型共256个系数，(1)式中的

和

其中128个

128个

逐个提取步骤1.1中48216组全球电离层球谐函数模型的256个全球电离层球谐函数系数，形成256个系数序列，将其表示成

和

序列长度为48216，

其中：128个序列，128个

序列，时间分辨率为2小时；

a.3用傅立叶变换依次分析步骤a.2中128个

序列和128个

序列，得到各个序列的周期，将各个周期作为主周期项；

a.4用步骤a.3中得到的主周期项，结合下面(2)、(3)式构建用于描述全球电离层球谐函数各系数的三角级数函数模型；

$\tilde{A}\left(t\right)=A_0+\underset{i=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}(C_{\mathrm{ai}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right)+S_{\mathrm{ai}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right))---\left(2\right)$

$\tilde{B}\left(t\right)=B_0+\underset{i=1}{\overset{n_T}{\mathrm{\Σ}}}(C_{\mathrm{bi}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right)+S_{\mathrm{bi}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right))---\left(3\right)$

其中：(2)式中

为用于描述全球电离层球谐函数系数

的三角函数模型，A₀为常数项，ω_i为步骤1.3中得到的第i个主周期项，C_ai、S_ai为第i个主周期项三角函数系数；(3)式中

为用于描述全球电离层球谐函数系数

的三角函数模型，B₀为常数项，ω_i为步骤1.3中得到的第i个主周期项，C_bi、S_bi为第i个主周期项三角函数系数；

a.5用步骤a.2得到的全球电离层球谐函数系数的序列，采用最小二乘法，重新确定步骤a.4中构建的各个系数的三角级数函数的系数A₀、C_ai、S_ai、B₀、C_bi、S_bi；

a.6基于步骤a.5中确定的三角函数系数A₀、C_ai、S_ai、B₀、C_bi、S_bi，确定步骤1.4中各个系数的三角函数模型的具体表达式，将上述确定的256个三角函数的各个系数作为全球电离层基础数据库的基础数据，将全球电离层基础数据库分别存储在数据处理中心和GNSS接收机内存中；

b、全球电离层基础数据库的更新

b.1用前一天观测得到的GNSS数据，构建步骤a.1中的全球电离层球谐函数模型，参数设置与步骤a.1中相同；

b.2将步骤b.1中得到的前一天全球电离层球谐函数模型的12组系数分别追加至步骤a.2中全球电离层球谐函数对应系数的序列之后，形成新的序列；

b.3用步骤b.2更新后的全球电离层球谐函数系数的序列，利用最小二乘法重新确定步骤a.4中构建的各个系数的三角级数函数模型的系数A₀、C_ai、S_ai、B₀、C_bi、S_bi；

b.4将步骤b.3中确定的256个三角函数模型的各个系数作为新的全球电离层基础数据替换原有全球电离层基础数据库中对应的数据，得到新的全球电离层基础数据库，用新的全球电离层基础数据库替换存储在数据处理中心和GNSS接收机内存中的全球电离层基础数据库，实现数据库的更新；

c、全球电离层球谐函数模型的预报

c.1将存储在步骤b更新后的全球电离层基础数据库中的A₀、C_ai、S_ai、C_bi、S_bi，结合(2)、(3)式更新

和

表达式，作为全球电离层球谐函数模型各系数的三角函数模型；

c.2按照步骤c.1中得到的和

表达式，分别计算指定时刻t₀的全球电离层球谐函数系数

和

c.3将步骤c.2中计算生成该指定时刻的

和

回代至(1)式中，确定指定时刻t₀的全球电离层球谐函数模型；

d、电离层时延修正参数的发播

将步骤c中预报的全球电离层球谐函数模型的前9个系数作为电离层时延修正参数进行电文编码，并发送至各个GNSS卫星，更新周期1天；

e、电离层时延的修正

e.1GNSS接收机在实施测量时将接收到各个卫星的广播星历，其中包括：卫星轨道、钟差以及步骤d中发送至卫星的电离层时延修正参数等信息；

e.2接收机从接收到的卫星广播星历中得到时间信息，用固化在接收机中的全球电离层基础数据库，按照步骤c的方法，预报当天全球电离层球谐函数模型，并将该模型存储在接收机内存上；当接收机跨过世界协调时00:00:00时，接收机用固化在接收机中的电离层基础数据库预报新一天的全球电离层球谐函数模型，将该模型存储在接收机内存上，并覆盖原有的全球电离层球谐函数模型；

e.3用步骤e.1中接收到的GNSS卫星轨道和钟差信息，计算该历元观测到的GNSS卫星以及本接收机的概率位置；

e.4用广播星历中的全球电离层球谐函数的系数替换接收机中预报的当天全球电离层球谐函数对应的系数，再按照(1)式构建当天全球电离层球谐函数模型；当接收机接收到的卫星广播星历中的电离层信息不可用或无法接收到电离层信息时，采用步骤e.2中存储在接收机内存中的当天全球电离层球谐函数模型；

e.5基于步骤e.4中全球电离层球谐函数模型和步骤e.3中计算得到的卫星和接收机的概率位置，确定信号传播路径上的电离层延迟，即可实现全球卫星导航系统广播电离层时延修正。

2.根据权利要求1所述的全球卫星导航系统广播电离层时延修正方法，其特征还在于，该方法所述步骤d中在卫星通讯能力允许的前提下，发射电离层时延修正参数可增加至10～256个。

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