CN106405589A - 一种全球电离层格网模型的确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全球电离层格网模型的确定方法及装置，属于全球导航系统及空间环境监测领域。用以解决现有各类电离层数据之间存在系统性偏差，将各类电离层数据不能进行简单的融合的问题。包括：根据GNSS观测数据，通过公式(1)和(2)确定天顶方向的电离层VTEC₁；根据海洋测高卫星的数据，采用公式(3)并结合平滑与重采样的方法，获取天顶方向的电离层VTEC₂；根据DORIS的双频相位观测值，通过公式(4)确定STEC_bias，由GIM内插原理，DORIS的双频相位观测值和STEC_bias，确定修正后的STEC，根据修正后的STEC和定标方法，确定天顶方向的电离层VTEC3；根据球谐函数模型对电离层VTEC1、VTEC2和VTEC3进行拟合，确定基于多源数据融合的全球电离层格网模型。

Description

一种全球电离层格网模型的确定方法及装置

技术领域

本发明属于全球导航系统及空间环境监测领域，更具体的涉及一种全球电离层格网模型的确定方法及装置。

背景技术

利用GNSS(英文为：Global Navigation Satellite System，中文简称：全球卫星导航系统)数据建立的全球电离层格网模型(英文为：Global IonosphereMaps英文简称：GIM)是研究电离层变化的重要手段。但是，GNSS跟踪站分布不均匀，GIM在海洋等缺少GNSS跟踪站的地区精度和可靠性较低。

海洋测高卫星的轨道可以覆盖大部分海洋地区，发射双频信号可以得到轨道星下点处的VTEC(英文为：Vertical Total Electron Content，中文简称：垂直方向的总电子含量)。同时DORIS(英文为：Doppler Orbitography by Radiopositioning Integrated on Satellite，中文简称：地基多普勒无线电定轨定位系统)地面信标站在全球有着均匀的分布。

海洋测高卫星和DORIS在海洋地区均可以弥补GNSS跟踪站的不足，将海洋测高和DORIS系统数据与GNSS观测数据进行融合，可以有效提高GIM在海洋地区的精度和可靠性。但是，由于各类电离层数据之间存在系统性偏差，将上述各类电离层数据不能进行简单的融合。

发明内容

本发明实施例提供一种全球电离层格网模型的确定方法及装置，用以解决现有技术中存在各类电离层数据之间存在系统性偏差，将上述各类电离层数据不能进行简单的融合的问题。

本发明实施例提供一种全球电离层格网模型的确定方法，包括：

根据全球卫星导航系统GNSS观测数据，通过公式(1)和(2)确定天顶方向的电离层第一垂直方向的总电子含量VTEC₁；

根据海洋测高卫星的数据，采用公式(3)并结合平滑与重采样的方法，获取天顶方向的电离层第二垂直方向的总电子含量VTEC₂；

根据地基多普勒无线电定轨定位系统DORIS的双频相位观测值，通过公式(4)确定信号传播路径上的总电子含量STEC_bias，由初始全球电离层格网模型GIM内插原理，所述DORIS的双频相位观测值和所述STEC_bias确定修正后的STEC，根据所述修正后的STEC和定标方法，确定天顶方向的电离层第三垂直方向的总电子含量VTEC₃；

根据球谐函数模型对所述VTEC1、所述VTEC2和所述VTEC3C₂和VTEC₃进行拟合，确定基于多源数据融合的全球电离层格网模型；

其中，公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

STEC＝mf·VTEC₁

公式(3)如下所示：

公式(4)如下所示：

上述公式中，STEC为信号传播路径上的总电子含量，P₁、P₂为两个频率上GNSS测码伪距观测值，f₁、f₂为载波的频率，Δb_k、Δb^s分别为接收机和卫星硬件延迟偏差，R为地球半径，H为单层电离层高度，z为卫星在跟踪站处的天顶距，mf为投影函数，dR为电离层对电磁波路径的影响值，STEC_bias为具有偏差的STEC，f为信号频率；λ₁,λ₂分别为地面信标站发射信号L₁和L₂的波长，为两个频率的DORIS的双频相位观测值。

优选地，所述根据所述GNSS观测数据，通过公式(1)和(2)确定天顶方向的电离层VTEC₁，包括：

采用单层电离层模型假设，将信号传播路径上的总电子含量STEC投影到天顶方向上，确定天顶方向的VTEC₁。

优选地，所述根据海洋测高卫星的数据，采用公式(3)并结合平滑与重采样的方法，获取天顶方向的电离层VTEC₂，包括：

根据海洋测高卫星磁波信号的影响值，确定电离层范围的信号差分群路径，根据公式(3)获得原始的垂直方向的总电子含量VTEC；

以10s为间隔对所述原始的VTEC进行平滑和重采样，获取天顶方向的电离层VTEC₂。

优选地，所述根据DORIS的双频相位观测值，通过公式(4)确定STEC_bias，由GIM内插原理，所述DORIS的双频相位观测值和所述STEC_bias确定修正后的STEC，根据所述修正后的STEC和定标方法，确定天顶方向的电离层VTEC3，包括：

根据所述DORIS的双频相位观测值和所述公式(4)确定所述STEC_bias，由所述GIM原理内插获取所述DORIS的双频相位观测值所在位置处的VTEC，并将所述VTEC投影到信号传播路径上得到所述STEC；

在一个连续观测弧段，对每个由所述DORIS的双频相位观测值得到的所述STEC_bias和根据所述GIM原理内插得到的所述STEC进行求差，并确定连续观测弧段上所述STEC_bias与所述STEC之间的平均偏差；

根据所述STEC_bias与所述STEC之间的平均偏差和所述所述STEC，确定修正后的STEC，将所述修正后的STEC投影到天顶方向上，得到所述天顶方向的电离层VTEC₃。

优选地，所述基于多源数据融合的全球电离层模型通过下列公式确定：

公式中，β为穿刺点的纬度，s为穿刺点在日固系下的太阳时角，N为球谐函数的最大展开阶数，为n度m阶的归化勒让德函数，和为未知的球谐函数系数，即待求的电离层模型参数。

本发明实施例还提供一种全球电离层格网模型的确定装置，包括：

第一确定单元，用于根据全球卫星导航系统GNSS观测数据，通过公式(1)和(2)确定天顶方向的电离层第一垂直方向的总电子含量VTEC₁；

第二确定单元，用于根据海洋测高卫星的数据，采用公式(3)并结合平滑与重采样的方法，获取天顶方向的电离层第二垂直方向的总电子含量VTEC₂；

第三确定单元，用于根据地基多普勒无线电定轨定位系统DORIS的双频相位观测值，通过公式(4)确定信号传播路径上的总电子含量STEC_bias，由初始全球电离层格网模型GIM内插原理，所述DORIS的双频相位观测值和所述STEC_bias确定修正后的STEC，根据所述修正后的STEC和定标方法，确定天顶方向的电离层第三垂直方向的总电子含量VTEC₃；

第四确定单元，用于根据球谐函数模型对所述VTEC1、所述VTEC2和所述VTEC3C₂和VTEC₃进行拟合，确定基于多源数据融合的全球电离层格网模型；

其中，公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

STEC＝mf·VTEC₁

公式(3)如下所示：

公式(4)如下所示：

上述公式中，STEC为信号传播路径上的总电子含量，P₁、P₂为两个频率上GNSS测码伪距观测值，f₁、f₂为载波的频率，Δb_k、Δb^s分别为接收机和卫星硬件延迟偏差，R为地球半径，H为单层电离层高度，z为卫星在跟踪站处的天顶距，mf为投影函数，dR为电离层对电磁波路径的影响值，STEC_bias为具有偏差的STEC，f为信号频率；λ₁,λ₂分别为地面信标站发射信号L₁和L₂的波长，为两个频率的DORIS的双频相位观测值。

优选地，所述确定单元具体用于：

采用单层电离层模型假设，将信号传播路径上的总电子含量STEC投影到天顶方向上，确定天顶方向的VTEC₁。

优选地，所述所述确定单元具体用于：

根据海洋测高卫星磁波信号的影响值，确定电离层范围的信号差分群路径，根据公式(3)获得原始的垂直方向的总电子含量VTEC；

以10s为间隔对所述原始的VTEC进行平滑和重采样，获取天顶方向的电离层VTEC₂。

优选地，所述确定单元具体用于：

根据所述DORIS的双频相位观测值和所述公式(4)确定所述STEC_bias，由所述GIM原理内插获取所述DORIS的双频相位观测值所在位置处的VTEC，并将所述VTEC投影到信号传播路径上得到所述STEC；

在一个连续观测弧段，对每个由所述DORIS的双频相位观测值得到的所述STEC_bias和根据所述GIM原理内插得到的所述STEC进行求差，并确定连续观测弧段上所述STEC_bias与所述STEC之间的平均偏差；

根据所述STEC_bias与所述STEC之间的平均偏差和所述所述STEC，确定修正后的STEC，将所述修正后的STEC投影到天顶方向上，得到所述天顶方向的电离层VTEC₃。

优选地，所述基于多源数据融合的全球电离层模型通过下列公式确定：

公式中，β为穿刺点的纬度，s为穿刺点在日固系下的太阳时角，N为球谐函数的最大展开阶数，为n度m阶的归化勒让德函数，和为未知的球谐函数系数，即待求的电离层模型参数。

本发明实施例中，提供一种全球电离层格网模型的确定方法及装置，包括根据GNSS观测数据，通过公式和STEC＝mf·VTEC确定天顶方向的电离层第一垂直方向的总电子含量VTEC₁；根据海洋测高卫星的数据，采用公式并结合平滑与重采样的方法，获取天顶方向的电离层第二垂直方向的总电子含量VTEC₂；根据地基多普勒无线电定轨定位系统DORIS的双频相位观测值，通过公式确定信号传播路径上的总电子含量STEC_bias，由初始全球电离层格网模型GIM内插原理，所述DORIS的双频相位观测值和所述STEC_bias确定修正后的STEC，根据所述修正后的STEC和定标方法，确定天顶方向的电离层第三垂直方向的总电子含量VTEC₃；根据球谐函数模型对所述VTEC1、所述VTEC2和所述VTEC3C₂和VTEC₃进行拟合，确定基于多源数据融合的全球电离层格网模型；上述公式中，STEC为信号传播路径上的总电子含量，P₁、P₂为两个频率上GNSS测码伪距观测值，f₁、f₂为载波的频率，Δb_k、Δb^s分别为接收机和卫星硬件延迟偏差，R为地球半径，H为单层电离层高度，z为卫星在跟踪站处的天顶距，mf为投影函数，dR为电离层对电磁波路径的影响值，STEC_bias为具有偏差的STEC，f为信号频率；λ₁,λ₂分别为地面信标站发射信号L₁和L₂的波长，为两个频率的DORIS的双频相位观测值。本发明实施例中，将GNSS和空基数据融合，得到两小时间隔的GIM，将海洋测高卫星和DORIS系统与GNSS的系统偏差作为参数进行估计，根据球谐函数模型将第一总电子含量，第二总电子含量，第三总电子含量进行拟合，从而可以确定基于多源数据融合的全球电离层格网模型。解决了现有技术中存在各类电离层数据之间存在系统性偏差，将上述各类电离层数据不能进行简单的融合的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种全球电离层格网模型的确定方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供一种全球电离层格网模型的确定装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种全球电离层格网模型的确定方法流程示意图。

如图1所示，本发明实施例提供的一种全球电离层格网模型的确定方法包括以下步骤：

步骤101，根据GNSS观测数据，通过公式(1)和(2)确定天顶方向的电离层第一垂直方向的总电子含量VTEC₁；

步骤102，根据海洋测高卫星的数据，采用公式(3)并结合平滑与重采样的方法，获取天顶方向的电离层第二垂直方向的总电子含量VTEC₂；

步骤103，根据地基多普勒无线电定轨定位系统DORIS的双频相位观测值，通过公式(4)确定信号传播路径上的总电子含量STEC_bias，由初始全球电离层格网模型GIM内插原理，所述DORIS的双频相位观测值和所述STEC_bias确定修正后的STEC，根据所述修正后的STEC和定标方法，确定天顶方向的电离层第三垂直方向的总电子含量VTEC₃；

步骤104，根据球谐函数模型对所述VTEC1、所述VTEC2和所述VTEC3C₂和VTEC₃进行拟合，确定基于多源数据融合的全球电离层格网模型；

其中，公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

STEC＝mf·VTEC₁

公式(3)如下所示：

公式(4)如下所示：

上述公式中，STEC为信号传播路径上的总电子含量，P₁、P₂为两个频率上GNSS测码伪距观测值，f₁、f₂为载波的频率，Δb_k、Δb^s分别为接收机和卫星硬件延迟偏差，R为地球半径，H为单层电离层高度，z为卫星在跟踪站处的天顶距，mf为投影函数，dR为电离层对电磁波路径的影响值，STEC_bias为具有偏差的STEC，f为信号频率；λ₁,λ₂分别为地面信标站发射信号L₁和L₂的波长，为两个频率的DORIS的双频相位观测值。

在步骤101中，利用GNSS双频伪距观测值，通过公式(1)可以计算信号传播路径上的STEC(英文为：Slant Total Electron Content，中文简称：总电子含量)：

公式(1)中，P₁、P₂为两个频率上GNSS测码伪距观测值，f₁、f₂为L₁、L₂载波的频率，Δb_k、Δb^s分别为接收机和卫星硬件延迟偏差。

需要说明的是，在本发明实施例中，建立全球电离层模型时，采用了单层电离层模型的假设，即电离层所有电子均集中在距地面某一高度(本发明取为350km)的无限薄层中，信号传播路径与单层电离层的交点称作穿刺点IPP(英文为：Ionospheric Pierce Point，中文简称：电离层穿刺点)。在本发明实施例中，距离地面的高度值可以选取350km。

进一步地，将沿信号传播方向的STEC投影到天顶方向上，可以得到天顶方向的电离层VTEC₁，在实际应用中，最常用的投影函数是三角函数型投影函数，具体表达式如公式(2)所示：

STEC＝mf·VTEC₁ (2)

在公式(2)中：R为地球半径，H为单层电离层高度，z为卫星在跟踪站处的天顶距，mf(英文为：mapping function，中文简称：投影函数)。

在步骤102中，海洋测高卫星的主要目的是获得海平面变化的信息，为大洋和区域性海洋潮汐研究提供基础资料。目前在轨运行的主要为2008年6月20日发射的Jason-2卫星。

电离层对电磁波路径的影响与自由电子的密度成正比，与电磁波的频率平方成反比，其中，原始的VTEC可以根据下列公式(3)确定：

上述公式(3)中，dR为电离层对电磁波路径的影响值，f为信号频率。

在实际应用中，Jason卫星的雷达高度计可以直接获得发射信号的差分群路径从而得到电离层范围内的校正dR，并将其转换为TEC。Jason卫星获得的垂直方向上的总电子含量，具有很高的可信度。

需要说明的是，由于海浪等因素的影响，海洋测高卫星获得的VTEC波动较大，且采样率为1s，可对原始的VTEC进行平滑和重采样，取10s之内VTEC的平均值作为重采样之后的VTEC观测值，使海洋测高卫星的VTEC采样间隔为10s。

步骤103中，由于DORIS伪距观测值的精度仅为1～5km，建立全球电离层模型时只能采用相位观测值，而相位观测值同样存在整周模糊度，利用相位观测值得到的TEC与实际的TEC之间存在系统性偏差，可以利用外部数据对其进行校正。

具体地，DORIS系统双频相位观测方程如以下公式(5)所示：

公式(6)中，λ₁,λ₂分别为地面信标站发射信号L₁和L₂的波长，I_p同式，为L₁上的相位观测值受到的电离层延迟，V_tro为对流层延迟，N₁,N₂为L₁和L₂上的整周模糊度，ε₁,ε₂为观测噪声，D为地面信标站相位中心到卫星的几何距离，τ_r,τ_e为接收机接收时间误差和信标发生时间误差。

进一步地，将公式(5)中两个公式相减，可以得到以下公式(6)：

在本发明实施例中，可以忽略整周模糊度的影响，从而得到含有系统偏差的TEC_bias，具体如公式(4)所示：

在公式(4)中，STEC_bias为具有偏差的STEC，f₁、f₂为载波的频率，λ₁,λ₂分别为地面信标站发射信号L₁和L₂的波长，为两个频率的DORIS的双频相位观测值。

在实际应用中，尽管利用DORIS载波相位观测值得到的STEC具有很高的精度，但是由于载波相位观测值中整周模糊度的存在，该STEC与真实的STEC存在一个偏差。因而，DORIS直接得到的STEC仅仅是一个相对的STEC，不能直接用于电离层模型建立中。

在本发明实施例中，采用GIM模型对DORIS STEC进行改正的方法。具体包括：

根据所述DORIS的双频相位观测值和所述公式(4)确定所述STEC_bias，由所述GIM原理内插获取所述DORIS的双频相位观测值所在位置处的VTEC，并将所述VTEC投影到信号传播路径上得到所述STEC；

在一个连续观测弧段，对每个由所述DORIS的双频相位观测值得到的所述STEC_bias和根据所述GIM原理内插得到的所述STEC进行求差，并确定连续观测弧段上所述STEC_bias与所述STEC之间的平均偏差；

根据所述STEC_bias与所述STEC之间的平均偏差和所述所述STEC，确定修正后的STEC，将所述修正后的STEC投影到天顶方向上，得到所述天顶方向的电离层VTEC₃。

在步骤104中，将GNSS观测数据和海洋测高以及DORIS系统数据进行组合将改善电离层数据的全球分布，有望获得更好的可靠性。将不同观测手段得到的VTEC利用合适的模型进行拟合就可以得到全球电离层模型。其中，基于多源数据融合的全球电离层格网模型如公式(7)所示：

在公式(8)中，β为穿刺点的纬度；s为穿刺点在日固系下的太阳时角；N为球谐函数的最大展开阶数；为n度m阶的归化勒让德函数；和为未知的球谐函数系数，即待求的电离层模型参数。

需要说明的是，在本发明实施例中，当采用15×15阶的球谐函数模型，将不同类电离层数据进行融合时，需要考虑各类观测值之间的权值，采用赫尔墨特方差分量估计的方法精确定权。其中，多源数据融合的法方程系数阵为地基GNSS、海洋测高卫星和DORIS的法方程系数阵之和，如以下公式(8)所示：

公式(9)中，N为法方程系数阵，B为设计矩阵，P为权阵。为了减少程序运行所占资源、提高程序运行效率，建模时采用法方程叠加法，并仅对非零元素进行运算。

综上所述，本发明实施例提供的一种全球电离层格网模型的确定方法，将GNSS和空基数据融合，得到两小时间隔的GIM，将海洋测高卫星和DORIS系统与GNSS的系统偏差作为参数进行估计，根据球谐函数模型将第一总电子含量，第二总电子含量，第三总电子含量进行拟合，从而可以确定基于多源数据融合的全球电离层格网模型。解决了现有技术中存在各类电离层数据之间存在系统性偏差，将上述各类电离层数据不能进行简单的融合的问题。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种全球电离层格网模型的确定装置，由于该装置解决技术问题的原理与一种全球电离层格网模型的确定方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

图2为本发明实施例提供的一种全球电离层格网模型的确定装置结构示意图。如图2所示，该装置包括第一确定单元21，第二确定单元22，第三确定单元23和第四确定单元24。

第一确定单元21，用于根据全球卫星导航系统GNSS观测数据，通过公式(1)和(2)确定天顶方向的电离层第一垂直方向的总电子含量VTEC₁；

第二确定单元22，用于根据海洋测高卫星的数据，采用公式(3)并结合平滑与重采样的方法，获取天顶方向的电离层第二垂直方向的总电子含量VTEC₂；

第三确定单元23，用于根据地基多普勒无线电定轨定位系统DORIS的双频相位观测值，通过公式(4)确定信号传播路径上的总电子含量STEC_bias，由初始全球电离层格网模型GIM内插原理，所述DORIS的双频相位观测值和所述STEC_bias确定修正后的STEC，根据所述修正后的STEC和定标方法，确定天顶方向的电离层第三垂直方向的总电子含量VTEC₃；

第四确定单元24，用于根据球谐函数模型对所述VTEC1、所述VTEC2和所述VTEC3C₂和VTEC₃进行拟合，确定基于多源数据融合的全球电离层格网模型；

其中，公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

STEC＝mf·VTEC₁

公式(3)如下所示：

公式(4)如下所示：

上述公式中，STEC为信号传播路径上的总电子含量，P₁、P₂为两个频率上GNSS测码伪距观测值，f₁、f₂为载波的频率，Δb_k、Δb^s分别为接收机和卫星硬件延迟偏差，R为地球半径，H为单层电离层高度，z为卫星在跟踪站处的天顶距，mf为投影函数，dR为电离层对电磁波路径的影响值，STEC_bias为具有偏差的STEC，f为信号频率；λ₁,λ₂分别为地面信标站发射信号L₁和L₂的波长，为两个频率的DORIS的双频相位观测值。

具体地，所述第一确定单元21具体用于：

采用单层电离层模型假设，将信号传播路径上的总电子含量STEC投影到天顶方向上，确定天顶方向的VTEC₁。

具体地，所述所述第二确定单元22具体用于：

根据海洋测高卫星磁波信号的影响值，确定电离层范围的信号差分群路径，根据公式(3)获得原始的垂直方向的总电子含量VTEC；

以10s为间隔对所述原始的VTEC进行平滑和重采样，获取天顶方向的电离层VTEC₂。

具体地，所述第三确定单元23具体用于：

根据所述DORIS的双频相位观测值和所述公式(4)确定所述STEC_bias，由所述GIM原理内插获取所述DORIS的双频相位观测值所在位置处的VTEC，并将所述VTEC投影到信号传播路径上得到所述STEC；

在一个连续观测弧段，对每个由所述DORIS的双频相位观测值得到的所述STEC_bias和根据所述GIM原理内插得到的所述STEC进行求差，并确定连续观测弧段上所述STEC_bias与所述STEC之间的平均偏差；

根据所述STEC_bias与所述STEC之间的平均偏差和所述所述STEC，确定修正后的STEC，将所述修正后的STEC投影到天顶方向上，得到所述天顶方向的电离层VTEC₃。

具体地，所述基于多源数据融合的全球电离层模型通过下列公式确定：

公式中，β为穿刺点的纬度，s为穿刺点在日固系下的太阳时角，N为球谐函数的最大展开阶数，为n度m阶的归化勒让德函数，和为未知的球谐函数系数，即待求的电离层模型参数。

应当理解，以上一种全球电离层格网模型的确定装置包括的单元仅为根据该设备装置实现的功能进行的逻辑划分，实际应用中，可以进行上述单元的叠加或拆分。并且该实施例提供的一种全球电离层格网模型的确定装置所实现的功能与上述实施例提供的一种全球电离层格网模型的确定方法一一对应，对于该装置所实现的更为详细的处理流程，在上述方法实施例一中已做详细描述，此处不再详细描述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种全球电离层格网模型的确定方法，其特征在于，包括：

根据全球卫星导航系统GNSS观测数据，通过公式(1)和(2)确定天顶方向的电离层第一垂直方向的总电子含量VTEC₁；

根据海洋测高卫星的数据，采用公式(3)并结合平滑与重采样的方法，获取天顶方向的电离层第二垂直方向的总电子含量VTEC₂；

根据地基多普勒无线电定轨定位系统DORIS的双频相位观测值，通过公式(4)确定信号传播路径上的总电子含量STEC_bias，由初始全球电离层格网模型GIM内插原理，所述DORIS的双频相位观测值和所述STEC_bias确定修正后的STEC，根据所述修正后的STEC和定标方法，确定天顶方向的电离层第三垂直方向的总电子含量VTEC₃；

根据球谐函数模型对所述VTEC₁、所述VTEC₂和所述VTEC₃进行拟合，确定基于多源数据融合的全球电离层格网模型；

其中，公式(1)如下所示：

$STEC=\frac{f_1^2{f}_2^2}{40.3\·(f_1^2-f_2^2)}(P_2-P_1+{\mathrm{\Δb}}_k+{\mathrm{\Δb}}^s)$

公式(2)如下所示：

STEC＝mf·VTEC₁

公式(3)如下所示：

${\mathrm{VTEC}}_2=-\frac{dR\·f^2}{40.3}$

公式(4)如下所示：

上述公式中，STEC为信号传播路径上的总电子含量，P₁、P₂为两个频率上GNSS测码伪距观测值，f₁、f₂为载波的频率，Δb_k、Δb^s分别为接收机和卫星硬件延迟偏差，R为地球半径，H为单层电离层高度，z为卫星在跟踪站处的天顶距，mf为投影函数，dR为电离层对电磁波路径的影响值，STEC_bias为具有偏差的STEC，f为信号频率；λ₁,λ₂分别为地面信标站发射信号L₁和L₂的波长，为两个频率的DORIS的双频相位观测值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述GNSS观测数据，通过公式(1)和(2)确定天顶方向的电离层VTEC₁，包括：

采用单层电离层模型假设，将信号传播路径上的总电子含量STEC投影到天顶方向上，确定天顶方向的电离层VTEC₁。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据海洋测高卫星的数据，采用公式(3)并结合平滑与重采样的方法，获取天顶方向的电离层VTEC₂，包括：

根据海洋测高卫星磁波信号的影响值，确定电离层范围的信号差分群路径，根据公式(3)获得原始的垂直方向的总电子含量VTEC；

以10s为间隔对所述原始的VTEC进行平滑和重采样，获取天顶方向的电离层VTEC₂。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据DORIS的双频相位观测值，通过公式(4)确定STEC_bias，由GIM内插原理，所述DORIS的双频相位观测值和所述STEC_bias确定修正后的STEC，根据所述修正后的STEC和定标方法，确定天顶方向的电离层VTEC₃，包括：

根据所述DORIS的双频相位观测值和所述公式(4)确定所述STEC_bias，由所述GIM原理内插获取所述DORIS的双频相位观测值所在位置处的VTEC，并将所述VTEC投影到信号传播路径上得到所述STEC；

在一个连续观测弧段，对每个由所述DORIS的双频相位观测值得到的所述STEC_bias和根据所述GIM原理内插得到的所述STEC进行求差，并确定连续观测弧段上所述STEC_bias与所述STEC之间的平均偏差；

根据所述STEC_bias与所述STEC之间的平均偏差和所述所述STEC，确定修正后的STEC，将所述修正后的STEC投影到天顶方向上，得到所述天顶方向的电离层VTEC₃。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于多源数据融合的全球电离层模型通过下列公式确定：

$VTEC(\mathrm{\β},s)=\underset{n=0}{\overset{N}{\Σ}}\underset{m=0}{\overset{n}{\Σ}}{\tilde{P}}_{nm}\left(\sin \mathrm{\β}\right)\left({\tilde{C}}_{nm}\cos \right(ms)+{\tilde{S}}_{nm}\sin (ms\left)\right)$

公式中，β为穿刺点的纬度，s为穿刺点在日固系下的太阳时角，N为球谐函数的最大展开阶数，为n度m阶的归化勒让德函数，和为未知的球谐函数系数，即待求的电离层模型参数。

6.一种全球电离层格网模型的确定装置，其特征在于，包括：

第一确定单元，用于根据全球卫星导航系统GNSS观测数据，通过公式(1)和(2)确定天顶方向的电离层第一垂直方向的总电子含量VTEC₁；

第二确定单元，用于根据海洋测高卫星的数据，采用公式(3)并结合平滑与重采样的方法，获取天顶方向的电离层第二垂直方向的总电子含量VTEC₂；

第三确定单元，用于根据地基多普勒无线电定轨定位系统DORIS的双频相位观测值，通过公式(4)确定信号传播路径上的总电子含量STEC_bias，由初始全球电离层格网模型GIM内插原理，所述DORIS的双频相位观测值和所述STEC_bias确定修正后的STEC，根据所述修正后的STEC和定标方法，确定天顶方向的电离层第三垂直方向的总电子含量VTEC₃；

第四确定单元，用于根据球谐函数模型对所述VTEC₁、所述VTEC₂和所述VTEC₃进行拟合，确定基于多源数据融合的全球电离层格网模型；

其中，公式(1)如下所示：

$STEC=\frac{f_1^2{f}_2^2}{40.3\·(f_1^2-f_2^2)}(P_2-P_1+{\mathrm{\Δb}}_k+{\mathrm{\Δb}}^s)$

公式(2)如下所示：

STEC＝mf·VTEC₁

公式(3)如下所示：

${\mathrm{VTEC}}_2=-\frac{dR\·f^2}{40.3}$

公式(4)如下所示：

上述公式中，STEC为信号传播路径上的总电子含量，P₁、P₂为两个频率上GNSS测码伪距观测值，f₁、f₂为载波的频率，Δb_k、Δb^s分别为接收机和卫星硬件延迟偏差，R为地球半径，H为单层电离层高度，z为卫星在跟踪站处的天顶距，mf为投影函数，dR为电离层对电磁波路径的影响值，STEC_bias为具有偏差的STEC，f为信号频率；λ₁,λ₂分别为地面信标站发射信号L₁和L₂的波长，为两个频率的DORIS的双频相位观测值。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述确定单元具体用于：

采用单层电离层模型假设，将信号传播路径上的总电子含量STEC投影到天顶方向上，确定天顶方向的电离层VTEC₁。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述所述确定单元具体用于：

根据海洋测高卫星磁波信号的影响值，确定电离层范围的信号差分群路径，根据公式(3)获得原始的垂直方向的总电子含量VTEC；

以10s为间隔对所述原始的VTEC进行平滑和重采样，获取天顶方向的电离层VTEC₂。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述确定单元具体用于：

根据所述DORIS的双频相位观测值和所述公式(4)确定所述STEC_bias，由所述GIM原理内插获取所述DORIS的双频相位观测值所在位置处的VTEC，并将所述VTEC投影到信号传播路径上得到所述STEC；

在一个连续观测弧段，对每个由所述DORIS的双频相位观测值得到的所述STEC_bias和根据所述GIM原理内插得到的所述STEC进行求差，并确定连续观测弧段上所述STEC_bias与所述STEC之间的平均偏差；

根据所述STEC_bias与所述STEC之间的平均偏差和所述所述STEC，确定修正后的STEC，将所述修正后的STEC投影到天顶方向上，得到所述天顶方向的电离层VTEC₃。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述基于多源数据融合的全球电离层模型通过下列公式确定：

$VTEC(\mathrm{\β},s)=\underset{n=0}{\overset{N}{\Σ}}\underset{m=0}{\overset{n}{\Σ}}{\tilde{P}}_{nm}\left(\sin \mathrm{\β}\right)\left({\tilde{C}}_{nm}\cos \right(ms)+{\tilde{S}}_{nm}\sin (ms\left)\right)$

公式中，β为穿刺点的纬度，s为穿刺点在日固系下的太阳时角，N为球谐函数的最大展开阶数，为n度m阶的归化勒让德函数，和为未知的球谐函数系数，即待求的电离层模型参数。