CN106405582A - 一种电离层误差的处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种电离层误差的处理方法，包括：建立通过双频观测量计算电离层误差值的测量模型；通过Klobuchar模型计算的电离层误差值建立获取电离层误差模型；根据所述测量模型和所述获取电离层误差模型确定电离层误差系数；根据所述获取电离层误差模型和所述电离层误差系数获取电离层误差。本方案由于在接收机内部实时估计该系数，只需在算法上修改，无需外部添加其他硬件和辅助，高效可靠易实现。

Description

一种电离层误差的处理方法及装置

技术领域

本申请涉及但不限于卫星通信领域，尤指一种电离层误差的处理方法及装置。

背景技术

在地球上空距地面50～100km之间的电离层中，气体分子受到太阳等天体各种射线辐射产生强烈电离，形成大量的自由电子和正离子。当GNSS(全球卫星导航定位系统)信号通过电离层时，与其他电磁波一样，信号的路径要发生弯曲，传播速度也会发生变化，从而使测量的距离发生偏差，这种影响称为电离层延迟误差。对于电离层延迟误差可用3种方法来减弱它的影响:①利用双频观测值，利用不同频率的观测值组合来对电离层的延迟进行改正。②利用电离层模型加以改正。③利用同步观测值求差，这种方法对于短基线的效果尤为明显。

上面的方法①需要接收机能够跟踪到双频观测量，电离层延迟误差计算较为准确；方法②只需接收机跟踪到单频观测量，电离层延迟误差不准；方法③需要两台接收机，即用到从基站发来的观测量，属于差分模式。方法①和②只需一个接收机，不倚赖于外部辅助，方法③是通过差分模式来消除电离层误差。

目前，GNSS由美国的GPS(Global Positioning System，全球定位系统)，俄罗斯的GLONASS(格洛纳斯)，中国的北斗以及欧盟的Galileo(伽利略)组成。中国的北斗目前已经发射了16颗卫星，其中包括5颗MEO(Medium Earth Orbit，中地球轨道)，5颗IGSO(InclinedGeosynchronous Satellite Orbit，倾斜地球同步轨道)，和6颗GEO(Geostationary EarthOrbit，地球同步轨道)卫星，实现了亚太地区的定位功能。

GNSS单点定位精度的取决电离层误差、对流层误差、星历误差、卫星钟差等各项参数，其中电离层误差的计算对定位精度影响较大，如果计算不准，会导致定位误差较大。在GNSS单频模式下，电离层误差只能通过广播的电离层参数和Klobuchar(克罗布彻)模型来粗略获得，这种方法误差较大；在双频模式下，通过组建双频消电离层模型来精确获得，这种方法较为精确。通常情况下，GNSS的第一频点信噪比高，比较容易捕获跟踪，而别的频点的信噪比低，只有在观测环境良好的场景才能正常捕获跟踪。

传统的方法是接收机在只有单频信号时，采用Klobuchar模型来粗略获得电离层误差，在双频信号都有时，采用双频消电离层模型来精确获得电离层误差，即接收机经常在单频定位和双频定位之间切换，定位精度时好时坏。

发明内容

本发明实施例提供一种电离层误差的处理方法及装置，以在双频观测量时有时无场景下，只有单频观测量时，依然能够得到高精度的电离层延迟误差值，使得单频定位精度与双频定位精度相当。

本发明实施例提供了一种电离层误差的处理方法，包括：

建立通过双频观测量计算电离层误差值的测量模型；

通过克罗布彻Klobuchar模型计算的电离层误差值建立获取电离层误差模型；

根据所述测量模型和所述获取电离层误差模型确定电离层误差系数；

根据所述获取电离层误差模型和所述电离层误差系数获取电离层误差。

可选地，所述建立通过双频观测量计算电离层误差值的测量模型，包括：

获取同一颗全球定位系统GPS卫星的双频观测量的伪距模型：

其中，

ρ_L1表示第一个频点的观测量值，ρ_L2表示第二个频点的观测量值，r是接收机到卫星之间的几何距离，c是光速，Δt是接收机钟差，I是电离层误差，Trop是对流层误差，Hd_L1是接收机L1频点的观测值ρ_L1的硬件时延，Hd_L2是接收机L2频点的观测值ρ_L2的硬件时延，ε_L1和ε_L2表示观测噪声，Δt^s表示卫星钟差，T_GD是卫星发射端的群时延，γ＝(f₁/f₂)²是两个频点的频率比值的平方；

通过以下公式建立所述测量模型：

Δρ＝c(1-γ)T_GD+(1-γ)I-ΔHd+ε，其中，

可选地，所述通过Klobuchar模型计算的电离层误差值I_klobucher建立获取电离层误差I模型是通过以下公式实现的：

I≈kI_klobucher，其中，k为电离层误差系数。

可选地，所述根据所述测量模型和所述获取电离层误差模型确定电离层误差系数k，包括：

将所述获取电离层误差模型对应的公式带入所述测量模型对应的公式获得以下公式，在存在双频观测量时通过以下公式来确定电离层误差系数k：

该公式式忽略观测噪声ε的影响。

本发明实施例还提供了一种电离层误差的处理装置，包括：

第一建立模块，用于建立通过双频观测量计算电离层误差值的测量模型；

第二建立模块，用于通过克罗布彻Klobuchar模型计算的电离层误差值建立获取电离层误差模型；

确定模块，用于根据所述测量模型和所述获取电离层误差模型确定电离层误差系数；

获取模块，用于根据所述获取电离层误差模型和所述电离层误差系数获取电离层误差。

可选地，所述第一建立模块包括：

获取单元，用于获取同一颗全球定位系统GPS卫星的双频观测量的伪距模型：

其中，

ρ_L1表示第一个频点的观测量值，ρ_L2表示第二个频点的观测量值，r是接收机到卫星之间的几何距离，c是光速，Δt是接收机钟差，I是电离层误差，Trop是对流层误差，Hd_L1是接收机L1频点的观测值ρ_L1的硬件时延，Hd_L2是接收机L2频点的观测值ρ_L2的硬件时延，ε_L1和ε_L2表示观测噪声，Δt^s表示卫星钟差，T_GD是卫星发射端的群时延，γ＝(f₁/f₂)²是两个频点的频率比值的平方；

建立单元，用于通过以下公式建立所述测量模型：

Δρ＝c(1-γ)T_GD+(1-γ)I-ΔHd+ε，其中，

可选地，所述第二建立模块，是通过以下公式来建立获取电离层误差I模型：

I≈kI_klobucher，其中，k为电离层误差系数，I_klobucher为通过Klobuchar模型计算的电离层误差值。

可选地，所述获取模块，具体用于将所述获取电离层误差模型对应的公式带入所述测量模型对应的公式获得以下公式，在存在双频观测量时通过以下公式来确定电离层误差系数k：

该公式式忽略观测噪声ε的影响。

综上，本发明实施例提供的一种电离层误差的处理方法及装置，通过估计Klobuchar模型计算的电离层误差值与双频观测量计算的电离层误差值之间的系数，使得在只有单频观测量时，根据Klobuchar模型计算得到的电离层误差值乘以该系数，依然能够得到高精度的电离层误差。由于在接收机内部实时估计该系数，只需在算法上修改，无需外部添加其他硬件和辅助，高效可靠易实现。

附图说明

图1为本发明实施例的一种电离层误差的处理方法的流程图。

图2为本发明实施例二的一种电离层误差的处理装置的示意图。

图3为本发明实施例三的一种电离层误差的处理装置的示意图。

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明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

鉴于相关技术，如果能够估计出模型电离层误差和双频电离层误差之间系数关系，在只有单频观测量的情况下，依然能够得到高精度的电离层误差值，进而得到高精度的定位结果，而不用在单频定位和双频定位之间切换，本发明实施例提出了一种电离层误差的处理方法。

实施例一

图1为本发明实施例的一种电离层误差的处理方法的流程图，如图1所示，本实施例提供的一种电离层误差的处理方法，包括以下步骤：

S11、建立通过双频观测量计算电离层误差值的测量模型；

S12、通过Klobuchar模型计算的电离层误差值建立获取电离层误差模型；

S13、根据所述测量模型和所述获取电离层误差模型确定电离层误差系数；

S14、根据所述获取电离层误差模型和所述电离层误差系数获取电离层误差。

以下对本实施例的方法进行详细的说明。

A、双频观测值与电离层延时误差I的关系；

对于GPS卫星而言，同一颗卫星的双频观测量，其伪距模型表达式如下：

上式中，ρ_L1表示第一个频点的观测量值，ρ_L2表示第二个频点的观测量值，L1表示GPS的第一频点，L2表示GPS的第二频点。

r是接收机到卫星的几何距离，c是光速，Δt是接收机钟差，I是电离层误差，Trop是对流层误差，Hd_L1是接收机L1频点的观测值ρ_L1的硬件时延，Hd_L2是接收机L2频点的观测值ρ_L2的硬件时延，ε_L1和ε_L2表示观测噪声，假设同一频点的观测量具有相同的值，Δt^s卫星钟差，T_GD是卫星发射端的群时延，γ＝(f₁/f₂)²是两个频点的频率比值的平方。

根据式(1)，将双频观测量值做差为：

令

将式(3)代入到(2)中可得：

Δρ＝c(1-γ)T_GD+(1-γ)I-ΔHd+ε (4)

B、Klobuchar模型计算电离层延时误差I_klobucher；

接收机能够跟踪解调到卫星下发的电离层误差参数，根据这些电离层误差参数和Klobuchar模型，可以计算出电离层误差的模型值，不妨称Klobuchar模型计算的电离层误差值为I_klobucher。Klobuchar模型是专业内常用的模型，在公开文献中可查。

C、Klobuchar模型值I_klobucher与真实电离层误差I的关系；

根据该Klobuchar模型估计的电离层误差值I_klobucher大致能校正真实电离层延时误差I的50％，该Klobuchar模型估计的电离层误差I_klobucher在一段时间内的误差基本稳定，即在一段时间内Klobuchar模型的估计值I_klobucher与真实电离层误差值I之间的关系基本稳定，不妨令实际的电离层误差值I与I_klobucher是线性关系，即存在系数k，使得：

I≈kI_klobucher (5)

将式(5)带入(4)，可得：

Δρ＝c(1-γ)T_GD+(1-γ)kI_klobucher-ΔHd+ε (6)

忽略观测噪声ε的影响，将上式(6)改写为如下形式：

令

上式中的下标i表示某颗卫星序号。

则将式(8)代入式(7)可得：

z_i＝h_iX (9)

接收机同时跟踪到多颗卫星，每颗星都可以得到式(9)所示形式的观测方程，根据这些观测方程，可以通过最小二乘或卡尔曼滤波得到

对于BD2(中国北斗卫星导航系统)系统，可以得到类似(9)形式的观测方程，可以联合GPS系统，组成一个卡尔曼滤波器来估计电离层误差系数。

Klobuchar模型值I_klobucher的误差系数k的应用如下：

在观测条件良好，双频观测量都存在时，根据式(9)来估计得到电离层误差系数k，观测条件不好，只能捕获跟踪到单频观测量时，根据式(5)来获得比Klobuchar模型更为精确的电离层误差。将式(5)代入式(1)可得：

ρ_L1＝r+cΔt-c(Δt^s-T_GD)+kI_klobucher+Trop-Hd_L1+ε_L1 (10)

上式是单频伪距观测方程，电离层的误差值kI_klobucher比Klobuchar模型值I_klobucher更准确，因而根据式(10)单频定位时，定位精度更高。

实施例二

图2为本发明实施例的一种电离层误差的处理装置的示意图，如图2所示，本实施例的一种电离层误差的处理装置200包括：

第一建立模块201，用于建立通过双频观测量计算电离层误差值的测量模型；

第二建立模块202，用于通过克罗布彻Klobuchar模型计算的电离层误差值建立获取电离层误差模型；

确定模块203，用于根据所述测量模型和所述获取电离层误差模型确定电离层误差系数；

获取模块204，用于根据所述获取电离层误差模型和所述电离层误差系数获取电离层误差。

本实施例的一种电离层误差的处理装置，能够估计出模型电离层误差和双频电离层误差之间系数关系，在只有单频观测量的情况下，依然能够得到高精度的电离层误差值，进而得到高精度的定位结果。

实施例三

如图3所示，本实施例的第一建立模块201包括：

获取单元2011，用于获取同一颗全球定位系统GPS卫星的双频观测量的伪距模型：

其中，

ρ_L1表示第一个频点的观测量值，ρ_L2表示第二个频点的观测量值，r是接收机到卫星之间的几何距离，c是光速，Δt是接收机钟差，I是电离层误差，Trop是对流层误差，Hd_L1是接收机L1频点的观测值ρ_L1的硬件时延，Hd_L2是接收机L2频点的观测值ρ_L2的硬件时延，ε_L1和ε_L2表示观测噪声，Δt^s表示卫星钟差，T_GD是卫星发射端的群时延，γ＝(f₁/f₂)²是两个频点的频率比值的平方；

建立单元2012，用于通过以下公式建立所述测量模型：

Δρ＝c(1-γ)T_GD+(1-γ)I-ΔHd+ε，其中，

在一可选实施例中，第二建立模块202是通过以下公式来建立获取电离层误差I模型：

I≈kI_klobucher，其中，k为电离层误差系数，I_klobucher为通过Klobuchar模型计算的电离层误差值。

在一可选实施例中，获取模块204具体用于将所述获取电离层误差模型对应的公式带入所述测量模型对应的公式获得以下公式，在存在双频观测量时通过以下公式来确定电离层误差系数k：

该公式忽略观测噪声ε的影响。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被执行时实现所述电离层误差的处理方法方法。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种电离层误差的处理方法，包括：

建立通过双频观测量计算电离层误差值的测量模型；

通过克罗布彻Klobuchar模型计算的电离层误差值建立获取电离层误差模型；

根据所述测量模型和所述获取电离层误差模型确定电离层误差系数；

根据所述获取电离层误差模型和所述电离层误差系数获取电离层误差。

2.如权利要求1所述的一种电离层误差的处理方法，其特征在于：所述建立通过双频观测量计算电离层误差值的测量模型，包括：

获取同一颗全球定位系统GPS卫星的双频观测量的伪距模型：

其中，

ρ_L1表示第一个频点的观测量值，ρ_L2表示第二个频点的观测量值，r是接收机到卫星之间的几何距离，c是光速，Δt是接收机钟差，I是电离层误差，Trop是对流层误差，Hd_L1是接收机L1频点的观测值ρ_L1的硬件时延，Hd_L2是接收机L2频点的观测值ρ_L2的硬件时延，ε_L1和ε_L2表示观测噪声，Δt^s表示卫星钟差，T_GD是卫星发射端的群时延，γ＝(f₁/f₂)²是两个频点的频率比值的平方；

通过以下公式建立所述测量模型：

Δρ＝c(1-γ)T_GD+(1-γ)I-ΔHd+ε，其中，

ε＝ε_L1-ε_L2，ΔHd＝Hd_L1-Hd_L2。

3.如权利要求2所述的一种电离层误差的处理方法，其特征在于：所述通过Klobuchar模型计算的电离层误差值I_klobucher建立获取电离层误差I模型是通过以下公式实现的：

I≈kI_klobucher，其中，k为电离层误差系数。

4.如权利要求3所述的一种电离层误差的处理方法，其特征在于：所述根据所述测量模型和所述获取电离层误差模型确定电离层误差系数k，包括：

将所述获取电离层误差模型对应的公式带入所述测量模型对应的公式获得以下公式，在存在双频观测量时通过以下公式来确定电离层误差系数k：

该公式式忽略观测噪声ε的影响。

5.一种电离层误差的处理装置，其特征在于，包括：

第一建立模块，用于建立通过双频观测量计算电离层误差值的测量模型；

第二建立模块，用于通过克罗布彻Klobuchar模型计算的电离层误差值建立获取电离层误差模型；

确定模块，用于根据所述测量模型和所述获取电离层误差模型确定电离层误差系数；

获取模块，用于根据所述获取电离层误差模型和所述电离层误差系数获取电离层误差。

6.如权利要求5所述的一种电离层误差的处理装置，其特征在于：所述第一建立模块包括：

获取单元，用于获取同一颗全球定位系统GPS卫星的双频观测量的伪距模型：

其中，

ρ_L1表示第一个频点的观测量值，ρ_L2表示第二个频点的观测量值，r是接收机到卫星之间的几何距离，c是光速，Δt是接收机钟差，I是电离层误差，Trop是对流层误差，Hd_L1是接收机L1频点的观测值ρ_L1的硬件时延，Hd_L2是接收机L2频点的观测值ρ_L2的硬件时延，ε_L1和ε_L2表示观测噪声，Δt^s表示卫星钟差，T_GD是卫星发射端的群时延，γ＝(f₁/f₂)²是两个频点的频率比值的平方；

建立单元，用于通过以下公式建立所述测量模型：

Δρ＝c(1-γ)T_GD+(1-γ)I-ΔHd+ε，其中，

ε＝ε_L1-ε_L2，ΔHd＝Hd_L1-Hd_L2。

7.如权利要求6所述的一种电离层误差的处理装置，其特征在于：

所述第二建立模块，是通过以下公式来建立获取电离层误差I模型：

I≈kI_klobucher，其中，k为电离层误差系数，I_klobucher为通过Klobuchar模型计算的电离层误差值。

8.如权利要求7所述的一种电离层误差的处理装置，其特征在于：

所述获取模块，具体用于将所述获取电离层误差模型对应的公式带入所述测量模型对应的公式获得以下公式，在存在双频观测量时通过以下公式来确定电离层误差系数k：

该公式式忽略观测噪声ε的影响。