CN106338738B - 基于穿刺点的区域增强系统实时电离层建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于穿刺点的区域增强系统实时电离层建模方法，包括如下步骤：建立基站网解模型得到双频载波相位模糊度；基于双频载波相位模糊度，建立双差到非差形式的电离层延迟分解模型；建立穿刺点展开的垂直电离层延迟站间模型并根据该模型得到以主站为中心的一套模型参数，本发明将双差电离层延迟分解为非差电离层延迟，在卫星和测站视线与电离层薄层的穿刺点处建立测站间的相关性模型，从而得到整个区域以主站为中心的一套模型参数，可直接根据虚拟参考站(VRS)位置计算出电离层改正数，再由非差电离层延迟形成双差形式发送给用户。该算法的理论模型较比现有算法更加严密，并且能够在一定程度上更好解决电离层活跃时内插误差较大的问题。

Description

基于穿刺点的区域增强系统实时电离层建模方法

技术领域

本发明针对针对电离层改正数内插算法的研究，也称为区域增强系统电离层改正数的建模方法，设计发明了基于穿刺点的区域增强系统实时电离层建模方法。

背景技术

网络RTK技术作为现代GNSS高精度实时定位的主流应用，克服了传统单基站RTK测量的距离限制与可靠性低等缺点，成为目前GNSS领域研究热点之一。根据具体实现的不同，主要可分为虚拟参考站(VRS)技术、主辅站(MAX)技术、区域改正参数(FKP)技术和综合误差内插法(CBI)。

然而虚拟参考站(VRS)技术作为目前应用最广泛的技术，其主要原理是根据移动站用户的概略位置，通过参考站网络的解算引擎，内插出虚拟参考站(VRS)的差分改正数信息，并实时发送给用户，用户即可与虚拟参考站(VRS)构成短基线进行解算定位(如图1)。虚拟参考站(VRS)技术的关键点有两个：一是参考站网络的解算，主要是基线模糊度固定；二是虚拟参考站(VRS)的差分改正数的生成，也称为内插改正数信息。在GNSS观测值中，对解算结果影响最大的就是电离层延迟误差。

本文就是针对电离层改正数内插算法的研究，也称为区域增强系统电离层改正数的建模方法。目前常用的内插算法主要分为：线性内插法(LIM)、线性组合法(LCM)、基于距离的线性内插法(DIM)、低次曲面模型法以及最小二乘配置等。这些方法大都是以参考站网解后的双差电离层延迟误差为观测量直接进行双差VRS改正数的内插，内插时只考虑了基线的双差改正量，而忽略了测站与卫星间非差电离层延迟间的相关性。在电离层平稳状态下，各种内插算法差别不大，并且基本能够满足中长距离网络RTK的定位。但是在电离层活跃时期，尤其是一天当中的中午12点到下午2点的时间段内，各种内插算法都无法提供精确的改正数信息，以至于移动站用户长时间无法固定模糊度。

发明内容

本发明针对针对电离层改正数内插算法的研究，也称为区域增强系统电离层改正数的建模方法，设计发明了基于穿刺点的区域增强系统实时电离层建模方法，打破常规算法的习惯，将双差电离层延迟分解为非差电离层延迟，并在卫星和测站视线与电离层薄层(基于单层假设的电离层模型)的穿刺点处建立测站间的相关性模型，从而得到整个区域以主站为中心的一套模型参数，可直接根据虚拟参考站(VRS)位置计算出电离层改正数，再由非差电离层延迟形成双差形式发送给用户。

本发明的技术方案为，基于穿刺点的区域增强系统实时电离层建模方法，包括如下步骤：

建立基站网解模型得到双频载波相位模糊度；

基于双频载波相位模糊度，建立双差到非差形式的电离层延迟分解模型；

建立基于穿刺点展开的垂直电离层延迟站间模型并根据该模型得到以主站为中心的一套模型参数。

上述的方法，其中，所述建立基站网解模型得到双频载波相位模糊度的步骤包括：

宽巷模糊度的确定；

根据无电离层组合分离L1双差相位模糊度。

上述的方法，其中，所述基于双频载波相位模糊度，建立双差到非差形式的电离层延迟分解模型的步骤包括：

确定双差电离层延迟；

通过在穿刺点处电离层建模。

上述的方法，其中，所述建立基于穿刺点展开的垂直电离层延迟站间模型并根据该模型得到以主站为中心的一套模型参数的步骤包括：

基于电离层组合滤波器的电离层建模；所述基于电离层组合滤波器的电离层建模的步骤包括：

电离层组合GF观测方程的确定。

上述的方法，其中，所述建立基于穿刺点展开的垂直电离层延迟站间模型并根据该模型得到以主站为中心的一套模型参数的步骤还包括：

虚拟参考站VRS双差电离层改正。

上述的方法，其中，所述建立基站网解模型得到双频载波相位模糊度的具体步骤为：

宽巷模糊度的确定，其中宽巷模糊度的确定包括：

MW组合求解宽巷模糊度，

双频相位线性组合求解宽巷模糊度，

消电离层伪距组合和双频相位组合法求解宽巷模糊度，

根据无电离层组合分离L1双差相位模糊度，其中根据无电离层组合分离L1双差相位模糊度的步骤包括：

无电离层组合表达式为，

无电离层组合观测方程为， 为要使组合观测方程中消掉电离层影响，组合系数a，b需要满足如下关系：直接限定系数为(77，-60)，根据已经得到的宽巷模糊度，可以建立求解L1双差相位模糊度的观测方程，

可以通过卡尔曼滤波进行模糊度的求解，同时估计测站处的天顶对流层延迟，其中λ₁、λ₂为L₁、L₂载波相位观测值的波长，f₁、f₂为L₁、L₂载波相位观测值的频率，λ_c为无电离层组合相位观测值与波长，λ_w为宽巷载波相位观测值波长，ρ为站星距离，根据测站与卫星的坐标计算得到，I、O、T、M、ε分别为电离层延迟、轨道误差、对流层延迟、多路径效应以及其他误差项， 为双差测距码观测值，为双差L₁、L₂相位观测值，为双差宽巷模糊度，为双差L₁相位模糊度，为星间单差对流层映射函数，TZ_q为测站q天顶对流层延迟。

上述的方法，其中，所述电离层组合GF观测方程的确定的步骤为；

基于电离层组合的双差观测方程，

电离层延迟使用Klobuchar模型计算得到，作为初值，采用Kalman虑波技术进行参数求解。

上述的方法，其中，所述虚拟参考站VRS双差电离层改正的具体步骤为：将投影函数和穿刺点的相对坐标替换为VRS的值，即

或通过参考星的电离层参数计算出主站A与VRS的单差电离层参考星的单差电离层可以直接用Klobuchar模型计算出来的结果来求，具体表达式如下，

本发明提供了基于穿刺点的区域增强系统实时电离层建模方法，包括如下步骤：建立基站网解模型得到双频载波相位模糊度；基于双频载波相位模糊度，建立双差到非差形式的电离层延迟分解模型；建立基于穿刺点展开的垂直电离层延迟站间模型并根据该模型得到以主站为中心的一套模型参数，本发明实现了将双差电离层延迟分解为非差电离层延迟，并在卫星和测站视线与电离层薄层的穿刺点处建立测站间的相关性模型，从而得到整个区域以主站为中心的一套模型参数，可直接根据虚拟参考站(VRS)位置计算出电离层改正数，再由非差电离层延迟形成双差形式发送给用户。该算法的理论模型较比现有算法更加严密，并且能够在一定程度上更好解决电离层活跃时内插误差较大的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明公开的基于穿刺点的区域增强系统实时电离层建模方法的示意图；

图2为本发明基于双差电离层延迟改正数的建模流程；

图3为本发明VRS双差电离层改正数的建模流程。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

参照图1-图3所示，本发明提供了基于穿刺点的区域增强系统实时电离层建模方法，主要包括如下步骤：

步骤S1：建立基站网解模型得到双频载波相位模糊度。

在发明一可选的实施例中，对建立基站网解模型得到双频载波相位模糊度的步骤包括；步骤S1a：对宽巷模糊度的确定，可以分为如下几种：(1)MW组合求解宽巷模糊度，

(2)双频相位线性组合求解宽巷模糊度，

(3)消电离层伪距组合和双频相位组合法求解宽巷模糊度，

步骤S1b：根据无电离层组合分离L1双差相位模糊度，无电离层组合表达式为，无电离层组合观测方程为为要使组合观测方程中消掉电离层影响，组合系数a，b需要满足如下关系：

直接限定系数为(77，-60)，根据已经得到的宽巷模糊度，可以建立求解L1双差相位模糊度的观测方程

因此可以通过卡尔曼滤波进行模糊度的求解，同时估计测站处的天顶对流层延迟。

步骤S2：基于双频载波相位模糊度，建立双差到非差形式的电离层延迟分解模型。

在本发明一可选的实施例中，基于双频载波相位模糊度，建立双差到非差形式的电离层延迟分解模型的具体步骤为，步骤S2a：确定双差电离层延迟，根据载波相位观测方程，以及电磁波在电离层中延迟误差的色散特性，可以计算得到L1、L2相位观测值上的电离层延迟双差改正数，

步骤S2b：通过在穿刺点处电离层建模，将电离层假设为距离地面上空350km高度处的单层模型，则测站到卫星的视线与单层的交点称为穿刺点，由于卫星间的距离非常远，所以忽略其空间相关性。对于同一颗卫星而言，区域网中的各个测站则需要认为是相关的，选择其中一个测站为主参考站，则可以将其他各个测站的穿刺点处垂直电离层延迟，在主参考站穿刺点位置展开，如下式，其中，(I_v)₀为主参考站穿刺点处的垂直电离层延迟，Δλ，为测站穿刺点的相对参考中心穿刺点的相对坐标，a_λ,为对应经纬度方向的梯度。根据信号路径方向电离层延迟与垂直电离层延迟的关系：

I＝SF(θ)I_v，SF(θ)为电离层延迟的投影函数，或称为倾斜因子，由于基站网解算后得到的是每条基线的双差电离层延迟改正数而电离层模型是基于非差形式的电离层延迟。因此，将双差电离层分解为非差形式，以基站网中心作为参考点，利用全网基线建立电离层模型，对于某一对卫星(I为参考星，J为非参考星)，将非差电离层模型带入，并写成矩阵形式

将两套参数合并在一起一共6个参数，可简写为经典的观测方程形式，L＝AX+V，以上即为根据双差电离层建立非差电离层模型的理论公式，可以采用最小二乘法进行求解。由于每一对卫星需要求解6个参数，所以至少需要同一主站下的6条基线才满足解算要求，然而实际应用中，网络RTK中与主参考站相连的基线个数不会很多。此时，需要采取累加历元的方法，对法方程进行累加，最终达到要求后解出未知参数，根据最小二乘原理，可以求解处模型参数，由双差电离层求解非差电离层参数，是一个无基准的秩亏平差问题，即所求解的非差电离层模型参数并非绝对值，该模型只能保证一组测站卫星间的差分电离层延迟是正确的。为了得到接近真实的绝对电离层模型参数，则需要对电离层参数的初值进行约束。本文采用Klobuchar模型进行实时电离层改正，将改正量用于求解每对卫星的6个参数的初值，并将其法方程累加到中。

步骤S3：建立基于穿刺点展开的垂直电离层延迟站间模型并根据该模型得到以主站为中心的一套模型参数，建立基于穿刺点展开的垂直电离层延迟站间模型并根据该模型得到以主站为中心的一套模型参数的步骤包括，步骤S3a：基于电离层组合滤波器的电离层建模；所述基于电离层组合滤波器的电离层建模的步骤包括：电离层组合GF观测方程的确定，不使用基线网解中得到的双差电离层延迟估值，直接建立电离层滤波器，该滤波器使用电离层组合(又称为无几何组合)GF(Geometry Free)作为基本观测量，将电离层参数与模糊度一起解算，使用Klobuchar模型对参考星电离层进行改正，作为初值确定每颗非参考卫星的电离层参数，直接给出基于电离层组合的双差观测方程，如下式

通过前述的宽巷模糊度固定方法，其中L1模糊度确定后即可同时求解电离层参数，此时的参考星电离层延迟使用Klobuchar模型计算得到，作为初值。采用Kalman虑波技术进行参数求解。

建立基于穿刺点展开的垂直电离层延迟站间模型并根据该模型得到以主站为中心的一套模型参数的步骤还包括，步骤S3b：虚拟参考站VRS双差电离层改正，在电离层模型参数求出以后，选择主站A，可以直接计算虚拟参考站VRS的电离层改正只是将投影函数和穿刺点的相对坐标替换为VRS的值，即

则只需要使用非参考星的电离层参数计算出主站A与VRS的单差电离层而参考星的单差电离层可以直接用Klobuchar模型计算出来的结果 来求，具体表达式如下

以上的电离层都指的是L1上的延迟，L2的电离层延迟可以直接根据与L1的频率关系计算出来。在本发明中要说明的是测站相关模型也可以用其他的正交函数基来展开，并且可以任意选择要进行展开的参考点。

在本发明中，其中λ₁、λ₂为L₁、L₂载波相位观测值的波长，f₁、f₂为L₁、L₂载波相位观测值的频率，λ_c为无电离层组合相位观测值与波长，λ_w为宽巷载波相位观测值波长，ρ为站星距离，根据测站与卫星的坐标计算得到，I、O、T、M、ε分别为电离层延迟、轨道误差、对流层延迟、多路径效应以及其他误差项，为双差测距码观测值，为双差L₁、L₂相位观测值，为双差宽巷模糊度，为双差L₁相位模糊度，为星间单差对流层映射函数，TZ_q为测站q天顶对流层延迟。

由于本发明采用了如上技术方案，具有如下优点：

(1)利用基站网解的双差电离层延迟改正数，构造非差电离层分解模型，利用投影函数建立垂直电离层延迟与沿路径电离层延迟的关系。建立同一颗卫星下的不同基站间的相关模型，采用泰勒级数的一阶展开，基于穿刺点相对坐标，求解水平梯度。与其他电离层内插算法在模型本质上不同，理论上更加严密。

(2)电离层模型可根据需要进行高阶扩展，并且可以融合到电离层组合滤波器中，在基站网络解算过程中，和模糊度固定一起求解出模型参数。而其他的内插算法只能在基线解算后得到双差电离层改正数，才能进行计算。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.基于穿刺点的区域增强系统实时电离层建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立基站网解模型得到双频载波相位模糊度；

所述建立基站网解模型得到双频载波相位模糊度的具体步骤为：

宽巷模糊度的确定，其中宽巷模糊度的确定包括：

MW组合求解宽巷模糊度，

双频相位线性组合求解宽巷模糊度，

消电离层伪距组合和双频相位组合法求解宽巷模糊度，

根据无电离层组合分离L₁双差相位模糊度，其中根据无电离层组合分离L₁双差相位模糊度的步骤包括：

无电离层组合表达式为无电离层组合观测方程为为要使组合观测方程中消掉电离层影响，组合系数a，b满足如下关系：直接限定系数为a＝77，b＝-60，通过上述的宽巷模糊度，建立求解L₁双差相位模糊度的观测方程：

通过卡尔曼滤波进行模糊度的求解，得到测站处的天顶对流层延迟，其中λ₁、λ₂为L₁、L₂载波相位观测值的波长，f₁、f₂为L₁、L₂载波相位观测值的频率，λ_c为无电离层组合相位观测值与波长，λ_w为宽巷载波相位观测值波长，ρ为站星距离，根据测站与卫星的坐标计算得到，I、O、T、M、ε分别为电离层延迟、轨道误差、对流层延迟、多路径效应以及其他误差项， 为双差测距码观测值，为双差L₁、L₂相位观测值，为双差宽巷模糊度，为双差L₁相位模糊度，为星间单差对流层映射函数，TZ_q为测站q天顶对流层延迟；

基于双频载波相位模糊度，建立双差到非差形式的电离层延迟分解模型；

建立基于穿刺点展开的垂直电离层延迟站间模型并根据该模型得到以主站为中心的一套模型参数；

其具体包括：基于电离层组合滤波器的电离层建模和虚拟参考站VRS双差电离层改正；

所述基于电离层组合滤波器的电离层建模的步骤包括：电离层组合GF观测方程的确定。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立基站网解模型得到双频载波相位模糊度的步骤包括：

宽巷模糊度的确定；

根据无电离层组合分离L₁双差相位模糊度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于双频载波相位模糊度，建立双差到非差形式的电离层延迟分解模型的步骤包括：

确定双差电离层延迟；

通过在穿刺点处电离层建模。

4.如权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所述基于双频载波相位模糊度，建立双差到非差形式的电离层延迟分解模型的步骤包括：

确定双差电离层延迟，其中确定双差电离层延迟具体为，根据载波相位观测方程，以及电磁波在电离层中延迟误差的色散特性，计算得到L₁、L₂载波相位观测值上的电离层延迟双差改正数，

通过在穿刺点处电离层建模，其中穿刺点处电离层建模具体为，穿刺点处垂直电离层延迟，在主参考站穿刺点位置展开为其中，(I_v)₀为主参考站穿刺点处的垂直电离层延迟，Δλ，为测站穿刺点的相对参考中心穿刺点的相对坐标，a_λ,为对应经纬度方向的梯度；根据信号路径方向电离层延迟与垂直电离层延迟的关系：I＝SF(θ)I_v，SF(θ)为电离层延迟的投影函数，或称为倾斜因子。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电离层组合GF观测方程的确定的步骤为；

基于电离层组合的双差观测方程，

其中，电离层延迟使用Klobuchar模型计算得到，作为初值，采用卡尔曼虑波技术进行参数求解。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述虚拟参考站VRS双差电离层改正的具体步骤为：将投影函数和穿刺点的相对坐标替换为VRS的值，即

或通过参考星的电离层参数计算出主站A与VRS的单差电离层参考星的单差电离层通过Klobuchar模型计算出来的结果来求，具体表达式如下，