CN104536019A - 一种利用电离层空间相关性实现的gnss电离层延迟修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电离层空间相关性实现的GNSS电离层延迟修正方法，其中，所述方法包括：电离层延迟空间分布统计；电离层延迟空间相关性函数估计；电离层网格模型估计；用户测量伪距电离层延迟修正。本发明的目的在于提供一种利用电离层空间相关性实现的卫星导航区域增强系统电离层延迟修正方法，该方法利用中国区域GNSS电离层环境观测数据，建立描述电离层延迟空间相关性的模型，并利用电离层延迟空间相关模型进行电离层网格点和用户伪距测量中的电离层延迟估计。

Description

一种利用电离层空间相关性实现的GNSS电离层延迟修正方法

技术领域

本发明涉及卫星导航区域增强系统应用领域，尤其涉及一种利用电离层空间相关性实现的GNSS电离层延迟修正方法，是中国区域卫星导航增强系统用户差分定位中的电离层延迟误差修正技术。

背景技术

电离层延迟误差是影响全球导航卫星系统(GNSS)定位的最大误差源(人为因素除外)。卫星导航区域增强系统利用区域监测站网络，估计包括电离层延迟误差、轨道误差在内的多种误差，并通过星历播发给用户，用户利用这些误差信息进行自身接收机测量误差的修正，提高定位性能。目前投入运行的卫星导航区域增强系统主要包括美国的广域增强系统(WAAS)和欧洲的地球静止导航重叠服务系统(EGNOS)。

卫星导航区域增强系统采用电离层网格模型进行用户处电离层延迟误差的修正。电离层网格模型实现中，利用区域监测站网络采集的电离层延迟观测数据，估计固定电离层网格点的电离层延迟，并发布给用户。用户利用发布的电离层网格延迟，估计获得用户接收机观测路径上的电离层延迟估计，并用于修测量伪距的修正和高精度定位解算。

电离层具有明显的区域变化特性，中纬地区电离层变化平缓，而在低纬地区，电离层变化复杂，存在电离层异常现象。WAAS系统和EGNOS系统分别服务于北美区域和欧洲区域，其覆盖范围内的电离层主要处于中纬地区，电离层变化平缓。因此，系统中的电离层网格模型采用距离倒数加权或延迟误差倒数加权的方法，进行电离层网格点和用户接收机处的电离层延迟估计。

中国区域卫星导航增强系统的服务区域覆盖中低纬地区，其中长江以南地区处于低纬电离层区域，存在明显的电离层异常，严重影响电离层延迟的时空分布变化。因此，WAAS和EGNOS系统中采用的电离层网格模型实现技术在中国区域存在不适用性。为改进电离层网格模型，应建立可描述中国区域电离层延迟空间分布特性的相关性模型，并用于网格点和用户穿刺点的电离层延迟估计，建立适用于中国区域卫星导航增强系统的电离层网格模型实现技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用电离层空间相关性实现的区域增强系统电离层延迟修正方法。该方法利用中国区域GNSS电离层环境观测数据，建立描述电离层延迟空间相关性的模型，并利用电离层延迟空间相关模型进行电离层网格点和用户伪距测量中的电离层延迟估计。利用空间相关模型建立电离层延迟估计的方法，利用了电离层延迟空间相关性这一可更为精确描述电离层延迟空间变化的特征量，而不是采用简单的距离加权方法，可有效提高电离层延迟估计的精度。同时，由于电离层空间相关模型利用区域增强系统覆盖范围内的电离层观测数据建立，因此可以较好的描述系统所覆盖区域的电离层空间变化特性，使得建立的电离层网格模型和用户电离层延迟估计方法更具有针对性。利用电离层延迟空间相关模型建立的网格模型和用户电离层延迟估计方法可用于支持我国北斗区域增强系统的建设。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种基于电离层空间相关性模型实现的GNSS电离层延迟修正方法，所述方法包括以下步骤：步骤A：电离层延迟空间分布统计；步骤B：电离层延迟空间相关性函数估计；步骤C：电离层网格模型估计；步骤D：用户测量伪距电离层误差修正。

进一步，所述步骤A具体包括：步骤A1：对GNSS双频测量数据通过载波平滑码伪距、硬件延迟估计、倾斜垂直转化获得接收机至卫星视线路径与电离层穿刺点处的垂直电离层延迟I_v。步骤A2：对区域内多个参考站的数据进行处理，获得所有穿刺点的I_v和穿刺点位置。步骤A3：对于同一历元上的测量，建立任意两个穿刺点上I_v的差值ΔI_v＝|I_vi-I_vj|与两个穿刺点间大圆距离(Great Circle Distance)的数组(GCD，ΔI_v)。步骤A4：利用(GCD，ΔI_v)数组建立描述电离层延迟差值随穿刺点距离变化的统计分布。

进一步，所述步骤B具体包括：针对不同概率条件下的电离层延迟差的方差变化，分别统计ΔI_v满足68％(1σ)，95％(2σ)，99％(2.57σ)，99.9％(3.29σ)概率下的值，归一化后获得不同概率下的方差值随穿刺点距离的变化，并进行曲线拟合，获得电离层延迟空间相关性函数F_corr(d)，d为电离层穿刺点间距离。

进一步，所述步骤C具体包括：步骤C1：利用电离层延迟空间相关性函数，按如下方程求解电离层穿刺点延迟的加权值：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{I_{\mathrm{ij}}}{W}_j+\mathrm{\μ}={\mathrm{\ρ}}_{I_{i0}}\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i=1\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2},.....N$

其中，i，j为电离层穿刺点编号；μ为拉格朗日系数；为第i个和第j个电离层穿刺点之间的相关值，为第i个电离层穿刺点和待估计电离层网格点之间的相关值，上述相关值利用电离层延迟空间相关性函数F_corr(d)计算获得；W_i为电离层穿刺点延迟的加权值。步骤C2：利用电离层穿刺点延迟I_v及其加权值W_i，按下式估计电离层网格点延迟I_grid，

$I_{\mathrm{grid}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i*I_{v_i}$

进一步，所述步骤D具体包括：步骤D1：利用电离层延迟空间相关性函数，按如下方程求解电离层网格点延迟的加权值：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{G_{\mathrm{ij}}}{W}_j+\mathrm{\μ}={\mathrm{\ρ}}_{G_{i0}}\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i=1\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2},.....N$

其中，i，j为电离层网格点编号；μ为拉格朗日系数；为第i个和第j个电离层网格点的相关值，为用户第i个电离层网格点和用户GNSS测量路径上电离层穿刺点之间的相关值，上述相关值利用电离层延迟空间相关性函数F_corr(d)计算获得；W_i为电离层网格点延迟的加权值。步骤D2：利用电离层网格点延迟及其加权值W_i，按下式估计用户处电离层穿刺点处延迟I_user。

$I_{\mathrm{user}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i*I_{{\mathrm{grid}}_i}$

步骤D3：利用用户穿刺点处电离层延迟I_user，按下式估计用户伪距测量中的电离层误差修正SI_user，并利用电离层误差修正后的伪距值进行用户位置解算。

SI_user＝I_user×OF

$\mathrm{OF}=\frac{1}{\sqrt{1-\left(\frac{R_E}{R_E+h}\cos \left(\mathrm{el}\right)\right)}}$

其中，OF为倾斜转换函数，el为卫星仰角，R_E为地球半径。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种利用电离层空间相关性实现的GNSS系统电离层延迟修正方法的流程图；

图2为本发明实施例的一种电离层延迟差值随电离层穿刺点距离变化的统计分布的示意图；

图3为本发明实施例的一种电离层延迟空间相关性模型估计实现的示意图；

图4为本发明实施例的一种利用电离层延迟空间相关性函数估计获得的电离层网格点(掩码编号为75)延迟示意图；

图5为本发明实施例的一种利用电离层延迟空间相关性函数估计获得的电离层网格点延迟(掩码编号为60)示意图；

图6为本发明实施例的一种利用电离层延迟空间相关性函数估计用户穿刺点电离层延迟并用于用户伪距修正后的定位结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优先实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

首先，结合附图1到附图6对本发明实施例所述方法进行详细说明。

图1为本发明实施例所述方法的流程示意图，本发明实施例所述方法利用电离层空间相关性模型估计网格点和用户电离层延迟修正，用于用户GNSS定位求解，进行如下处理：

利用GNSS双频测量数据，通过载波平滑码伪距、硬件延迟估计、倾斜垂直转化获得接收机至卫星视线路径与电离层穿刺点处的垂直电离层延迟I_v。对区域内多个参考站的数据进行处理，获得所有穿刺点的I_v。对于同一历元上的测量，建立任意两个穿刺点上I_v的差值ΔI_v＝|I_vi-I_vj|与两个穿刺点间大圆距离(Great Circle Distance)的数组(GCD，ΔI_v)。利用(GCD，ΔI_v)数组建立描述电离层延迟差值随穿刺点距离变化的统计分布。图2给出利用2005年4月16日(年积日第106日)中国区域GPS数据，获得的电离层垂直延迟随网格点距离的统计分布。

针对不同概率条件下的电离层延迟差的方差变化，分别统计ΔI_v满足68％(1σ)，95％(2σ)，99％(2.57σ)，99.9％(3.29σ)概率下的值，归一化后获得不同概率下的方差值随穿刺点距离的变化，并进行曲线拟合，获得电离层延迟空间相关性函数F_corr(d)。图3给出了对2005年4月16日(年积日第106日)电离层垂直延迟空间相关函数的一种估计，该空间相关函数可描述为F_corr(d)＝-0.0013×d²+0.1036×d+0.5002，其中，d为电离层穿刺点距离。

利用电离层延迟空间相关性函数，按如下方程求解电离层穿刺点延迟的加权值：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{I_{\mathrm{ij}}}{W}_j+\mathrm{\μ}={\mathrm{\ρ}}_{I_{i0}}\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i=1\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2},.....N$

其中，i，j为电离层穿刺点编号；μ为拉格朗日系数；为第i个和第j个电离层穿刺点之间的相关值，为第i个电离层穿刺点和待估计电离层网格点之间的相关值，上述相关值利用电离层延迟空间相关性函数F_corr(d)计算获得；W_i为电离层穿刺点延迟的加权值。利用电离层穿刺点延迟I_v及其加权值W_i，按下式估计电离层网格点延迟I_grid，

$I_{\mathrm{grid}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i*I_{v_i}$

图4给出了掩码为75的网格点处垂直电离层延迟估计，图5给出了掩码为60的网格点处垂直电离层延迟估计。

利用电离层延迟空间相关性函数，按如下方程求解用户处电离层网格点延迟的加权值：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{G_{\mathrm{ij}}}{W}_j+\mathrm{\μ}={\mathrm{\ρ}}_{G_{i0}}\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i=1\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2},.....N$

其中，i，j为电离层网格点编号；μ为拉格朗日系数；为第i个和第j个电离层网格点的相关值，为第i个电离层网格点和用户GNSS测量路径上电离层穿刺点之间的相关值，上述相关值利用电离层延迟空间相关性函数F_corr(d)计算获得；W_i为电离层网格点延迟的加权值。利用电离层网格点延迟及其加权值W_i，按下式估计用户处电离层穿刺点延迟I_user，和用户伪距中的电离层误差修正值SI_user，并利用电离层误差修正后的伪距值进行用户位置解算。

$I_{\mathrm{user}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i*I_{{\mathrm{grid}}_i}$

SI_user＝I_user×OF

图6给出了利用电离层误差延迟修正后的用户GPS定位误差与相应的垂直保护门限估计。

利用空间相关模型建立电离层延迟估计的方法，利用了电离层延迟空间相关性这一可更为精确描述电离层延迟空间关系的特征量，而不是采用简单的距离加权方法，可有效提高电离层延迟的估计精度。同时，由于电离层空间相关模型利用区域增强系统覆盖范围内的电离层观测数据建立，可以较好的描述系统所覆盖区域的电离层空间变化特性，使得建立的电离层网格模型和用户电离层延迟估计方法更具有针对性。利用本方法建立的区域增强系统电离层延迟修正技术可用于支持我国北斗区域增强系统的建设。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行改进或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种基于电离层空间相关性实现的GNSS电离层延迟修正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤A：电离层延迟空间分布统计；

步骤B：电离层延迟空间相关性函数估计；

步骤C：电离层网格模型估计；

步骤D：用户测量伪距电离层延迟修正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

步骤A1：对GNSS双频测量数据通过载波平滑码伪距、硬件延迟估计、倾斜垂直转化获得接收机至卫星视线路径与电离层穿刺点处的垂直电离层延迟I_v；

步骤A2：对区域内多个参考站的数据进行处理，获得所有穿刺点的I_v和穿刺点位置；

步骤A3：对于同一历元上的测量，建立任意两个穿刺点上I_v的差值ΔI_v＝|I_vi-I_vj|与两个穿刺点间大圆距离(Great Circle Distance)的数组(GCD，ΔI_v)；

步骤A4：利用(GCD，ΔI_v)数组建立描述电离层延迟差值随穿刺点距离变化的统计分布。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：

针对不同概率条件下的电离层延迟差的方差变化，分别统计ΔI_v满足68％(1σ)，95％(2σ)，99％(2.57σ)，99.9％(3.29σ)概率下的值，归一化后获得不同概率下的方差值随穿刺点距离的变化，并进行曲线拟合，获得电离层延迟空间相关性函数F_corr(d)，d为电离层穿刺点间距离。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：

步骤C1：利用电离层延迟空间相关性函数，按如下方程求解电离层穿刺点延迟的加权值：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{I_{\mathrm{ij}}}{W}_j+\mathrm{\μ}={\mathrm{\ρ}}_{I_{i0}}\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i=1\end{array}\right.i=\mathrm{1,2},.....N$

其中，i，j为电离层穿刺点编号；μ为拉格朗日系数；ρ_Iij为第i个和第j个电离层穿刺点之间的相关值，为第i个电离层穿刺点和待估计电离层网格点之间的相关值，上述相关值利用电离层延迟空间相关性函数F_corr(d)计算获得；W_i为电离层穿刺点延迟的加权值；

步骤C2：利用电离层穿刺点延迟I_v及其加权值W_i，按下式估计电离层网格点延迟I_grid

$I_{\mathrm{grid}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i*I_{v_i}$

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：

步骤D1：利用电离层延迟空间相关性函数，按如下方程求解电离层网格点延迟的加权值W_i：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{G_{i,j}}{W}_j+\mathrm{\μ}={\mathrm{\ρ}}_{G_{i0}}\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i=1\end{array}\right.i=\mathrm{1,2}.....N$

其中，i，j为电离层网格点编号；μ为拉格朗日系数；ρ_Gij为第i个和第j个电离层网格点之间的相关值，为用户第i个电离层网格点和用户GNSS测量路径上电离层穿刺点之间的相关值，上述相关值利用电离层延迟空间相关性函数F_corr(d)计算获得；W_i为电离层网格点延迟的加权值；

步骤D2：利用电离层网格点延迟及其加权值W_i，按下式估计用户测量路径上电离层穿刺点处延迟I_user；

$I_{\mathrm{user}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i*I_{{\mathrm{grid}}_i}$

步骤D3：利用用户测量路径上穿刺点处电离层延迟I_user，按下式估计用户伪距测量中的电离层误差修正SI_user，并利用电离层误差修正后的伪距值进行用户位置解算；

SI_user＝I_user×OF

$\mathrm{OF}=\frac{1}{\sqrt{1-\left(\frac{R_E}{R_E+h}\cos \left(\mathrm{el}\right)\right)}}$

其中，OF为倾斜转换函数，el为卫星仰角，R_E为地球半径。