CN103969660A - 电离层误差修正方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了本发明提出的电离层误差修正方法，该方法以国际参考电离层模型为基础，通过建立各时间段上任意经纬度处电子浓度总含量的IRI模型理论值相对于实测值的修正比例模型，利用该模型，确定出服务区内预设基准点到导航卫星路径上电子浓度总含量估计值，用户根据该估计值可以得到相应的电离层误差修正值。这种直接对用户与导航卫星斜向路径上的电离层误差进行修正，得到斜向电离层误差修正值的方法，可以避免垂向TEC到斜向TEC的转换过程所带来的系统误差、有效提高卫星导航信号电离层时延修正的精确度。

Description

电离层误差修正方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术，特别是涉及一种电离层误差修正方法。

背景技术

目前，多数全球卫星导航定位系统(GNSS)自身会在广播星历中预报电离层模型参数，供各单频用户实时开展电离层误差修正。如GPS系统采用的Klobuchar模型，Galileo系统采用的NeQuick模型，北斗系统采用的类Klobuchar模型。

Klobuchar模型是由美国科学家J.A.Klobuchar于1987年提出的，GPS卫星导航电文中播发其模型参数供用户使用，这一模型对电离层的时空变化与地球、太阳直接的相对运行之间的密切关系有着最简单、最直接的描述。从大尺度上保证了电离层预报的可靠性，是一种比较实用而有效的方法。该模型的修正精度较低，一般在40％～60％左右，近年来很多学者对Klobuchar模型进行了改进，使得修正精度得到改善。

NeQuick模型是由意大利萨拉姆国际理论物理中心的高空物理和电波传播实验室与奥地利格拉茨大学的地球物理、气象和天体物理研究所联合研究得到的新电离层模型,该模型已经在欧空局EGNOS项目中使用,并建议Galileo系统的单频用户采纳来修正电离层延迟。该模型不仅可以计算在任意点的垂直方向电子总含量和斜距方向上得电子总含量，也可以用参数NmF2(F2层的电子密度)和hmF2(F2层峰值的高度)来表示给定时间和位置的电子浓度，从而得到电离层的垂直电子剖面图。

北斗系统目前采用的是与GPS系统的Klobuchar模型相似的电离层误差修正模型。由于Klobuchar模型不需要环境参数、计算量小、实时性好，北斗区域系统卫星信号的导航电文中包含有类Klobuchar模型参数，为接收机提供电离层延迟校正数据。

随着卫星导航应用的逐步深入和电离层物理研究的不断进展，从二十世纪九十年代以来，国内外学者对电离层折射误差实时修正模型进行了深入研究，取得了一定的进展，如格网电离层模型、电离层球谐函数模型、各类其他函数模型、全球电离层同化模型等等。

纵观上述已有的用于卫星导航的电离层模型，其基础模型基本上都建立在所谓“电离层薄层模型”的基础上，主要思路是：将电离层看作是一个距离地面350km高度左右的薄层，将斜向电离层时延以简单的投影关系(仅依赖于仰角)归算到垂直方向，对垂向电离层时延进行水平空间和时间三维建模，发播模型参数，用户按照垂向时延到斜向时延的投影关系，反推斜向时延，完成电离层误差的修正。上述薄层模型在电离层时延从垂向到斜向的折算中，不可避免地引入系统误差，已经成为限制电离层模型精度的主要因素之一。

目前尚未提出一种可以避免系统误差、具有较高精确度的电离层误差修正方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种电离层误差修正方法，该方法可以有效提高卫星导航信号电离层时延修正的精确度。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种电离层误差修正方法，包括：

a、将一天划分为N个时间段，在预设统计周期内的每个所述时间段，对于监测站在该时间段内可以搜索到的每颗导航卫星，确定该监测站至该导航卫星路径上的电子浓度总含量的实测值TEC_OBS，并利用国际电离层参考IRI模型，计算所述路径上的电子浓度总含量的IRI模型理论值TEC_IRI，计算所述TEC_OBS与所述TEC_IRI的比值T_OBS/IRI；

b、对于每个所述时间段，根据该时间段内的每个所述比值T_OBS/IRI以及每个所述比值T_OBS/IRI对应的所述监测站至卫星路径上的穿刺点的经纬度坐标，以经纬度坐标为自变量，在二维空间中关于监测站至每个所述导航卫星路径上的电子浓度总含量的实测值与IRI模型理论值的比值进行建模，得到该时间段的任意经纬度处电子浓度总含量的IRI模型理论值相对于实测值的修正比例模型；

c、对于服务区内的每个预设基准点，利用每个所述时间段的所述修正比例模型，确定在每个所述时间段该基准点至其可观测到的每个导航卫星路径上的电子浓度总含量的实际估计值；

d、对于服务区内的每个用户，根据在每个所述时间段服务区内每个指定的基准点至对应的每个导航卫星路径上的电子浓度总含量的所述实际估计值，计算在每个所述时间段该用户至对应的每个导航卫星路径上的电子浓度总含量的实际估计值，将所计算的结果作为该用户的对应路径上的斜向电离层误差修正值。

综上所述，本发明提出的电离层误差修正方法，以国际参考电离层模型为基础，建立反映电离层实时特征的修正比例模型，利用该模型，确定出服务区内预设基准点到导航卫星路径上电子浓度总含量估计值，用户根据该估计值可以得到相应的电离层误差修正值。这种直接对用户与导航卫星斜向路径上的电离层误差进行修正，得到斜向电离层误差修正值的方法，可以避免现有方法中由于从垂向到斜向的折算而引入的系统误差、有效提高卫星导航信号电离层时延修正的精确度。

附图说明

图1为本发明实施例一的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

国际参考电离层(International Reference Ionosphere，IRI)是国际空间研究委员会(COSPAR)和国际无线电科学协会联盟联合支持的一个项目，该项目成果—几种版本的IRI模型以及模型所有可用的数据源均已公开。IRI模型，是根据全球测高仪网、雷达观测等长期积累的大量地面和卫星观测的电离层参量拟合出来的经验模型，能够提供电离层电子浓度和温度随高度和太阳地磁活动的变化，对于给定的位置、时间，IRI模型能够提供从50公里至2000公里高度范围内每月平均的电子密度、电子温度、离子温度等。

IRI模型能够较好地反映全球平静电离层的平均状态，经过长期验证，IRI模型成熟度高，修正精度为50％～70％，且国际上有专门的IRI工作组持续负责它的更新和完善，是一个被广泛使用和认可的国际参考电离层模型。

考虑到国际参考电离层模型的成熟性，基于此构建电离层修正方法，将能够很好地体现电离层的平均状态，从而可以确保构建的电离层背景模型具有很好的实用性。

本发明的核心思想是：以国际电离层参考模型(IRI)为基础模型，对于监测站至卫星路径上的电子浓度总含量的IRI理论值与实测值的比例值，在水平空间上进行建模，得到任意经纬度处电子浓度总含量的IRI模型理论值相对于实测值的修正比例模型，然后由中心站根据该修正比例模型确定出服务区内预设基准点到导航卫星路径上电子浓度总含量估计值。这样，用户即可根据该估计值得到相应的电离层误差修正值。由于这里直接以斜向TEC进行建模，因此，不需要进行垂向到斜向的折算，从而可以大幅度提高卫星导航信号电离层时延修正的精确度。

图1为本发明实施例一的流程示意图，如图1所示，该实施例主要包括：

步骤101、将一天划分为N个时间段，在预设统计周期内的每个所述时间段，对于监测站在该时间段内可以搜索到的每颗导航卫星，确定该监测站至该导航卫星路径上的电子浓度总含量的实测值TEC_OBS，并利用国际电离层参考IRI模型，计算所述路径上的电子浓度总含量的IRI模型理论值TEC_IRI，计算所述TEC_OBS与所述TEC_IRI的比值T_OBS/IRI。

本步骤中，需要在统计周期内的每个时间段确定该时间段上监测站至各导航卫星路径上的电子浓度总含量的实测值与理论值的比值，以便在步骤102中进行建模得到能够反映电离层实时特征的修正比例模型。

在实际应用中，统计周期的时间越长，则模型的精确度越高，但是由于数据量的增加，算法的运算量也较增加，具体时长可由本领域技术人员根据实际需要进行设置，可以为一天、一周、一季度等。

这里，需要将一天划分为多个时间段，时间段的具体时长可以为M个小时，M为小于24的自然数。

本步骤中，所述TEC_OBS与所述TEC_IRI的具体计算方法为本领域人员所掌握，在此不再赘述。

步骤102、对于每个所述时间段，根据该时间段内的每个所述比值T_OBS/IRI以及每个所述比值T_OBS/IRI对应的所述监测站至卫星路径上的穿刺点的经纬度坐标，以经纬度坐标为自变量，在二维空间中关于监测站至每个所述导航卫星路径上的电子浓度总含量的实测值与IRI模型理论值的比值进行建模，得到该时间段的任意经纬度处电子浓度总含量的IRI模型理论值相对于实测值的修正比例模型。

本步骤用于利用步骤101得到的所述比值，建立各时间段的修正比例模型。

本步骤中具体的建模方法为本领域人员所掌握，在此不再赘述。这里需要说明的是当统计周期的时长包括W(W>1)天时，步骤101中对于每个时间段在每个路径上将会得到W个数据，此时基于该W个数据的均值建立所述修正比例模型。

步骤103、对于服务区内的每个预设基准点，利用每个所述时间段的所述修正比例模型，确定在每个所述时间段该基准点至其可观测到的每个导航卫星路径上的电子浓度总含量的实际估计值。

本步骤中，用于确定在每个所述时间段，各基准点到其可观测到的每个导航卫星路径上的电子浓度总含量的实际估计值，以便后续步骤中，服务区内的用户基于此得到在每个所述时间段该用户至对应的每个导航卫星路径上的电子浓度总含量的实际估计值。

较佳地，本步骤可以采用下述方法实现：

对于服务区内的每个预设基准点，利用每个所述时间段的所述修正比例模型，对于在该基准点可观测到的每个导航卫星，根据该基准点至该导航卫星路径上的穿刺点的经纬度坐标，计算在每个所述时间段该基准点至该导航卫星路径上的电子浓度总含量的修正比例值，并利用IRI模型，计算在每个所述时间段该基准点至该导航卫星路径上的电子浓度总含量的IRI模型理论值，将每个所述时间段的所述修正比例值与对应的所述IRI模型理论值相乘，得到在每个所述时间段该基准点至该导航卫星路径上的电子浓度总含量的实际估计值。

步骤104、对于服务区内的每个用户，根据在每个所述时间段服务区内每个指定的基准点至对应的每个导航卫星路径上的电子浓度总含量的所述实际估计值，计算在每个所述时间段该用户至对应的每个导航卫星路径上的电子浓度总含量的实际估计值，将所计算的结果作为该用户的对应路径上的斜向电离层误差修正值。

本步骤中，利用基准点至对应的每个导航卫星路径上的电子浓度总含量的所述实际估计值，计算得到的在每个所述时间段用户至对应的每个导航卫星路径上的电子浓度总含量的实际估计值，即为用户至对应的每个导航卫星路径上的斜向电离层误差修正值。具体的计算方法为本领域技术人员所掌握，在此不再赘述。

在实际应用中，对于每个用户，指定服务区内的哪些基准点，利用其电子浓度总含量的所述实际估计值，来计算斜向电离层误差修正值，可由本领域技术人员根据实际情况选择一个或多个，在此不再赘述。

上述方法中，以国际参考电离层模型为基础，采用实时数据驱动，构建反映电离层实时特征的修正比例模型，在此基础上，直接对用户与导航卫星斜向路径上的电离层误差进行修正。相比已有的基于“薄层模型”的既有方法，本发明巧妙地回避了垂向TEC到斜向TEC的转换过程所带来的误差，可以大幅度提高电离层误差修正的精确度；相比NeQuick模型和双/多薄层模型，本发明基于相对成熟的国际参考电离层模型，具有更强的实用性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电离层误差修正方法，其特征在于，包括：

a、将一天划分为N个时间段，在预设统计周期内的每个所述时间段，对于监测站在该时间段内可以搜索到的每颗导航卫星，确定该监测站至该导航卫星路径上的电子浓度总含量的实测值TEC_OBS，并利用国际电离层参考IRI模型，计算所述路径上的电子浓度总含量的IRI模型理论值TEC_IRI，计算所述TEC_OBS与所述TEC_IRI的比值T_OBS/IRI；

b、对于每个所述时间段，根据该时间段内的每个所述比值T_OBS/IRI以及每个所述比值T_OBS/IRI对应的所述监测站至卫星路径上的穿刺点的经纬度坐标，以经纬度坐标为自变量，在二维空间中关于电子浓度总含量的实测值与IRI模型理论值的比值进行建模，得到该时间段的任意经纬度处电子浓度总含量的IRI模型理论值相对于实测值的修正比例模型；

c、对于服务区内的每个预设基准点，利用每个所述时间段的所述修正比例模型，确定在每个所述时间段该基准点至其可观测到的每个导航卫星路径上的电子浓度总含量的实际估计值；

d、对于服务区内的每个用户，根据在每个所述时间段服务区内每个指定的基准点至对应的每个导航卫星路径上的电子浓度总含量的所述实际估计值，计算在每个所述时间段该用户至对应的每个导航卫星路径上的电子浓度总含量的实际估计值，将所计算的结果作为该用户的对应路径上的斜向电离层误差修正值。

2.根据权利要求1所述的修正方法，其特征在于，所述步骤c包括：

对于服务区内的每个预设基准点，利用每个所述时间段的所述修正比例模型，对于在该基准点可观测到的每个导航卫星，根据该基准点至该导航卫星路径上的穿刺点的经纬度坐标，计算在每个所述时间段该基准点至该导航卫星路径上的电子浓度总含量的修正比例值，并利用IRI模型，计算在每个所述时间段该基准点至该导航卫星路径上的电子浓度总含量的IRI模型理论值，将每个所述时间段的所述修正比例值与对应的所述IRI模型理论值相乘，得到在每个所述时间段该基准点至该导航卫星路径上的电子浓度总含量的实际估计值。

3.根据权利要求1所述的修正方法，其特征在于，所述时间段的时长为M个小时，M为小于24的自然数。