CN107861131B - 一种斜路径电离层延迟的获取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜路径电离层延迟的获取方法及系统，涉及全球导航技术领域。包括以下步骤：服务端对服务区域划分格网，获得格网点坐标；服务端接收服务区域内多个参考站的实时观测值，并根据实时观测值建立区域电离层延迟模型，区域电离层延迟模型包括每个参考站与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟以及穿刺点位置数据；服务端根据区域电离层延迟模型得到每一个格网点与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟；服务端接收用户终端的请求，查找距离用户终端最近的格网点，并将最近的格网点的所有斜路径电离层延迟发送到用户终端。本发明无需对TEC进行二次转换，避免由斜路径向天顶方向投影所带来的定位精度损失，并减少服务端的计算负荷。

Description

一种斜路径电离层延迟的获取方法及系统

技术领域

本发明涉及全球导航技术领域，具体是涉及一种斜路径电离层延迟的获取方法及系统。

背景技术

在全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)定位中，电离层对穿过其中的GNSS卫星信号产生时间延迟，并在用户终端通过传输时间进行测距时转化为距离误差，使得电离层延迟成为一个主要定位误差来源。对电离层延迟改正的传统方法一般采用水平分层电离层模型，即测量卫星信号传播路径上的总电子含量(totalelectron content，TEC)，将实测获得的离散的斜路径电离层延迟投影到天顶方向，建立垂直TEC空间分布模型，然后换算为实际测量中斜向TEC后提供给用户进行修正。这种方法不仅需要对TEC进行二次转换，而且当投影函数不够准确时，用垂直TEC表示的电离层模型进行定位不可避免地产生定位精度损失，例如广泛应用于单频用户定位的克罗布歇(Klobuchar)模型、IGS提供的电离层格网模型，虽然计算快捷，应用简单，但在最好的服务区只能修正60％的电离层延迟误差，而且IGS提供的电离层格网模型是经差5°、纬差2.5°的全球模型，其格网点稀疏，也影响着电离层延迟改正的精度。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种斜路径电离层延迟的获取方法及系统，根据参考站的斜路径电离层延迟，直接计算获得格网点的斜路径电离层延迟，无需对TEC进行二次转换，不但能够避免由斜路径向天顶方向投影所带来的定位精度损失，而且减少服务端的计算负荷，提高运算效率。

本发明提供一种斜路径电离层延迟的获取方法，其包括以下步骤：

服务端对服务区域划分格网，获得格网点坐标；

服务端接收服务区域内多个参考站的实时观测值，并根据实时观测值建立区域电离层延迟模型，区域电离层延迟模型包括每个参考站与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟以及穿刺点位置数据，穿刺点位置数据包括穿刺点经度、穿刺点纬度、穿刺点方位角和穿刺点高度角；

服务端根据区域电离层延迟模型得到每一个格网点与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟；

其中，格网点i与卫星j之间的斜路径电离层延迟dIon的计算方法为：

计算任一格网点i与卫星j之间的穿刺点方位角和穿刺点高度角；

在所有参考站中，选取与格网点i和卫星j之间的穿刺点高度角和穿刺点方位角最接近的n个参考站，将n个参考站的斜路径电离层延迟作为参考值，利用所述参考值进行角度加权内插计算，获得格网点i与卫星j之间的斜路径电离层延迟；

n个参考站与卫星j之间的穿刺点高度角和穿刺点方位角满足：

ΔE＜ΔE_max，

ΔA＜ΔA_max，

其中，ΔE为格网点i和选取的参考站与卫星j之间的穿刺点高度角之差，ΔA为格网点i和选取的参考站与卫星j之间的穿刺点方位角之差，ΔE_max和ΔA_max，n个参考站的ΔEA_min值最小；

服务端接收用户终端的请求，查找距离用户终端最近的格网点，并将最近的格网点的所有斜路径电离层延迟发送到用户终端。

在上述技术方案的基础上，参考站与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟计算方法为：

在每一历元中，建立单站电离层模型，得到卫星s与参考站r的电离层函数：

其中，F_ion(E)表示电离层延迟的函数，E是函数符号，dL为穿刺点经度与参考站经度之差，dB为穿刺点纬度与参考站纬度之差，a₀、a₁、a₂、a₃和a₄是系数；

服务端利用参考站的双频原始观测值建立观测方程，求解电离层函数的参数与参考站位置参数，根据得到的参数求得参考站与被观测卫星之间的斜路径电离层延迟和斜路径电离层延迟精度。

在上述技术方案的基础上，所述区域电离层延迟模型是以斜路径电离层延迟为基本单位的集合，集合包括参考站与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟、斜路径电离层延迟精度、穿刺点方位角以及穿刺点高度角。

在上述技术方案的基础上，所述角度加权内插法为：

其中，dIon为格网点i与卫星j之间的斜路径电离层延迟，ΔE_k表示格网点i和选取的参考站k与卫星j之间的穿刺点高度角之差，ΔA_k表示格网点i和选取的参考站k与卫星j之间的穿刺点方位角之差，L_k为参考站k与卫星j之间的斜路径电离层延迟精度，dIon_k为参考站k与卫星j之间的斜路径电离层延迟，1≤k≤n。

在上述技术方案的基础上，所述格网点坐标之间的经度差为0.25～1°，所述格网点坐标的纬度差为0.25～1°。

在上述技术方案的基础上，所述格网点坐标之间的经度差和纬度差均为0.5°。

本发明还提供一种斜路径电离层延迟的获取系统，所述系统包括：

格网模块，其用于对服务区域划分格网，获得格网点坐标；

参考站管理模块，其用于接收服务区域内多个参考站的实时观测值；

计算模块，其用于根据实时观测值建立区域电离层延迟模型，区域电离层延迟模型包括每个参考站与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟以及穿刺点位置数据，穿刺点位置数据包括穿刺点经度、穿刺点纬度、穿刺点方位角和穿刺点高度角；还用于根据区域电离层延迟模型得到每一个格网点与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟；其中，格网点i与卫星j之间的斜路径电离层延迟dIon的计算方法为：

计算任一格网点i与卫星j之间的穿刺点方位角和穿刺点高度角；

在所有参考站中，选取与格网点i和卫星j之间的穿刺点高度角和穿刺点方位角最接近的n个参考站，将n个参考站的斜路径电离层延迟作为参考值，利用所述参考值进行角度加权内插计算，获得格网点i与卫星j之间的斜路径电离层延迟；

n个参考站与卫星j之间的穿刺点高度角和穿刺点方位角满足：

ΔE＜ΔE_max，

ΔA＜ΔA_max，

其中，ΔE为格网点i和选取的参考站与卫星j之间的穿刺点高度角之差，ΔA为格网点i和选取的参考站与卫星j之间的穿刺点方位角之差，ΔE_max和ΔA_max为设定的阈值，n个参考站的ΔEA_min值最小；

用户管理模块，其用于接收用户终端的请求，查找距离用户终端最近的格网点；

播发模块，其用于将最近的格网点的所有斜路径电离层延迟发送到用户终端。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)根据参考站的斜路径电离层延迟，直接计算获得格网点的斜路径电离层延迟，无需对TEC进行二次转换，不但能够避免由斜路径向天顶方向投影所带来的定位精度损失，而且减少服务端的计算负荷，提高运算效率。

(2)根据每个历元所有参考站观测值计算出该历元的区域斜路径电离层格网模型，每次播发与用户终端最为接近的格网点的所有斜路径电离层延迟，能够有效避免大量用户时播发系统的高并发、高计算量可能造成延时、错误等问题。

(3)格网点的斜路径电离层延迟可以用于用户终端的定位计算，满足海量用户高精度实时卫星定位的需求。用户终端接收的斜路径电离层延迟数据量小，并能直接使用无需二次处理，用户定位方便、简单、快捷。

(4)选用适当经差和纬差的格网，既保证能充分利用密集穿刺点区域信息，使格网点有着较高的精度，又避免了格网间隔过小而导致的建模困难和模型失真的问题。

附图说明

图1是本发明实施例斜路径电离层延迟的获取方法流程图；

图2是本发明实施例斜路径电离层延迟的获取系统示意图。

附图标记：

1-格网模块，2-参考站管理模块，3-计算模块，4-用户管理模块，5-播发模块。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供一种斜路径电离层延迟的获取方法，其包括以下步骤：

S1.服务端对服务区域划分格网，获得格网点坐标。

服务端首先针对提供服务的区域划分格网，确定每个格网点的经、纬度。格网点坐标之间的经度差为0.25～1°，格网点坐标的纬度差为0.25～1°，例如，经度差为0.25、0.5°、0.6°、0.7°、0.8°、0.9°或者1°，纬度差为0.25、0.5°、0.6°、0.7°、0.8°、0.9°或者1°。

IGS等提供的电离层延迟格网图，除了投影带来的精度损失，由于这些传统模型为经差5°、纬差2.5°的全球模型，还存在着在局部地区使用中并不准确的问题。选用适当经差和纬差的格网，既保证能充分利用密集穿刺点区域信息，使格网点有着较高的精度，又避免了格网间隔过小而导致的建模困难和模型失真的问题。本实施例中，根据自身推算和大量数据分析将服务区域划分为经差和纬差为0.5°×0.5°的格网。

S2.服务端接收服务区域内多个参考站的实时观测值，并根据实时观测值建立区域电离层延迟模型，区域电离层延迟模型包括每个参考站与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟以及穿刺点位置数据。

把电离层看作距地面某个高度的一个薄层，参考站与卫星之间连线与电离层薄层的交点即为穿刺点。穿刺点位置数据包括穿刺点经度、穿刺点纬度、穿刺点方位角和穿刺点高度角。

计算高精度的斜路径电离层延迟值是进行电离层延迟表达与改正的基础，步骤S2中参考站与卫星之间的斜路径电离层延迟计算方法为：

S2.1在每一历元中，建立单站电离层模型，得到卫星s与参考站r的电离层函数：

其中，F_ion(E)表示电离层延迟的函数，E是函数符号，dL为穿刺点经度与参考站经度之差，dB为穿刺点纬度与参考站纬度之差，a₀、a₁、a₂、a₃和a₄是系数。

S2.2服务端接收任一个参考站r对卫星s的实时观测值后，当接收的实时观测值是双频原始观测值时，建立观测方程如下：

其中，

为卫星s与参考站r之间的伪距观测值，

为卫星s与参考站r的真实距离，c为真空中光的速度，dT_r为卫星钟差和参考站钟差的综合影响，

为卫星s与参考站r之间的对流层延迟改正，

为电离层延迟的函数表示，其中F_ion(E)表示电离层延迟的函数，E是函数符号，dL为穿刺点经度与参考站经度之差，dB为穿刺点纬度与参考站纬度之差，

为误差项，Δ_P为别伪距观测值的误差。

为卫星s与参考站r之间的载波相位观测值，f₁为载波L1的频率，

为卫星s与参考站r之间的整周模糊度参数，Δ_Φ为载波相位观测值的测量噪声。

为卫星s与参考站r之间的真实电离层延迟dIon，Δ_dion为电离层延迟改正的误差。

S2.3基于观测方程求解电离层函数的参数与参考站位置参数，根据得到的参数求得参考站r与被观测卫星s之间的斜路径电离层延迟和斜路径电离层延迟精度。

当计算获得每一个参考站与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟后，建立区域电离层延迟模型，区域电离层延迟模型是以斜路径电离层延迟为基本单位的集合，集合包括每一个参考站与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟、斜路径电离层延迟精度、穿刺点方位角以及穿刺点高度角。

S3.服务端根据区域电离层延迟模型得到每一个格网点与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟。格网点与卫星之间的斜路径电离层延迟的计算方法为：

S3.1计算任一格网点i与卫星j之间的穿刺点方位角和穿刺点高度角。

在任一历元中，根据参考站r的实时观测值计算得到卫星j的坐标，卫星j的坐标是基于地心地固坐标系，为绝对坐标。根据格网点i和卫星j的坐标，计算出该历元格网点i与GNSS卫星j之间穿刺点的高度角和方位角。

S3.2根据所有参考站与卫星j之间的斜路径电离层延迟、穿刺点方位角和穿刺点高度角进行加权内插计算，得到格网点i与卫星j之间的斜路径电离层延迟。

具体的，在该历元中，格网点i与卫星j之间的斜路径电离层延迟dIon的计算方法为：

在所有参考站中，选取与格网点i和卫星j之间的穿刺点高度角和穿刺点方位角最接近的n个参考站，将n个参考站的斜路径电离层延迟作为参考值，利用参考值进行角度加权内插计算，获得格网点i与卫星j之间的斜路径电离层延迟。每个参考值对应参考站与卫星j之间的穿刺点高度角之差、穿刺点方位角之差、斜路径电离层延迟精度和斜路径电离层延迟。

其中，格网点i和选取的参考站与卫星j之间的穿刺点高度角之差ΔE、格网点i和选取的参考站与卫星j之间的穿刺点方位角之差ΔA、以及ΔE和ΔA的平方和均不超过设定的阈值。即最接近的n个参考站与卫星j之间的穿刺点高度角和穿刺点方位角均满足：

ΔE＜ΔE_max，

ΔA＜ΔA_max，

其中，ΔE为格网点i和卫星j之间的穿刺点高度角与选取的参考站和卫星j之间的穿刺点高度角之差，ΔA为格网点i和卫星j之间的穿刺点方位角与选取的参考站和卫星j之间的穿刺点方位角之差，ΔE_max和ΔA_max为设定的阈值，n个参考站的ΔEA_min值是所有参考站的ΔEA_min值中最小的n个值。在本实施例中，参考值可以选2至6个，最多选取6个参考值。

根据穿刺点高度角之差、穿刺点方位角之差、斜路径电离层延迟精度和斜路径电离层延迟，对选取的参考值使用加权内插的方法，计算出该历元时刻格网点i与卫星j之间的斜路径电离层延迟dIon，角度加权内插法为：

其中，dIon为格网点i与卫星j之间的斜路径电离层延迟，ΔE_k表示格网点i和选取的参考站k与卫星j之间的穿刺点高度角之差，ΔA_k表示格网点i和选取的参考站k与卫星j之间的穿刺点方位角之差，L_k为参考站k与卫星j之间的斜路径电离层延迟精度，dIon_k为参考站k与卫星j之间的斜路径电离层延迟，1≤k≤n。m为幂，幂越高，内插结果越具有平滑效果，一般情况下，m＝2即可满足精度要求。

S3.3遍历所有GNSS卫星，直到计算出格网点i到每颗GNSS卫星之间穿刺点的高度角和方位角，得到该历元格网点i的所有斜路径电离层延迟集合。

S3.4遍历所有格网点，直到计算出该历元所有格网点的斜路径电离层延迟集合。

每次播发都根据所有参考站观测值的计算最接近用户终端的格网点的所有斜路径电离层延迟，能够有效避免大量用户时播发系统的高并发、高计算量可能造成延时、错误等问题。

S4.服务端接收用户终端的请求，查找距离用户终端最近的格网点，并将最近的格网点的所有斜路径电离层延迟发送到用户终端。格网点的所有斜路径电离层延迟包括该格网点与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟。

服务端和用户终端通过认证与鉴权后，用户终端将其定位的概略坐标以GPS 0183协议GGA格式发送至服务端。服务端根据接收到的概略坐标进行格网点匹配，匹配的原则是与该概略坐标的几何距离最接近。服务端将匹配到的格网点的所有斜路径电离层延迟播发给用户终端，用户终端直接使用收到的格网点斜路径电离层延迟作为其自身的斜路径电离层延迟，即可满足高精度定位精度需求。

用户终端可以根据自身的观测数据和收到的所有斜路径电离层延迟进行定位解算，得到定位结果，用户终端还可以将定位结果返回到服务端。

根据参考站的斜路径电离层延迟，直接计算获得格网点的斜路径电离层延迟，无需对TEC进行二次转换，不但能够避免由斜路径向天顶方向投影所带来的定位精度损失，而且减少服务端的计算负荷，提高运算效率。

格网点的斜路径电离层延迟可以用于用户终端的定位计算，满足海量用户高精度实时卫星定位的需求。用户终端接收的斜路径电离层延迟数据量小，并能直接使用无需二次处理，用户定位方便、简单、快捷。

参见图2所示，本发明实施例提供一种斜路径电离层延迟的获取系统，获取系统包括格网模块1、参考站管理模块2、计算模块3、用户管理模块4和播发模块5。

格网模块1用于对服务区域划分格网，获得格网点坐标。

参考站管理模块2用于接收服务区域内多个参考站的实时观测值。各个参考站不断地将实时观测值发送到服务端平台的参考站管理系统。

计算模块3用于根据实时观测值计算获得区域电离层延迟模型，区域电离层延迟模型包括每个参考站与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟、斜路径电离层延迟精度、穿刺点位置数据以及卫星的坐标；还用于根据区域电离层延迟模型得到每一个格网点与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟。

用户管理模块4用于接收用户终端的请求，查找距离用户终端最近的格网点。

播发模块5用于将最近的格网点的所有斜路径电离层延迟发送到用户终端。

用户管理模块4用于对用户进行认证鉴权，对授权用户提供服务，接收用户概略坐标，匹配最接近的格网点。接收用户终端的定位请求前，用户终端和用户管理模块4首先通过认证与鉴权后，用户终端将其定位的概略坐标以GPS0183协议GGA格式发送至服务端。用户终端可以根据自身的观测数据和收到的所有斜路径电离层延迟进行定位解算，得到定位结果。

本发明不局限于上述实施方式，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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种斜路径电离层延迟的获取方法，其特征在于，其包括以下步骤：

服务端对服务区域划分格网，获得格网点坐标；

服务端接收服务区域内多个参考站的实时观测值，并根据实时观测值建立区域电离层延迟模型，区域电离层延迟模型包括每个参考站与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟以及穿刺点位置数据，穿刺点位置数据包括穿刺点经度、穿刺点纬度、穿刺点方位角和穿刺点高度角；

服务端根据区域电离层延迟模型得到每一个格网点与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟；其中，格网点i与卫星j之间的斜路径电离层延迟dIon的计算方法为：

计算任一格网点i与卫星j之间的穿刺点方位角和穿刺点高度角；

在所有参考站中，选取与格网点i和卫星j之间的穿刺点高度角和穿刺点方位角最接近的n个参考站，将n个参考站的斜路径电离层延迟作为参考值，利用所述参考值进行角度加权内插计算，获得格网点i与卫星j之间的斜路径电离层延迟；

n个参考站与卫星j之间的穿刺点高度角和穿刺点方位角满足：

ΔE＜ΔE_max，

ΔA＜ΔA_max，

其中，ΔE为格网点i和选取的参考站与卫星j之间的穿刺点高度角之差，ΔA为格网点i和选取的参考站与卫星j之间的穿刺点方位角之差，ΔE_max和ΔA_max为设定的阈值，n个参考站的ΔEA_min值最小；

服务端接收用户终端的请求，查找距离用户终端最近的格网点，并将最近的格网点的所有斜路径电离层延迟发送到用户终端。

2.如权利要求1所述的获取方法，其特征在于，参考站与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟计算方法为：

在每一历元中，建立单站电离层模型，得到卫星s与参考站r的电离层函数：

其中，F_ion(E)表示电离层延迟的函数，E是函数符号，dL为穿刺点经度与参考站经度之差，dB为穿刺点纬度与参考站纬度之差，a₀、a₁、a₂、a₃和a₄是系数；

服务端利用参考站的双频原始观测值建立观测方程，求解电离层函数的参数与参考站位置参数，根据得到的参数求得参考站与被观测卫星之间的斜路径电离层延迟和斜路径电离层延迟精度。

3.如权利要求1所述的获取方法，其特征在于：所述区域电离层延迟模型是以斜路径电离层延迟为基本单位的集合，集合包括参考站与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟、斜路径电离层延迟精度、穿刺点方位角以及穿刺点高度角。

4.如权利要求1所述的获取方法，其特征在于，所述角度加权内插法为：

其中，dIon为格网点i与卫星j之间的斜路径电离层延迟，ΔE_k表示格网点i和选取的参考站k与卫星j之间的穿刺点高度角之差，ΔA_k表示格网点i和选取的参考站k与卫星j之间的穿刺点方位角之差，L_k为参考站k与卫星j之间的斜路径电离层延迟精度，dIon_k为参考站k与卫星j之间的斜路径电离层延迟，1≤k≤n。

5.如权利要求1所述的获取方法，其特征在于：所述格网点坐标之间的经度差为0.25～1°，所述格网点坐标的纬度差为0.25～1°。

6.如权利要求5所述的获取方法，其特征在于：所述格网点坐标之间的经度差和纬度差均为0.5°。

7.一种斜路径电离层延迟的获取系统，其特征在于，所述系统包括：

格网模块，其用于对服务区域划分格网，获得格网点坐标；

参考站管理模块，其用于接收服务区域内多个参考站的实时观测值；

计算模块，其用于根据实时观测值建立区域电离层延迟模型，区域电离层延迟模型包括每个参考站与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟以及穿刺点位置数据，穿刺点位置数据包括穿刺点经度、穿刺点纬度、穿刺点方位角和穿刺点高度角；还用于根据区域电离层延迟模型得到每一个格网点与每颗卫星之间的斜路径电离层延迟；其中，格网点i与卫星j之间的斜路径电离层延迟dIon的计算方法为：

计算任一格网点i与卫星j之间的穿刺点方位角和穿刺点高度角；

在所有参考站中，选取与格网点i和卫星j之间的穿刺点高度角和穿刺点方位角最接近的n个参考站，将n个参考站的斜路径电离层延迟作为参考值，利用所述参考值进行角度加权内插计算，获得格网点i与卫星j之间的斜路径电离层延迟；

n个参考站与卫星j之间的穿刺点高度角和穿刺点方位角满足：

ΔE＜ΔE_max，

ΔA＜ΔA_max，

其中，ΔE为格网点i和选取的参考站与卫星j之间的穿刺点高度角之差，ΔA为格网点i和选取的参考站与卫星j之间的穿刺点方位角之差，ΔE_max和ΔA_max为设定的阈值，n个参考站的ΔEA_min值最小；

用户管理模块，其用于接收用户终端的请求，查找距离用户终端最近的格网点；

播发模块，其用于将最近的格网点的所有斜路径电离层延迟发送到用户终端。

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