CN106202617A - 一种gnss、hy‑2和cosmic数据融合建立全球电离层格网vtec模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GNSS、HY‑2和COSMIC数据融合建立全球电离层格网VTEC模型的方法，包括以下步骤：确定建立全球电离层格网VTEC模型的时间；确定参与建立全球电离层格网VTEC模型的GNSS观测站；收集数据：收集GNSS观测站数据、HY‑2卫星高度计ku波段电离层改正数据和COSMIC电子密度数据；确定VTEC_G、VTEC_H和VTEC_C的权；在迭代完成以后，最后一次迭代所得到的平差结果即为融合的球谐函数模型系数；经度方向[‑180°‑‑+180°]，每5°间隔；纬度方向[‑87.5°‑‑+87.5°]，每2.5°间隔；代入球谐函数模型，即得到融合的全球电离层格网VTEC值。

Description

一种GNSS、HY-2和COSMIC数据融合建立全球电离层格网VTEC 模型的方法

技术领域

本发明涉及电离层应用研究领域，是一种GNSS、HY-2和COSMIC数据融合建立全球电离层格网VTEC模型的方法。

背景技术

电离层是日地空间环境的一个重要组成部分，与人类的生产和生活密切相关。GNSS具备无源探测、全球覆盖、成本低、数据量大及在时空上具有很好的连续性等优势，是大范围连续高精度电离层VTEC监测的重要技术手段。1998年，国际IGS组织专门成立电离层工作组，其主要任务即是利用全球分布的GNSS观测站的观测数据建立全球电离层模型，并以IONEX数据格式面向全球用户免费发布。但是，全球范围内GNSS观测站的分布并不均匀，这就造成全球电离层格网VTEC模型的精度和可靠性存在区域性差异。在GNSS观测站分布较少的区域，模型的精度和可靠性比较差；特别是在南半球和广阔的海洋区域，模型的精度和可靠性最差。

海洋卫星是专用于观测海洋中各种现象和过程的一种地球观测卫星。海洋二号A(简称“HY-2”)卫星是我国第一颗配备高度计的海洋动力环境卫星，2012年完成在轨交付并正式投入使用。HY-2卫星是太阳同步轨道卫星，同国外Jason-2等在轨海洋卫星相比，在纬度高于66°的高纬度和两极地区，有更加丰富的观测数据，因而其在全球对地观测体系中具有更加不可替代的作用。利用HY-2卫星高度计电离层改正数据能够反演得到电离层VTEC值，能有效弥补海洋区域GNSS观测站缺乏的问题。

COSMIC掩星能同时提供电离层电子密度和VTEC信息，具有全天候、全球覆盖、高垂直分辨率、准实时等的特点，能够弥补海洋、沙漠、极地等特殊区域电离层观测资料不足的问题。

发明内容

本发明的目的是针对全球范围内GNSS观测站的分布并不均匀造成的全球电离层格网模型的精度和可靠性区域性差异问题，融合GNSS、HY-2和COSMIC数据建立精度和可靠性分布更加均匀的全球电离层格网VTEC模型。

本发明采用的技术方案为：一种GNSS、HY-2和COSMIC数据融合建立全球电离层格网VTEC模型的方法，包括以下步骤：

(1)确定建立全球电离层格网VTEC模型的时间；

(2)确定参与建立全球电离层格网VTEC模型的GNSS观测站；

(3)收集数据：收集GNSS观测站数据(包括：观测文件和星历文件)、HY-2卫星高度计ku波段电离层改正数据和COSMIC电子密度数据；

(3)利用GNSS观测数据反演电离层VTEC值，用VTEC_G表示；基于15阶球谐函数模型组建方程计算观测方程系数，用A_G表示；

(4)利用HY-2卫星高度计ku波段电离层改正数据反演电离层VTEC值，用VTEC_H表示；基于15阶球谐函数模型组建方程计算观测方程系数，用A_H表示；

(5)利用COSMIC电子密度数据数据，根据高度进行积分反演电离层VTEC值，用VTEC_C表示；基于15阶球谐函数模型组建方程计算观测方程系数，用A_C表示；

(6)确定VTEC_G、VTEC_H和VTEC_C的权，确权的方法如下：

假设VTEC_G、VTEC_H和VTEC_C的数据量分别为：N_G、N_H和N_C，表示为： 和由于VTEC_G、VTEC_H和VTEC_C中各个观测值之间是相互独立的，因此它们的权矩阵为对角矩阵，设其均为单位阵，分别为和

假设L＝[VTEC_G VTEC_H VTEC_C]^T，A＝[A_G A_H A_C]^T，V＝[V_G V_H V_C]^T 相应的误差方程是：

V＝AX-L (1)

式(1)中，X表示基于15阶球谐函数的全球电离层VTEC格网模型系数，V_G表示GPS反演的电离层VTEC值与全球电离层格网VTEC模型的误差值；V_H表示HY-2卫星高度计反演的电离层VTEC值与全球电离层格网VTEC模型的误差值；V_C表示COSMIC反演的电离层VTEC值与全球电离层格网VTEC模型的误差值；

由式1可以求出法方程为：

$N\hat{X}=W---\left(2\right)$

式2中，

三类观测值的赫尔莫特估计公式为：

$S{\widehat{\mathrm{\δ}}}^2=W---\left(3\right)$

式3中，S_ii＝n_i-2tr(N^-1N_i)+tr(N^-1N_i)²，S_ij＝tr(N^-1N_iN^-1N_j)，

式4的解为：

${\widehat{\mathrm{\δ}}}^2=S^{-1}W---\left(4\right)$

如果所求得的和不相等或者相差较大，说明定权不合理，需要重新定权。

各观测值得权按式5进行调整，直至满足和相等或者相差不大为止。

$P_i^{(k+1)}=\frac{c}{{\widehat{\mathrm{\δ}}}_{0i}^2}{P}_i^{\left(k\right)}---\left(5\right)$

式5中，c为任意常数，k为迭代次数。反复进行从式(2)～(5)的过程，直到之间相等或各类单位权方差之比等于1为止。

确权的计算步骤如下：

①根据观测值，确定VTEC_G、VTEC_H和VTEC_C权的初值，分别为P_G，P_H和P_C；

②进行第一次平差，求和

③求各类观测值单位权方差估计值和

④计算各类观测值方差的估计值；

⑤根据定权公式5再次定权，再次平差，直到各类单位权方差的估值相等或者接近相等为止。

(7)在迭代完成以后，最后一次迭代所得到的平差结果即为融合的球谐函数模型系数。

(8)经度方向[-180°--+180°]，每5°间隔；纬度方向[-87.5°--+87.5°]，每2.5°间隔；代入球谐函数模型，即得到融合的全球电离层格网VTEC值。

本发明的有益效果：

融合GNSS数据、HY-2卫星高度计数据和COSMIC数据，建立全球电离层格网VTEC模型，提高了全球电离层格网VTEC模型在南半球和海洋地区的精度和可靠性。

附图说明

图1 GNSS、HY-2和COSMIC数据融合建立全球电离层格网VTEC模型流程图；

图2参与建立模型的GNSS观测站分布图；

图3 HY2号卫星观测足迹图；

图4 COSMIC掩星事件分布图；

图5 GNSS、HY2与COSMIC融合的全球电离层格网VTEC模型(单位：TECU)

图6 GNSS、HY2与COSMIC融合的全球电离层格网VTEC模型差值图(单位：TECU)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明确定建立全球电离层格网VTEC模型的时间为2015年4月11日(2015年第101天)。

图1为GNSS、HY-2和COSMIC数据融合建立全球电离层格网VTEC模型流程图。

确定参与建立模型的GNSS观测站数量为256个，观测站数据采样间隔为30秒，GNSS观测站的分布如图2所示，图2中三角符号表示GNSS观测站位置分布。

收集GNSS观测站数据(包括：观测文件和星历文件)、HY-2卫星高度计ku波段电离层改正数据和COSMIC电子密度数据。HY-2卫星观测足迹如图3所示，图3中红色符号表示HY-2卫星观测足迹。COSMIC掩星事件分布如图4所示，图4中红色符号表示COSMIC掩星事件发生位置。

利用GNSS观测数据反演电离层VTEC值，用VTEC_G表示；基于15阶球谐函数模型组建方程计算观测方程系数，用A_G表示；

利用HY-2卫星高度计ku波段电离层改正数据反演电离层VTEC值，用VTEC_H表示；基于15阶球谐函数模型组建方程计算观测方程系数，用A_H表示；

利用COSMIC电子密度数据数据，根据高度进行积分反演电离层VTEC值，用VTEC_C表示；基于15阶球谐函数模型组建方程计算观测方程系数，用A_C表示；

确定VTEC_G、VTEC_H和VTEC_C的权

在迭代完成以后，最后一次迭代所得到的平差结果即为融合的球谐函数模型系数。

经度方向[-180°--+180°]，每5°间隔；纬度方向[-87.5°--+87.5°]，每2.5°间隔；代入球谐函数模型模型，即得到融合的全球电离层格网VTEC模型，如图5所示。

图6GNSS、HY2与COSMIC融合的全球电离层格网VTEC模型差值图，从图中可以看出HY2卫星与COSMIC电离层VTEC数据的加入使全球电离层格网VTEC模型的值发生了变化，变化较为显著的地区主要集中在广大的海洋地区，特别是南半球海洋地区变化更为明显，变化的幅度为-3～5TECU，陆地区域的变化较小。

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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种GNSS、HY-2和COSMIC数据融合建立全球电离层格网VTEC模型的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)确定建立全球电离层格网VTEC模型的时间；

(2)确定参与建立全球电离层格网VTEC模型的GNSS观测站；

(3)收集数据：收集GNSS观测站数据、HY-2卫星高度计ku波段电离层改正数据和COSMIC电子密度数据；

(3)利用GNSS观测数据反演电离层VTEC值，用VTEC_G表示；基于15阶球谐函数模型组建方程计算观测方程系数，用A_G表示；

(4)利用HY-2卫星高度计ku波段电离层改正数据反演电离层VTEC值，用VTEC_H表示；基于15阶球谐函数模型组建方程计算观测方程系数，用A_H表示；

(5)利用COSMIC电子密度数据数据，根据高度进行积分反演电离层VTEC值，用VTEC_C表示；基于15阶球谐函数模型组建方程计算观测方程系数，用A_C表示；

(6)确定VTEC_G、VTEC_H和VTEC_C的权，确权的方法如下：

假设VTEC_G、VTEC_H和VTEC_C的数据量分别为：N_G、N_H和N_C，表示为： 和由于VTEC_G、VTEC_H和VTEC_C中各个观测值之间是相互独立的，因此它们的权矩阵为对角矩阵，设其均为单位阵，分别为和

假设L＝[VTEC_G VTEC_H VTEC_C]^T，A＝[A_G A_H A_C]^T，V＝[V_G V_H V_C]^T 相应的误差方程是：

V＝AX-L (1)

式(1)中，X表示基于15阶球谐函数的全球电离层VTEC格网模型系数，V_G表示GPS反演的电离层VTEC值与全球电离层格网VTEC模型的误差值；V_H表示HY-2卫星高度计反演的电离层VTEC值与全球电离层格网VTEC模型的误差值；V_C表示COSMIC反演的电离层VTEC值与全球电离层格网VTEC模型的误差值；

由式1可以求出法方程为：

$N\hat{X}=W---\left(2\right)$

式2中，

三类观测值的赫尔莫特估计公式为：

$S{\widehat{\mathrm{\δ}}}^2=W---\left(3\right)$

式3中，S_ii＝n_i-2tr(N^-1N_i)+tr(N^-1N_i)²，

S_ij＝tr(N^-1N_iN^-1N_j)，

式4的解为：

${\widehat{\mathrm{\δ}}}^2=S^{-1}W---\left(4\right)$

如果所求得的和不相等或者相差较大，说明定权不合理，需要重新定权；

各观测值得权按式5进行调整，直至满足和相等或者相差不大为止；

$P_i^{(k+1)}=\frac{c}{{\widehat{\mathrm{\δ}}}_{0i}^2}{P}_i^{\left(k\right)}---\left(5\right)$

式5中，c为任意常数，k为迭代次数。反复进行从式(2)～(5)的过程，直到之间相等或各类单位权方差之比等于1为止；

确权的计算步骤如下：

①根据观测值，确定VTEC_G、VTEC_H和VTEC_C权的初值，分别为P_G，P_H和P_C；

②进行第一次平差，求和

③求各类观测值单位权方差估计值和

④计算各类观测值方差的估计值；

⑤根据定权公式5再次定权，再次平差，直到各类单位权方差的估值相等或者接近相等为止；

(7)在迭代完成以后，最后一次迭代所得到的平差结果即为融合的球谐函数模型系数；

(8)经度方向[-180°--+180°]，每5°间隔；纬度方向[-87.5°--+87.5°]，每2.5°间隔；代入球谐函数模型，即得到融合的全球电离层格网VTEC值。