CN102928850A - 一种广域电离层误差改正新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种广域电离层误差改正新方法，根据电离层监测站的分布，选择一个地理位置居中的监测站作为中心站，与两个向外辐射的边缘站构成三角几何图形，作为一个三角分区。把监测站覆盖区域划分为若干三角分区组成的区域，建立覆盖整个网络服务区域的三角分区电离层模型。根据用户电离层穿刺点所落在的三角分区解算得到的三个顶点（监测站）处的垂向电离层延迟，通过距离幂指数权重法，求出穿刺点处的电离层数据（VTEC）。再通过倾斜因子转化为站-星斜向电离层含量（TEC）。该方法能根据中国地形分布难以建立格网模型的特点，解决我国区域电离层精确改正的问题。

Description

一种广域电离层误差改正新方法

技术领域

本发明涉及卫星导航系统，具体是一种广域电离层误差改正新方法。 

背景技术

电离层延迟误差是影响卫星导航定位精度最大的误差源，也是改善我国北斗卫星导航系统定位精度迫切需要解决的重要问题之一。国内外众多学者在这方面做了大量卓有成效的工作。双频接收机用户可以利用电离层延迟与信号频率的平方反比关系，采用双频组合方式削弱该影响；对于单频接收机用户，电离层延迟修正通常有两种方法：一是基于导航电文的电离层延迟预报模型，如GPS导航电文中的Klobuchar模型，可以消除60%左右的电离层延迟误差；二是采用实时差分电离层格网模型，如WAAS格网模型，可以消除80%左右的电离层延迟误差。但是以上方法都有各自的不足之处，如Klobuchar模型的总体精度不高，难以应对高精度的导航定位研究；WASS格网电离层改正模型对版图比较规整且处于中纬度地区的美国是比较合适的，但中国版图呈雄鸡状不规整分布，且低纬度区域在版图中占据的比例较大，采用WAAS格网电离层改正模型，难以从整体上实现我国区域电离层精确改正。 

发明内容

本发明的目的是要提供一种广域电离层误差改正新方法，该方法能根据中国地形分布难以建立格网模型的特点，解决我国区域电离层精确改正的问题。 

实现本发明目的的技术方案是： 

一种广域电离层误差改正新方法，根据电离层监测站的分布，选择一个地理位置居中的监测站作为中心站，与两个向外辐射的边缘站构成三角几何图形，作为一个三角分区。把监测站覆盖区域划分为若干三角分区组成的区域，建立 覆盖整个网络服务区域的三角分区电离层模型。根据用户电离层穿刺点所落在的三角分区解算得到的三个顶点（监测站）处的垂向电离层延迟，通过距离幂指数权重法，求出穿刺点处的电离层数据（VTEC）。再通过倾斜因子转化为站-星斜向电离层含量（TEC）。 

一种广域电离层误差改正新方法，具体包括如下步骤： 

（1）三角分区的划分 

根据电离层监测站的分布，选择一个地理位置居中的监测站作为中心站，与两个向外辐射的边缘站构成三角几何图形，作为一个三角分区。将区域根据电离层监测站的分布划分为若干三角分区； 

（2）穿刺点位置及倾斜因子的解算 

穿刺点纬度φ_pp＝arcsin(sinφ_ucosψ_pp+cosφ_usinψ_ppcosAZ)，穿刺点经度  ${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pp}}={\mathrm{\λ}}_u+\arcsin \left(\frac{{\sin \mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pp}}\sin \mathrm{AZ}}{{\cos \mathrm{\φ}}_{\mathrm{pp}}}\right),$ 倾斜因子 $F=\frac{1}{\sin E^{\′}}=\frac{1}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{Re}+h}{\mathrm{Re}+\mathrm{hi}}\cos E\right)}^2}}$

其中AZ为方位角，  ψ_pp为地心角，(φ_u,λ_u)为用户位置，Re为地球平均半径，E为用户仰角，E′为穿刺点IPP的仰角，h和hi分别为电离层监测站和最大电子浓度距地面的高程； 

（3）电离层监测站及电离层下点（即穿刺点在地球表面的投影点）的大地坐标转化为大地直角坐标  $\begin{array}{c}x=(N+H)\cos B\cos L\\ y=(N+H)\cos B\sin L\\ z=[N(1-e^2)+H]\sin B\end{array},$ 其中 $N=\frac{a}{W}=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\sin }^{2}B}},$ (B,L,H)表示测站/电离层下点的纬度、经度和高程，(x，y，z)表示相应的大地直角坐标，N为地球面卯酉圈的曲率半径，e为地球的第一偏心率，a为地球的长半径； 

（4）距离幂指数权重法内插（IDW） 

监测站到电离层下点的距离： 

$d_i=\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2+{(z_i-z_0)}^2}$ d中点(x_i,y_i,z_i)为测站大地直角坐标，点(x₀,y₀,z₀)为穿刺点的电离层下点的大地直角坐标 

$Z(x_0,y_0,z_0)=\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_i\×w_i\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·d_i\≠0\\ Z_i\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·d_i=0\end{array}\right.,,$ 其中权重 $w_i=\frac{\frac{1}{d_i^k}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{d_i^k}},$ k为权重系数，Z_i为点(x_i,y_i,z_i)垂向TEC值(即监测站天顶方向的TEC)。Z(x₀,y₀,z₀)为电离层穿刺点处的VTEC值。 

（5）利用插值得到的穿刺点的电离层延迟及倾斜因子解算得到斜向电离层延迟误差

本发明的有益效果是： 

与格网电离层模型相比，该方法无须把电离层参考面划分成大量的网格单元，降低了计算的复杂性；仅利用穿刺点所在三角形区域的三个顶点的校正数据进行加权计算，降低了导航电文的负荷；一个三角形区域的服务范围是一个网格服务范围的若干倍，减少了区域间过渡时服务切换的频率。利用本方法进行中纬度地区电离层延迟误差修正的结果表明，对于三角形内部区域，该方法可以达到90%左右；对于三角形外部几百公里以内的区域该方法也能达到较高的修正精度达到80%以上，修正结果明显优于格网电离层模型，对广域电离层延迟误差的修正具有重要的参考价值。 

附图说明

图1为广域电离层改正三角分区法示意图； 

图2为中纬度地区电离层改正三角分区法的组网结构示意图； 

图3为不同权重系数条件下的三角分区法验证内部区域的拟合精度（9月8 日UT 0:00-24:00）； 

图4为不同权重系数条件下的三角分区法验证外部区域的拟合精度（9月8日UT 0:00-24:00）。 

具体实施方式

选择中国地震电离层监测试验网的长春、上海、西安、拉萨、塔什库尔干、乌什、德令哈、盐池、西宁、蓟县、泰安、郑州、海拉尔等13个基准站9月5、6、7、8、9、11号6天的垂向观测数据，数据采样间隔为1h，按照电离层改正三角分区法进行了大量的试算，其中前5个站视为构建中纬度地区区域电离层模型的基准站，后8个站看成检验模型改正效果的监控站。 

根据现有的测站分布，把中纬度地区的五个基准站以西安为中心划分为三个三角形分区域，如图2所示。即1长春、西安和上海；2长春、西安和塔什库尔干；3拉萨、西安和塔什库尔干。分别对相应三角形分区域内和区域外的监控站进行电离层改正三角分区法试算，内部验证：利用长春、西安、塔什库尔干三站的垂向电离层监测数据分别拟合其内部区域的德令哈、盐池、西宁和蓟县四个站的垂向数据；利用长春、西安、郑州三站的垂向电离层监测数据拟合其内部区域的泰安和郑州站的垂向数据。外部验证：利用长春、西安、塔什库尔干三站的垂向电离层监测数据拟合其外部区域的乌什和海拉尔站的垂向数据；利用拉萨、西安和塔什库尔干三站的数据拟合其外部区域的德令哈和西宁站的垂向数据。区域内和区域外不同权重系数试算得到不同的拟合精度，分别如图3和图4所示。表1和表3为内部验证的标准差和修正精度统计； 

表2 和表4为外部验证的标准差和修正精度统计。 

通过上面统计分析结果可知，当权重系数k=1时，该方法有很好的拟合精度。三角形分区域内可以消除百分之九十左右的电离层延迟（德令哈90%，盐 池94%，西宁88%，蓟县94%，泰安92%和郑州95%），反映了模型的精度特征。对三角形分区域外部几百公里以内区域也有比较高的精度可以达到百分之八十以上（乌什90%，海拉尔85%，德令哈86%和西宁87%），且仅使用了五个监测站就实现了对我国几乎整个中纬度地区的服务覆盖，实现了稀疏组网。统计分析表明，在中纬度地区，采用三角分区法不仅对其内部的电离层改正起到理想的作用，对于三角形外部几百公里以内的区域该方法也能达到较高的修正精度。内部区域标准差统计 

表1 为9月5日-9月11日6天不同权重系数下的各监测站的标准差(TECU)外部区域标准差统计 

表2为9月5日-9月11日6天不同权重系数下的各监测站的标准差(TECU)区域内修正度 

表3为9月5日-9月11日6天不用权重系数下的修正量统计区域外修正度 

表4为9月5日-9月11日6天不同权重系数下的修正量统计。 

Claims (1)

1.一种广域电离层误差改正新方法，其特征是：包括如下步骤：

（1）三角分区的划分

根据电离层监测站的分布，选择一个地理位置居中的监测站作为中心站，与两个向外辐射的边缘站构成三角几何图形，作为一个三角分区；将区域根据电离层监测站的分布划分为若干三角分区；

（2）穿刺点位置及倾斜因子的解算

穿刺点纬度φ_pp＝arcsin(sinφ_ucosψ_pp+cosφ_usinψ_ppcosAZ)，穿刺点经度 ${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pp}}={\mathrm{\λ}}_u+\arcsin \left(\frac{{\sin \mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pp}}\sin \mathrm{AZ}}{{\cos \mathrm{\φ}}_{\mathrm{pp}}}\right),$ 倾斜因子 $F=\frac{1}{\sin E^{\′}}=\frac{1}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{Re}+h}{\mathrm{Re}+\mathrm{hi}}\cos E\right)}^2}}$

其中AZ为方位角， ψ_pp为地心角，(φ_u,λ_u)为用户位置，Re为地球平均半径，E为用户仰角，E′为穿刺点IPP的仰角，h和hi分别为电离层监测站和最大电子浓度距地面的高程；

（3）电离层监测站及电离层下点（即穿刺点在地球表面的投影点）的大地坐标转化为大地直角坐标 $\begin{array}{c}x=(N+H)\cos B\cos L\\ y=(N+H)\cos B\sin L\\ z=[N(1-e^2)+H]\sin B\end{array},$ 其中 $N=\frac{a}{W}=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\sin }^{2}B}},$ (B,L,H)表示测站/电离层下点的纬度、经度和高程，(x,y,z)表示相应的大地直角坐标，N为地球面卯酉圈的曲率半径，e为地球的第一偏心率，a为地球的长半径；

（4）距离幂指数权重法内插（IDW）

监测站到电离层下点的距离： $d_i=\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2+{(z_i-z_0)}^2}$ 其中点(x_i,y_i,z_i)为测站大地直角坐标，点(x₀,y₀,z₀)为穿刺点的电离层下点的大地直角坐标 $Z(x_0,y_0,z_0)=\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_i\×w_i\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·d_i\≠0\\ Z_i\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·d_i=0\end{array}\right.,,$ 其中权重 $w_i=\frac{\frac{1}{d_i^k}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{d_i^k}},$ k为权重系数，Z_i为点(x_i,y_i,z_i)垂向TEC值(即监测站天顶方向的TEC)；Z(x₀,y₀,z₀)为电离层穿刺点处的VTEC值；

（5）利用插值得到的穿刺点的电离层延迟及倾斜因子解算得到斜向电离层延迟误差

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