CN102520417A

CN102520417A - 卫星导航电离层延迟的预测方法及装置

Info

Publication number: CN102520417A
Application number: CN2011104004370A
Authority: CN
Inventors: 李锐; 白羽; 覃贝贝
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-06
Also published as: CN102520417B

Abstract

本发明提供一种卫星导航电离层延迟的预测方法及装置，其中方法包括：获取全球网格点电离层的VTEC原始观测数据；根据所述VTEC原始观测数据计算各个网格点相对于导航信号的电离层延迟；利用前一时刻计算出的所述电离层延迟预测后一时刻的垂直电离层延迟。本发明有效地实现了对电离层延迟的预测，获得了较好的预测效果，且运算过程简单、易于实现，为电离层延迟预测提供了新思路。

Description

卫星导航电离层延迟的预测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种卫星导航电离层延迟的预测方法及装置，属于卫星导航技术领域。

背景技术

卫星导航系统是一种利用卫星实现高精度导航和定位的技术。现有卫星导航系统例如有美国的全球定位系统(Global Positioning System，简称：GPS)和我国正在研发的北斗卫星导航系统等。在实际应用中，电离层延迟误差是影响卫星导航系统测距定位精度的主要误差源。为了提高定位精度，就要对电离层延迟误差进行预测。

电离层是距离地球表面50～1000km的高空中包含自由电子和离子的气态电离区域。卫星定位信号在电离层中的延迟取决于传播过程中的自由电子总量(Total Electron Content，简称：TEC)，TEC被定义为底面积为一平方米且贯穿整个电离层的柱体中的自由电子数，

其中，n_e(l)表示随导航信号传播路径变化的电子密度，积分沿卫星到接收机的信号传播路径进行。通常用垂直方向上的自由电子总量(Vertical TEC，简称：VTEC)来表示电离层状态，此时信号路径是沿着垂直(天顶)方向传播的，在这种情况下通过电离层的导航信号路径最短，总电子含量也最少。通常以10¹⁶e/m²为TEC的一个单位(TECU)来衡量总自由电子含量，即1TECU＝10¹⁶个电子/平方米。

电离层的VTEC受太阳活动等各种复杂因素的影响而不断发生变化，在一个给定的位置和时间，VTEC可能会比当月平均值变化20％～25％。对卫星导航测量而言，由VTEC的变化而导致的电离层延迟在天顶方向可达50米，在接近地平方向时(高度角为20°)可超过100米，在最恶劣的条件下可能会达到150米的测距误差，因而必须通过预测而加以修正，否则会严重影响定位测量精度。

现有对电离层延迟的预测方法有如下几种：

1、模型校正法

在1987年提出了适用于单频接收机的Klobuchar模型，该模型代表了电离层的周日平均特性，模型中的参数由卫星广播报文提供。作为标准卫星导航服务中使用的模型，被广泛应用于建立广域差分实时模型和广播星历用的预报模型。

但该方法的缺陷在于：Klobuchar模型仅能修正电离层影响的50％～60％，在中纬度地区电离层状态平稳时能够得到比较好的修正效果，相反，当存在严重的电离层扰动时，尤其是在高纬度和低纬度赤道地区，处理效果不佳。

2、电离层风暴分析法

这种方法是通过分析电离层风暴来对电离层造成的误差进行预测校正。该方法的初衷是为了分析电离层处于11年太阳活动周期的峰值时出现的异常状态，以及这种异常给局域增强系统(Local Area AugmentationSystem，简称：LAAS)带来的威胁，这种方法认为在40km范围内电离层的异常行为，即电离层风暴，可以用线性模型表示。这个线性模型是一个线性半开放的梯形前端，而且相对于地面以固定的速度在移动。

但该方法的缺陷在于：对电离层延迟的预测效果不佳，且运算过程复杂，不易实现。

3、网格内插校正法

这种方法是应用于广域增强系统(Wide Area Augmentation System，简称：WAAS)中的电离层校正算法。它预先定义了按照经纬度值划分的网格点，并在卫星广播电文中提供网格点的垂直电离层延迟值。每个用户接收机计算每个导航信号和电离层交叉点的经纬度，通过把距离交叉点最近的三或四个网格点的值进行内插，得到每颗可见卫星在交叉点上的垂直电离层延迟。

但该方法的缺陷在于：电离层平静期低纬度地区和磁暴期间的改正精度明显降低，网格点内插算法多样，且运算过程复杂，不易实现。

发明内容

本发明提供一种卫星导航电离层延迟的预测方法及装置，用以提高卫星导航的定位精度。

本发明一方面提供一种卫星导航电离层延迟的预测方法，其中包括：

获取全球网格点电离层的VTEC原始观测数据；

根据所述VTEC原始观测数据计算各个网格点相对于导航信号的电离层延迟；

利用前一时刻计算出的所述电离层延迟预测后一时刻的垂直电离层延迟。

本发明另一方面提供一种卫星导航电离层延迟的预测装置，其中包括：

获取模块，用于获取全球网格点电离层的VTEC原始观测数据；

计算模块，用于根据获取模块获取的所述VTEC原始观测数据计算各个网格点相对于导航信号的电离层延迟；

预测模块，用于利用由计算模块在前一时刻计算出的所述电离层延迟预测后一时刻的垂直电离层延迟。

本发明有效地实现了对电离层延迟的预测，获得了较好的预测效果，且运算过程简单、易于实现，为电离层延迟预测提供了新思路。

附图说明

图1为本发明所述卫星导航电离层延迟的预测方法实施例的流程图；

图2为本发明所述预测方法中短期预测方式的实验对比图；

图3为本发明所述预测方法中空间预测方式的实验对比图；

图4为本发明所述卫星导航电离层延迟的预测装置实施例的结构示意图；

图5为图4所示获取模块10的具体结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明所述卫星导航电离层延迟的预测方法实施例的流程图，如图所示，包括如下步骤：

步骤100，获取全球网格点电离层的VTEC原始观测数据。

具体地，可以先从IGS网站下载IONEX格式的VTEC观测数据文件；然后从所述VTEC观测数据文件中提取所述VTEC原始观测数据。其中，IGS是指国际GNSS服务机构，GNSS是指全球导航卫星系统(Global NavigationSatellite System)，IONEX格式是指电离层地图的交换格式(Ionosphere MapExchange Format)。

在所述VTEC原始观测数据中，网格点的划分规则为：纬度从87.5°到-87.5°，负号代表南纬，纬度间隔2.5°；经度从-180°到180°，负号代表西经，经度间隔5°；一共划分了5183个网格点。每天从00:00到24:00，间隔2小时测量一组数据，每组数据包含了某一时刻所有网格点的VTEC。每天生成十三个VTEC“地图”，保存在一个IONEX数据文件中，文件名格式为“cccedddh.yyI”，其中ccc代表数据分析中心代号；e代表区域，一般为“g”，即全球数据；ddd是年积日，从001至365或366；h代表时间段，一般为“0”，即全天数据；yy代表年份的最后两位；“I”代表文件格式IONEX。VTEC原始数据的单位为0.1TECU，在由VTEC计算垂直电离层延迟的公式中要乘以一个系数0.1。

步骤200，根据所述VTEC原始观测数据计算各个网格点相对于导航信号的电离层延迟。

具体地，可以根据公式

I_{L_{1}} = \frac{40.3 \cdot 0.1 \cdot VTEC}{f_{L_{1}}^{2}} \approx 0.016237 \cdot VTEC

进行所述计算，其中，

为所述电离层延迟，单位为米，

为所述导航信号的载波频率。

步骤300，利用前一时刻计算出的所述电离层延迟预测后一时刻的垂直电离层延迟。

具体可以采用如下两种方式：

方式一：短期预测方式

在该方式中认为同一个网格点在相邻两天同一时刻的电离层延迟比较接近，因此根据目标网格点的当前时刻，将前一天中与所述当前时刻相同的时刻计算出的所述电离层延迟作为所述目标网格点在当前时刻的电离层延迟预测值。具体地，可以用公式表示为：

其中，(lat，long)表示所述目标网格点的经纬度值；t_i表示所述时刻；VTEC表示所述当前时刻前一天的年积日d_n的VTEC原始观测数据，当前天的年积日为d_n+1＝d_n+1。

例如：选取日期为2010年6月份的连续五天，用年积日表示为d₁＝170，d₂＝171，d₃＝172，d₄＝173，d₅＝174，取中国境内的网格点(30°N，110°E)，令t_i＝0，2，4，…，22，分别计算出年积日d_n内t_i时刻该网格点的电离层延迟实测数值，表示为

其中n＝1，2，3，4，5。则后一天d_n+1的电离层延迟预测值可表示为：

即：

图2表示五天内电离层延迟

随时间变化的曲线，n＝1，2，3，4，5，即预测值与实测值的对比曲线，其中横坐标为t_i＝0，2，4，…，22。表1为在年积日为d_n时预测值

与实测值之间的相对误差e_n：

表1

从图2和表1中可以看出，采用短期预测方式得到的预测值与实际值的相对误差较小，因此预测效果较好。

方式二：空间预测方式

在该方式中认为网格点是基于地球的经纬度定义的，因此网格点会随着地球的自转而移动，而电离层并不紧跟着地球的自转而移动，或者说电离层相对于地球的自转而缓慢移动，因此，同一个位置的电离层对应于地球自转前后的两个网格点，这两个网格点对应的电离层延迟比较接近，可以作为预测的基础。

基于上述认识，本方式先确定在当前时刻位于目标网格点上方的电离层在前一时刻所对应的网格点，然后将确定出的该网格点在所述前一时刻计算出的所述电离层延迟作为所述目标网格点在当前时刻的电离层延迟预测值。具体地，可以用公式表示为：

其中，(lat，long0)表示地球自转前的网格点的经纬度值；(lat，long1)表示地球以15°为单位自转后的网格点的经纬度值，其中long1＝long0-(t_j-t_i)×15°/hour＝long0-30n；t_i表示所述前一时刻，t_j＝t_i+2n，n为正整数；VTEC表示当前时刻t_j所在年积日d₀中的前一时刻第t_i时刻网格点(lat，long0)的VTEC原始观测数据。

例如，取年积日d₀＝082，网格点(lat，long0)取为(20°N，120°E)，t_i＝0，2，4，…，22，且令n＝1。则t_j＝t_i+2＝2，4，…，24，long1＝long0-30＝90°，则通过上式计算得到：

图3为电离层延迟在两个不同经度网格点上的预测值

与实测值

的对比曲线，其中横坐标为t_j＝2，4，…，24。表2为预测值与实测值

之间的相对误差e_j：

表2

t_j

2h

4h

6h

8h

10h

12h

e_j

1.05％

7.52％

1.22％

5.56％

2.59％

9.66％

t_j

14h

16h

18h

20h

22h

24h

e_j

9.82％

5.62％

21.19％

15.83％

6.80％

10.00％

从图3和表2中可以看出，采用空间预测方式得到的预测值与实际值的相对误差也较小，因此也有很好的预测效果。

本实施例所述方法有效地实现了对电离层延迟的预测，获得了较好的预测效果，且运算过程简单、易于实现，为电离层延迟预测提供了新思路。

图4为本发明所述卫星导航电离层延迟的预测装置实施例的结构示意图，用以实现上述方法，如图所示，该装置包括：获取模块10、计算模块20及预测模块30，其工作原理如下：

先由获取模块10获取全球网格点电离层的VTEC原始观测数据，具体地，如图5所示，该获取模块10通过下载单元11从IGS网站下载IONEX格式的VTEC观测数据文件；并由提取单元12从下载单元11下载的所述VTEC观测数据文件中提取所述VTEC原始观测数据。

然后，由计算模块20根据获取模块10获取的所述VTEC原始观测数据计算各个网格点相对于导航信号的电离层延迟。具体地，该计算模块20可以根据公式

I_{L_{1}} = \frac{40.3 \cdot 0.1 \cdot VTEC}{f_{L_{1}}^{2}} \approx 0.016237 \cdot VTEC

进行所述计算，其中，

为所述垂直电离层延迟，

为所述导航信号的载波频率。

最后，由预测模块30利用由计算模块20在前一时刻计算出的所述电离层延迟预测后一时刻的垂直电离层延迟。具体可以采用如下两种方式：

方式一：短期预测方式

在该方式中，所述预测模块30根据目标网格点的当前时刻，将前一天中与所述当前时刻相同的时刻计算出的所述电离层延迟作为所述目标网格点在当前时刻的电离层延迟预测值。具体原理和举例说明可参见上述方法实施例的内容。

方式二：空间预测方式

在该方式中，所述预测模块30确定在当前时刻位于目标网格点上方的电离层在前一时刻所对应的网格点，将确定出的该网格点在所述前一时刻计算出的所述电离层延迟作为所述目标网格点在当前时刻的电离层延迟预测值。具体原理和举例说明可参见上述方法实施例的内容。

本实施例所述装置有效地实现了对电离层延迟的预测，获得了较好的预测效果，且运算过程简单、易于实现，为电离层延迟预测提供了新思路。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种卫星导航电离层延迟的预测方法，其特征在于，包括：

获取全球网格点电离层的VTEC原始观测数据；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取全球网格点电离层的VTEC原始观测数据包括：

从IGS网站下载IONEX格式的VTEC观测数据文件；

从所述VTEC观测数据文件中提取所述VTEC原始观测数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算各个网格点相对于导航信号的垂直电离层延迟包括：根据公式

I_{L_{1}} = \frac{40.3 \cdot 0.1 \cdot VTEC}{f_{L_{1}}^{2}} \approx 0.016237 \cdot VTEC

进行所述计算，其中，

为所述垂直电离层延迟，

为所述导航信号的载波频率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用前一时刻计算出的所述电离层延迟预测后一时刻的垂直电离层延迟包括：根据目标网格点的当前时刻，将前一天中与所述当前时刻相同的时刻计算出的所述电离层延迟作为所述目标网格点在当前时刻的电离层延迟预测值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用前一时刻计算出的所述电离层延迟预测后一时刻的垂直电离层延迟包括：确定在当前时刻位于目标网格点上方的电离层在前一时刻所对应的网格点，将确定出的该网格点在所述前一时刻计算出的所述电离层延迟作为所述目标网格点在当前时刻的电离层延迟预测值。

6.一种卫星导航电离层延迟的预测装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取全球网格点电离层的VTEC原始观测数据；

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述获取模块包括：

下载单元，用于从IGS网站下载IONEX格式的VTEC观测数据文件；

提取单元，用于从下载单元下载的所述VTEC观测数据文件中提取所述VTEC原始观测数据。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算模块用于根据公式

I_{L_{1}} = \frac{40.3 \cdot 0.1 \cdot VTEC}{f_{L_{1}}^{2}} \approx 0.016237 \cdot VTEC

进行所述计算，其中，

为所述垂直电离层延迟，为所述导航信号的载波频率。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预测模块用于根据目标网格点的当前时刻，将前一天中与所述当前时刻相同的时刻计算出的所述电离层延迟作为所述目标网格点在当前时刻的电离层延迟预测值。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预测模块用于确定在当前时刻位于目标网格点上方的电离层在前一时刻所对应的网格点，将确定出的该网格点在所述前一时刻计算出的所述电离层延迟作为所述目标网格点在当前时刻的电离层延迟预测值。