CN103197340B - 一种格网化的电离层总电子含量实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种格网化的电离层总电子含量实时监测方法。首先利用连续运行参考站网中多站的数据，建立全天电离层延迟多项式模型，解算前一天接收机硬件延迟和卫星硬件延迟。然后根据硬件延迟稳定性的特点，利用前一天的硬件延迟来修正监测当日卫星传播路径上的电离层电子浓度总含量，从而建立单历元多站多项式模型来实时监测格网化后的格网点天顶方向电离层总电子含量变化。本发明整天所有历元的实验结果表明该方法的内符合精度平均优于1TECU，外符合精度平均为1TECU。

Description

一种格网化的电离层总电子含量实时监测方法

技术领域

本发明属于大气变化监测领域，特别涉及电离层总电子含量的实时监测方法。

背景技术

作为日地空间环境的重要组成部分，电离层对现代无线电工程系统和人类的空间活动有着重要影响。电离层研究既复杂又极具意义，研究电离层不仅有利于认识电离层本身、寻找克服电离层可能造成的灾害的途径和探求利用电离层为人类造福的方法，而且有助于推动地球科学领域相关的电离层理论和应用问题的研究与发展。全球定位系统(GPS)问世以后，由于它具有高精度、高可靠性、数据量大、全方位、全天候和连续观测等优点，因此利用GPS来监测电离层变化受到人们的普遍关注。

在电离层监测研究中，很多学者从不同角度提出了不同的指数指标来衡量电离层行扰或电离层闪烁的严重程度，包括基于GPS信号功率强度的振幅闪烁指数S4和相位闪烁指数，电离层I₉₅指数，电离层电子浓度总含量(TEC)扰动指数ROT，电离层扰动指数标准差ROTI指数等。S4指数定义为信号强度的均值归一化的信号强度的标准差，通常以每分钟计算得到一个值。相位闪烁指数通常是指载波相位的标准差。电离层I₉₅指数是基于双差的电离层值，根据每小时所有网络参考站的所有卫星的电离层改正数来计算。电离层TEC扰动指数ROT是指TEC的变化率，ROTI是指一分钟内ROT的标准差。因此可以看出这些指数都是基于统计原理，实时性差，而且不能根据总电子含量的具体量变信息进行监测。

发明内容

发明目的：提供一种格网化的电离层总电子含量实时监测方法，克服传统方法中基于统计原理监测电离层总电子数精度低，实时性差的缺点。

技术方案：

一种格网化的电离层总电子含量实时监测方法，包括以下步骤：

步骤1)，区域格网化：

根据监测区域的大小，划分好具有纬差和经差的格网，并确定各格网点的经纬度；

步骤2)，读取监测日前一天的a(a为大于3的自然数)个CORS网多站导航文件和观测文件，并对观测文件进行数据预处理；

数据预处理包括粗差剔除，周跳探测与修复，高度截止角的处理，伪距值的优化以及穿刺点的确定；

步骤3)，采用所述步骤2)中读取的导航文件和经过数据预处理的观测文件数据，建立监测日前一天全天电离层延迟多站多项式模型计算DCB：

电离层TEC多项式模型为：

式中E_ik为模型系数；S₀为测区中心点(φ₀，λ₀)在该时段中央时刻t₀的太阳时角，φ₀为测区中心地理纬度，λ₀为测区中心点的地理经度，S是穿刺点在时刻t的太阳时角，其中s-s₀＝(λ-λ₀)+(t-t₀)，λ，分别为信号路径与单层交点，即穿刺点的地理经度和地理纬度，t为观测时刻；n，m为多项式展开的阶数；Z为穿刺点天顶距；dq_j，dqⁱ分别是接收机和卫星DCB； 为双频P码伪距观测量；

其中，采用分段常数的方法计算卫星DCB和接收机DCB；计算DCB时采用欧洲定轨中心约束条件：

$\underset{i=0}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}{q}^i=0$

其中b为卫星个数，qⁱ为i卫星的DCB；

步骤4)，将所述步骤3)中计算所得的检测日前一天卫星DCB和接收机DCB代入监测当日的电离层TEC多项式模型中，忽略时间维信息，建立单历元的电离层TEC多项式模型：

式中E_ik为模型系数；λ，分别为信号路径与单层交点，即穿刺点的地理经度和地理纬度；φ₀为测区中心地理纬度，λ₀为测区中心点的地理经度； 为双频P码伪距观测量；dq_j，dgⁱ分别是前一天的接收机和卫星DCB；

步骤5)，将所述步骤1)中确定的格网点的经纬度代入所述步骤4)中建立的单历元电离层TEC多项式模型中，计算各格网点天顶方向的电离层TEC值，建立时间序列，从而达到实时监测的目的。

作为本发明的改进，所述步骤3)中建立全天电离层延迟模型进行分段常数解算DCB时，采用相位平滑伪距的技术，并且平滑数据是完整弧段。

有益效果：

(1)采用格网化的方法，从而能够监测到具体位置处天顶方向的电离层总电子含量变化。

(2)利用多站数据实时建立的电离层TEC多项式模型，能够得出TEC的具体量变信息，且模型的内符合精度优于1TECU，外符合精度约为1TECU(1TECU＝i0¹⁶电子数/m³)，提高了监测的实时性。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是根据区域划分格网图；

图3是实时监测模型内符合精度；

图4是采用CORS测站相对位置；

图5是实时监测模型外符合精度；

图6是某格网点天顶方向TEC周日变化。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种格网化的电离层总电子含量实时监测方法，包括以下步骤：

步骤1)，区域格网化：

如图2所示，选择江苏范围作为监测区域，首先根据江苏区域划分好经差和纬差为0.5°×0.5°的格网，确定各格网点的经纬度。

步骤2)，读取JSCORS(JSCORS：江苏省连续运行卫星定位参考站综合服务系统)2009年2月6日Btrd：如东站，btxh：兴化站，btyx：宜兴站三站导航文件和观测文件，并对观测文件进行数据预处理；

数据预处理包括粗差剔除，周跳探测与修复，高度截止角的处理，伪距值的优化以及穿刺点的确定。

步骤3)，采用步骤2)中读取的导航文件和经过数据预处理的观测文件数据，建立监测日前一天全天电离层延迟多站多项式模型计算DCB：

电离层TEC多项式模型为：

式中E_ik为模型系数；s₀为测区中心点(φ₀，λ₀)在该时段中央时刻t₀的太阳时角，φ₀为测区中心地理纬度，λ₀为测区中心点的地理经度，S是穿刺点在时刻t的太阳时角，其中s-s₀＝(λ-λ₀)+(t-t₀)，λ，分别为信号路径与单层交点，即穿刺点的地理经度和地理纬度，t为观测时刻；n，m为多项式展开的阶数，本实施例中n＝3，m＝2；Z′为穿刺点天顶距；dq_j，dqⁱ分别是接收机和卫星DCB； 为双频P码伪距观测量；

然后，采用分段常数的方法计算卫星DCB和接收机DCB，即将一天内的卫星DCB和接收机DCB当作常数来进行估计。

由于伪距观测值精度较低，为了提高电离层TEC多项式模型中伪距观测值的精度，本实施例中采用相位平滑伪距的技术，并且保证了平滑数据是完整弧段。由于将接收机和卫星DCB分别设置成独立参数，进行最小二乘估计时，法方程系数阵秩亏，不能直接解算，因此，同时采用欧洲定轨中心(CODE)约束条件：

$\underset{i=0}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}{q}^i=0$

其中b为卫星个数，qⁱ为i卫星的DCB。

步骤4)，将步骤3)中计算所得的检测日前一天卫星DCB和接收机DCB代入2月7日Btrd：如东站，btxh：兴化站，btyx：宜兴站三站数据建立的实时模型中，其中数据采样率15s，高度截止角为15度，忽略时间维信息，建立单历元的电离层TEC多项式模型：

式中E_ik为模型系数；λ，分别为信号路径与单层交点，即穿刺点的地理经度和地理纬度；φ₀为测区中心地理纬度，λ₀为测区中心点的地理经度； 为双频P码伪距观测量；dq_j，dqⁱ分别是前一天的接收机和卫星DCB。

步骤5)，将步骤1)中确定的格网点的经纬度代入所述步骤4)中建立的单历元电离层TEC多项式模型中，计算各格网点天顶方向的电离层TEC值，建立时间序列，从而达到实时监测的目的。

将历元的电离层TEC多项式模型中公式右端投影到天顶方向计算的观测值与公式左端计算的模型值作差，按如下公式统计其内符合精度。

$\mathrm{RMS}=\sqrt{\frac{V^T\mathrm{PV}}{n-1}}$

式中，V为观测值与模型值之差，n为穿刺点总数，P为权阵。

结果如图3所示，可以看出，内符合精度大部分都在1TECU左右。

为了进一步验证该方法的精度情况，采用njpk：浦口站同一天相应同一历元数据来检验该模型的外符合精度，各站之间的相对位置如图4所示，各站间的距离大概为150km左右。计算外符合精度时，只对建模覆盖范围内的穿刺点进行统计，结果如图5所示，可以看出整体外符合精度比较平稳，都在1TECU左右，少数几个历元精度偏大。

因此结果表明，基站间距离150km左右时，多站多项式模型建立的实时电离层模型内符合精度平均为0.946TECU，外符合精度平均为0.948TECU。分析图3、图5结果，可以看出实时模型的精度大部分在1TECU左右，但是有少数历元达到2～3TECU。其原因，是在这些历元中，都出现卫星穿刺点纬度较小，因而偏离建模覆盖中心区域较大的情况。这样就导致了建模的穿刺点整体分布不均匀，因而模型精度降低。因此，在区域电离层实时监测中，采用多站建模优点在于穿刺点数目增多，覆盖的区域增大，分布也变均匀，因而模型的内符合和外符合精度提高。

根据内符合RMS，外符合RMS精度统计结果，表明利用实时电离层TEC多项式模型可以来监测某格网点天顶方向一天24小时的总电子含量变化。如图6所示，该图为(32.0°，118.5°)格网点天顶方向2009年2月7日TEC的周日变化图。

将图中UT时转换成地方时可以看出，从早上6点30分左右起，随着太阳升起TEC含量开始增大，到太阳活动剧烈的中午12点到14点左右达到最大值，然后开始减小，直到太阳降落，而夜间TEC含量则比较稳定。

因此，对于一定区域的电离层，可以利用本发明提出的方法，对各个格网点来监测电离层总电子含量的实时变化情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种格网化的电离层总电子含量实时监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)，区域格网化：

根据监测区域的大小，划分好具有纬差和经差的格网，并确定各格网点的经纬度；

步骤2)，读取监测日前一天的a(a为大于3的自然数)个CORS网多站导航文件和观测文件，并对观测文件进行数据预处理；

数据预处理包括粗差剔除，周跳探测与修复，高度截止角的处理，伪距值的优化以及穿刺点的确定；

步骤3)，采用所述步骤2)中读取的导航文件和经过数据预处理的观测文件数据，建立监测日前一天全天电离层延迟多站多项式模型计算DCB：

电离层TEC多项式模型为：

式中E_ik为模型系数；s₀为测区中心点(φ₀，λ₀)在该时段中央时刻t₀的太阳时角，φ₀为测区中心地理纬度，λ₀为测区中心点的地理经度，S是穿刺点在时刻t的太阳时角，其中s-s₀＝(λ-λ₀)+(t-t₀)，λ，分别为信号路径与单层交点，即穿刺点的地理经度和地理纬度，t为观测时刻；n，m为多项式展开的阶数；Z′为穿刺点天顶距；dq_j，dqⁱ分别是接收机和卫星DCB； 为双频P码伪距观测量；

其中，采用分段常数的方法计算卫星DCB和接收机DCB；计算DCB时采用欧洲定轨中心约束条件：

$\underset{i=0}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}{q}^i=0$

其中b为卫星个数，qⁱ为i卫星的DCB；

步骤4)，将所述步骤3)中计算所得的检测日前一天卫星DCB和接收机DCB代入监测当日的电离层TEC多项式模型中，忽略时间维信息，建立单历元的电离层TEC多项式模型：

式中E_ik为模型系数；λ，分别为信号路径与单层交点，即穿刺点的地理经度和地理纬度；φ₀为测区中心地理纬度，λ₀为测区中心点的地理经度； 为双频P码伪距观测量；dq_j，dqⁱ分别是前一天的接收机和卫星DCB；

步骤5)，将所述步骤1)中确定的格网点的经纬度代入所述步骤4)中建立的单历元电离层TEC多项式模型中，计算各格网点天顶方向的电离层TEC值，建立时间序列，从而达到实时监测的目的。

2.根据权利要求1所述的一种格网化的电离层总电子含量实时监测方法，其特征在于：

所述步骤3)中建立全天电离层延迟模型进行分段常数解算DCB时，采用相位平滑伪距的技术，并且平滑数据是完整弧段。