CN105182367A - 一种提取bds卫星电离层穿刺点电子浓度的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提取BDS卫星电离层穿刺点电子浓度的新方法，根据电离层在小区域内具有良好的空间相关性的特点，搜索出电离层穿刺点距离在100Km内的BDS与GPS卫星，用户解算出此刻搜索到的GPS卫星电离层穿刺点电子浓度，再将解算值与搜索出的BDS卫星电离层穿刺点电子浓度近似相等，得到BDS卫星电离层穿刺点处的电子浓度（VTEC），再通过倾斜因子转化为站-星斜向电离层含量（TEC）。本发明可精确提取BDS卫星电离层穿刺点的电子浓度，解决BDS系统在我国区域电离层精确改正的问题。

Description

一种提取BDS卫星电离层穿刺点电子浓度的新方法

技术领域

本发明涉及北斗卫星导航系统(BDS)，具体是一种提取BDS卫星电离层穿刺点电子浓度的新方法。

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BDS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，但该方法需考虑硬件延迟偏差。硬件延迟偏差是不同频率的信号在卫星或者接收机内部时延的偏差。在利用GNSS测量电离层延迟量时最大误差为系统的硬件延迟偏差。因此在进行单站电离层估计时必须顾及DCB的影响。目前国际上权威的GPS卫星/接收机DCB值是由IGS(InternationalGNSSService)利用全球200多个监测站连续观测解算所公布，但BDS卫星/接收机DCB尚无官方公布值。因此利用BDS卫星不能精确提取电离层穿刺点电子浓度。

发明内容

本发明的目的是提供一种提取BDS卫星电离层穿刺点电子浓度新方法。该方法根据BDS卫星难以精确提取电离层穿刺点电子浓度的特点，解决提取BDS卫星电离层穿刺点电子浓度的问题，解决BDS系统在我国区域电离层精确改正的问题。

本发明一种提取BDS卫星电离层穿刺点电子浓度新方法，根据电离层在小区域内具有良好的空间相关性，电离层穿刺点距离在100km内垂向电离层延迟差值处于0.2～0.5米范围的特点。搜索出电离层穿刺点距离在100km内的BDS与GPS卫星，利用双频数据提取搜索到的GPS卫星穿刺点电子浓度，将搜索到的BDS与GPS卫星电离层穿刺点电子浓度近似相等，获取BDS卫星电离层穿刺点的垂向电子浓度(VTEC)，再通过倾斜因子转化为站-星斜向电离层含量(TEC)。

实现本发明目的的技术方案是：

一种提取BDS卫星电离层穿刺点电子浓度新方法，具体包括如下步骤：

(1)卫星电离层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 ${\mathrm{\λ}}_{pp}={\mathrm{\λ}}_u+\arcsin \left(\frac{{\mathrm{sin\ψ}}_{pp}\sin AZ}{{\mathrm{cos\φ}}_{pp}}\right),$ 倾斜因子 $F=\frac{1}{\sin E^{\′}}=\frac{1}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{Re}+h}{\mathrm{Re}+hi}\cos E\right)}^2}}$

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；

(2)电离层穿刺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)表示电离层穿刺点的纬度、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；

(3)利用GPS双频数据提取穿刺点垂向电子浓度

$VTEC=-\frac{f_1^2{f}_2^2}{F\left(Z\right)\·40.3\·(f_1^2-f_2^2)}\·({\mathrm{\ΔP}}_{r.sm}^s-c\·{\mathrm{DCB}}_r-c\·{\mathrm{DCB}}^s)$

其中ΔP是两个不同频率间的伪距差分值；VTEC为接收机到卫星电离层穿刺点垂向电子含量；F(Z)为电离层投影函数；c表示光在真空中的传播速度；DCB_r为接收机频间偏差，对所有卫星而言，DCB_r是一致的；DCB^s是GPS卫星频间偏差；f₁与f₂为GPS两个频点(f₁＝1557.42MHZ,f₂＝1227.60MHZ)；

(4)BDS卫星电离层穿刺点TEC提取

计算两类卫星电离层穿刺点相距距离其中点(x_g,y_g,z_g)为GPS卫星电离层穿刺点大地直角坐标，点(x_b,y_b,z_b)为BDS卫星电离层穿刺点大地直角坐标。根据电离层在小区域内具有良好的空间相关性的特点，将搜索到的BDS与GPS卫星电离层穿刺点电子浓度近似相等，获取BDS卫星电离层穿刺点的垂向电子浓度(VTEC)，再通过倾斜因子转化为站-星斜向电离层电子浓度(TEC)TEC＝F·VTEC。

本发明的有益效果是：

(1)无需布设大规模地面基准站建模电离层模型，降低了计算的复杂性。

(2)在BDS卫星/接收机DCB尚无官方公布值的情况下，能有效提取BDS卫星电离层穿刺点电子浓度。

附图说明

图1为BDS卫星电离层穿刺点电子浓度提取框图；

图2gmsd监测站上空部分典型BDS卫星与临近的GPS卫星VTEC差异值(2014年年积日130天)；

图3wark监测站上空部分典型BDS卫星与临近的GPS卫星VTEC差异值(2014年年积日130天)。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明内容作进一步的说明，但不是对本发明的限定。

实施例

本实施例中：图1为BDS卫星电离层穿刺点电子浓度提取框图。参照图1，利用BDS/GPS导航电文与观测文件计算出卫星电离层穿刺点大地坐标与GPS卫星电离层穿刺点电子浓度。根据电离层在小区域内具有良好的空间相关性的特点，搜索出电离层穿刺点距离在100Km内的BDS与GPS卫星，将搜索到的卫星电离层穿刺点电子浓度近似相等，获取BDS卫星的电离层穿刺点电子浓度。

提取BDS卫星电离层穿刺点电子浓度,具体方法包括如下步骤：

(1)卫星电离层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 ${\mathrm{\λ}}_{pp}={\mathrm{\λ}}_u+\arcsin \left(\frac{{\mathrm{sin\ψ}}_{pp}\sin AZ}{{\mathrm{cos\φ}}_{pp}}\right),$ 倾斜因子 $F=\frac{1}{{\mathrm{sinE}}^{\′}}=\frac{1}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{Re}+h}{\mathrm{Re}+hi}\cos E\right)}^2}}$

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；

(2)电离层穿刺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)表示电离层穿刺点的纬度、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；

(3)利用GPS双频数据提取电离层穿刺点垂向电子浓度

$VTEC=-\frac{f_1^2{f}_2^2}{F\left(Z\right)\·40.3\·(f_1^2-f_2^2)}\·({\mathrm{\ΔP}}_{r.sm}^s-c\·{\mathrm{DCB}}_r-c\·{\mathrm{DCB}}^s)$

其中ΔP是两个不同频率间的伪距差分值；VTEC为接收机到卫星电离层穿刺点垂向电子含量；F(Z)为电离层投影函数；c表示光在真空中的传播速度；DCB_r为接收机频间偏差，对所有卫星而言，DCB_r是一致的；DCB^s是GPS卫星频间偏差；f₁与f₂为GPS两个频点(f₁＝1557.42MHZ,f₂＝1227.60MHZ)；

(4)提取BDS卫星电离层穿刺点TEC

计算两类卫星电离层穿刺点相距距离其中点(x_g,y_g,z_g)为GPS卫星电离层穿刺点大地直角坐标，点(x_b,y_b,z_b)为BDS卫星电离层穿刺点大地直角坐标；根据电离层在小区域内具有良好的空间相关性，电离层穿刺点距离在100Km内垂向电离层延迟差值处于0.2～0.5米范围内，将搜索到的BDS与GPS卫星电离层穿刺点电子浓度近似相等，获取BDS卫星电离层穿刺点的垂向电子浓度VTEC，再通过倾斜因子F转化为站-星斜向电离层含量TEC,TEC＝F·VTEC。

图2与图3为2014年年积日130天gmsd监测站与wark监测站上空搜索到的部分典型BDS卫星与临近GPS卫星电离层穿刺点电子浓度差异值。从图2与图3可以看出电离层穿刺点在100Km内的两颗卫星VTEC互差值最大达到0.7TECU或0.11ns(对于f₁频点)，但大部分处于0.4TECU或0.06ns以内。

Claims (1)

1.一种提取BDS卫星电离层穿刺点电子浓度新方法，其特征是包括如下步骤：

(1)卫星电离层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 ${\mathrm{\λ}}_{pp}={\mathrm{\λ}}_u+arcsin\left(\frac{{\mathrm{sin\ψ}}_{pp}\sin AZ}{{\mathrm{cos\φ}}_{pp}}\right),$ 倾斜因子 $F=\frac{1}{{\mathrm{sinE}}^{\′}}=\frac{1}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{Re}+h}{\mathrm{Re}+hi}\cos E\right)}^2}}$

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；

(2)电离层穿刺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)表示电离层穿刺点的纬度、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；

(3)利用GPS双频数据提取电离层穿刺点垂向电子浓度

$VTEC=-\frac{f_1^2{f}_2^2}{F\left(Z\right)\·40\·3\·(f_1^2-f_2^2)}\·({\mathrm{\ΔP}}_{r.sm}^s-c\·{\mathrm{DCB}}_r-c\·{\mathrm{DCB}}^s)$

其中ΔP是两个不同频率间的伪距差分值；VTEC为接收机到卫星电离层穿刺点垂向电子含量；F(Z)为电离层投影函数；c表示光在真空中的传播速度；DCB_r为接收机频间偏差，对所有卫星而言，DCB_r是一致的；DCB^s是GPS卫星频间偏差；f₁与f₂为GPS两个频点(f₁＝1557.42MHZ,f₂＝1227.60MHZ)；

(4)提取BDS卫星电离层穿刺点TEC

计算两类卫星电离层穿刺点相距距离其中点(x_g,y_g,z_g)为GPS卫星电离层穿刺点大地直角坐标，点(x_b,y_b,z_b)为BDS卫星电离层穿刺点大地直角坐标；根据电离层在小区域内具有良好的空间相关性，电离层穿刺点距离在100Km内垂向电离层延迟差值处于0.2～0.5米范围内，将搜索到的BDS与GPS卫星电离层穿刺点电子浓度近似相等，获取BDS卫星电离层穿刺点的垂向电子浓度VTEC，再通过倾斜因子F转化为站-星斜向电离层含量TEC,TEC＝F·VTEC。