CN110275184A - 一种gnss掩星电离层残差修正方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

一种gnss掩星电离层残差修正方法、系统、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种GNSS掩星电离层残差修正方法、系统设备及存储介质，所述方法包括：对GNSS掩星原始观测数据、vTEC maps数据和地磁场观测数据进行预处理，得到GNSS掩星几何数据、电离层数据和地磁场数据；基于GNSS掩星几何数据、三维NeUoG电离层模式和电离层数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的电子密度廓线；基于GNSS掩星几何数据、IGRF地磁场模式和地磁场数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的沿信号路径的地磁场强度廓线；基于电子密度及沿信号路径的地磁场强度计算弯曲角电离层残差廓线。本发明的方法可用于单个GNSS掩星事件大气参数反演中，削弱电离层残差的影响，得到较高精度的GNSS掩星弯曲角廓线，高效可靠。

Description

一种GNSS掩星电离层残差修正方法、系统、设备及存储介质
技术领域
本发明申请涉及GNSS无线电掩星大气探测技术和气象学领域，具体涉及一种GNSS掩星电离层残差修正方法、系统设备及存储介质。
背景技术
GNSS掩星探测技术，可获取高垂直分辨率、高精度、无需标定、长期稳定、全天候的大气折射率、密度、温度、湿度和压强等物理参数的垂直廓线。GNSS掩星探测资料已应用于二十年尺度的气候分析和中期数值天气预报中。然而，随高度上升，电离层影响越来越大，反演大气参数精度逐渐降低，平流层顶和中间层底(25–60km高度范围)掩星数据精度已不能满足气候气象应用的要求。目前，世界各大GNSS掩星数据处理中心将电离层残差在上边界初始化过程中，通过统计优化方法，用背景大气模式信息来订正或代替，但没有从实质上改善GNSS掩星观测数据的质量来反映真实大气的物理状态。
目前，弯曲角双频线性组合法是GNSS掩星数据处理中最常用的电离层改正方法。然而，用双频线性组合法改正的弯曲角仍含有电离层残差，该残差是制约GNSS掩星中高层大气探测的主要瓶颈。为了削弱电离层残差的影响，有学者提出了“统计特性”和Kappa弯曲角电离层残差修正方法。“统计特性”和Kappa修正方法依赖于弯曲角电离层残差的太阳活动周期和昼夜变化等统计特性或电离层先验统计信息。因此，它们适用于大时空尺度的气候变化趋势分析，但不适用于单个掩星事件的电离层残差修正和短时局地天气观测分析。目前，较先进的Kappa修正方法基于中性大气和电离层球对称假设，没有考虑单个掩星事件具体的沿信号路径电子密度分布情况和地磁场对弯曲角电离层残差的影响，其可靠性和准确性较差。
综上所述，弯曲角电离层残差是制约25–60km高度范围GNSS掩星资料高精度反演的主要因素；现有的弯曲角电离层残差修正方法基于中性大气和电离层球对称假设，忽略了电子密度沿掩星信号路径分布不均匀和地磁场的影响，并且是简单的统计经验模型，其可靠性和准确性较差。
发明内容
本发明的目的在于突破现有电离层残差修正方法的局限性，实现25–60km高度范围GNSS掩星资料高精度反演，兼顾电离层和地磁场影响提供了一种GNSS掩星电离层残差修正方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种GNSS掩星电离层残差修正方法，所述方法包括：
对GNSS掩星原始观测数据、vTEC maps数据和地磁场观测数据进行预处理，得到GNSS掩星几何数据、电离层数据和地磁场数据；
基于GNSS掩星几何数据、三维NeUoG电离层模式和电离层数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的电子密度廓线；
基于GNSS掩星几何数据、IGRF地磁场模式和地磁场数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的沿信号路径的地磁场强度廓线；
基于电子密度及沿信号路径的地磁场强度计算弯曲角电离层残差廓线。
作为上述方法的一种改进，所述GNSS掩星几何数据包括：掩星事件发生位置、掩星切点曲率半径、大地水准面差距、影响参数、GNSS卫星位置矢量、LEO卫星位置矢量、“入射线”侧电离层穿刺点位置矢量、“出射线”侧电离层穿刺点位置矢量、LEO卫星至GNSS卫星位置单位矢量；所述电离层数据包括：太阳活动强度F10.7指数、“入射线”侧电离层穿刺点位置处vTEC和“出射线”侧电离层穿刺点位置处vTEC；所述地磁场数据包括：“入射线”侧电离层穿刺点位置处地磁场强度和“出射线”侧电离层穿刺点位置处地磁场强度廓线。
作为上述方法的一种改进，所述基于GNSS掩星几何数据、三维NeUoG电离层模式和电离层数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的电子密度廓线；具体包括：
步骤2-1)采用GNSS掩星几何数据和三维NeUoG电离层模式，计算掩星事件“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处电离层电子密度廓线和以及vTEC值和
步骤2-2)采用GNSS掩星几何数据和电离层数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的vTEC值和
步骤2-3)分别计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的电子密度廓线NeI350T和NeI350R：
作为上述方法的一种改进，所述基于GNSS掩星几何数据、IGRF地磁场模式和地磁场数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的沿信号路径的地磁场强度廓线；具体包括：
步骤3-1)通过GNSS掩星几何数据和地磁场数据，计算掩星事件“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的地磁场强度矢量廓线BI350T和BI350R；
步骤3-2)计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的沿信号路径地磁场强度廓线B//I350T和B//I350R：
B//I350T＝BI350T·s
B//I350R＝BI350R·s
其中，s是沿GNSS掩星信号路径的位置单位矢量。
作为上述方法的一种改进，所述基于电子密度及沿信号路径的地磁场强度计算弯曲角电离层残差廓线，具体包括：
步骤4-1)计算电离层电子密度平方项沿GNSS掩星电波信号路径和低轨卫星处的累积影响值Ne2(a)：
其中，NeI350R(rL)为LEO卫星处电离层电子密度值，a为影响参数，rG和rL分别为GNSS和LEO卫星的位置矢量；
步骤4-2)计算地磁场强度与电离层电子密度乘积项沿GNSS掩星电波信号路径和低轨卫星处的累积影响值BNe(a)：
其中，B//I350R(rL)为LEO卫星处沿信号路径的地磁场强度值；
步骤4-3)计算弯曲角电离层残差廓线Δα(a)：
其中，C为常数40.308，f1和f2为GPS的双频信号L1和L2的频率，K为常数1.1283·1012。
本发明还提供了一种GNSS掩星电离层残差修正系统，所述系统包括：
预处理模块，对GNSS掩星原始观测数据、vTEC maps数据和地磁场观测数据进行预处理，得到GNSS掩星几何数据、电离层数据和地磁场数据；
电子密度计算模块，用于基于GNSS掩星几何数据、三维NeUoG电离层模式和电离层数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的电子密度廓线；
地磁强度计算模块，用于基于GNSS掩星几何数据、IGRF地磁场模式和地磁场数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的沿信号路径的地磁场强度廓线；
残差修正模块，用于基于电子密度及沿信号路径的地磁场强度计算弯曲角电离层残差廓线。
本发明还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。
本发明还提出了计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行上述的方法。
本发明的优势在于：
1、本发明的GNSS掩星电离层残差修正方法及系统，兼顾电离层和地磁场影响，并顾及电子密度和地磁场强度沿信号路径分布的不均匀性；
2、本发明的方法及系统可用于单个GNSS掩星事件大气参数反演中，来削弱电离层残差的影响，从而得到较高精度的GNSS掩星弯曲角廓线，高效可靠；
3、本发明的方法和系统能够估计出GNSS掩星弯曲角电离层残差廓线，从而削弱电离层折射效应对GNSS掩星中性大气弯曲角廓线的影响，提高弯曲角廓线的精度。
附图说明
图1为本发明实施例的1提供的GNSS掩星电离层残差修正方法的流程图；
图2为本发明实施例中2008年7月15日GPS/MetOp-A全天掩星事件的弯曲角电离层残差廓线及其统计分析结果示意图；
图3为本发明实施例中2013年7月15日GPS/MetOp-A全天掩星事件的弯曲角电离层残差廓线及其统计分析结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的和技术方案更加清晰，下面结合附图和实施例对本发明提出的GNSS掩星电离层残差修正方法及系统进行详细说明。
鉴于相关理论和技术，如果能估计出双频弯曲角线性组合法的电离层残差廓线，就可以在GNSS掩星大气参数反演中进一步削弱电离层折射效应对中性大气弯曲角廓线精度的影响，进而反演得到高精度的GNSS掩星大气数据产品。
实施例1
如图1所示，本发明的实施例1提出了一种GNSS掩星电离层残差修正方法，该方法兼顾电离层和地磁场影响，该方法包括以下步骤：
S11、通过数据预处理得到GNSS掩星几何数据、电离层和地磁场数据；
本实施例采用GPS/MetOp-A掩星观测数据，以及IGS站发布的vTEC maps数据和GFZ发布的地磁场数据产品进行数据处理，弯曲角电离层残差修正模型的基本输入参量，见表1：
表1弯曲角电离层残差修正模型基本输入参量
S12、根据所述的预处理GNSS掩星几何、电离层和地磁场数据，结合电离层和地磁场模式确定电离层和地磁场输入参数；
本实施例采用三维NeUoG电离层模式和所述掩星几何参数计算掩星事件“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处电离层电子密度廓线和以及vTEC值和
采用IGS发布的vTEC maps数据产品和所述掩星几何参数计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的vTEC值和
通过以下公式用归一化的方法计算得到“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处归算后的电子密度廓线NeI350T和NeI350R。
计算获取掩星事件“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处沿信号路径的地磁场强度廓线，包括：
通过IGRF12地磁场模式和GNSS掩星几何数据，计算掩星事件“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的地磁场强度矢量廓线BI350T、BI350R；
计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的沿信号路径地磁场强度廓线：
B//I350T＝BI350T·s
B//I350R＝BI350R·s
其中，s是沿GNSS掩星信号路径的位置单位矢量。
电离层和地磁场输入参量汇总，见表2：
表2弯曲角电离层残差修正模型电离层和地磁场输入参量
S13、根据GNSS掩星几何，以及电离层和地磁场输入参数，建立GNSS掩星弯曲角电离层残差模型；
计算电离层电子密度平方项沿GNSS掩星电波信号路径和低轨卫星处的累积影响值Ne2(a)：
其中，NeI350T为“入射线”侧的电离层电子密度廓线，NeI350R为“出射线”侧的电离层电子密度廓线，NeI350R(rL)为LEO卫星处电离层电子密度值，a为影响参数，rG和rL分别为GNSS和LEO卫星的位置矢量；
计算地磁场强度与电离层电子密度乘积项沿GNSS掩星电波信号路径和低轨卫星处的累积影响值BNe(a)：
其中，B//I350T为“入射线”侧的沿信号路径地磁场强度，B//I350R为“出射线”侧的沿信号路径地磁场强度，B//I350R(rL)为LEO卫星处沿信号路径的地磁场强度；
通过以下公式建立GNSS掩星弯曲角电离层残差模型，从而计算弯曲角电离层残差廓线：
其中，C为常数40.308，f1和f2为GPS的双频信号L1和L2的频率，K为常数1.1283·1012；αC(a)为双频线性组合消电离层误差后的弯曲角廓线，α(a)为弯曲角真值廓线，Δα(a)为弯曲角电离层残差廓线。
S14、根据所述电离层残差模型获取GNSS掩星弯曲角电离层残差廓线。
图2和图3分别为2008年7月15日(代表太阳活动低年)和2013年7月15日(代表太阳活动高年)全天GPS/MetOp-A掩星事件的弯曲角电离层残差廓线及其统计分析结果。可以看出，太阳活动低年电离层残差廓线的平均偏差和标准差比太阳活动高年的小。图2和图3给出的弯曲角电离层残差廓线和统计结果与弯曲角电离层残差仿真研究结果接近。并且，本发明提出的GNSS掩星弯曲角电离层残差修正方法可用于单个掩星事件的电离层残差修正，兼顾电离层和地磁场影响，其残差廓线更准确可靠。
实施例2
本发明的实施例2提出了一种GNSS掩星电离层残差修正系统，该系统包括：
预处理模块，对GNSS掩星原始观测数据、vTEC maps数据和地磁场观测数据进行预处理，得到GNSS掩星几何数据、电离层数据和地磁场数据；
电子密度计算模块，用于基于GNSS掩星几何数据、三维NeUoG电离层模式和电离层数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的电子密度廓线；
地磁强度计算模块，用于基于GNSS掩星几何数据、IGRF地磁场模式和地磁场数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的沿信号路径的地磁场强度廓线；
残差修正模块，用于基于电子密度及沿信号路径的地磁场强度计算弯曲角电离层残差廓线。
实施例3
本发明的实施例3提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例1的方法。
实施例4
本发明的实施例4提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行实施例1的方法。
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。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种GNSS掩星电离层残差修正方法，所述方法包括：
对GNSS掩星原始观测数据、vTEC maps数据和地磁场观测数据进行预处理，得到GNSS掩星几何数据、电离层数据和地磁场数据；
基于GNSS掩星几何数据、三维NeUoG电离层模式和电离层数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的电子密度廓线；
基于GNSS掩星几何数据、IGRF地磁场模式和地磁场数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的沿信号路径的地磁场强度廓线；
基于电子密度及沿信号路径的地磁场强度计算弯曲角电离层残差廓线。
2.根据权利要求1所述的GNSS掩星电离层残差修正方法，其特征在于，所述GNSS掩星几何数据包括：掩星事件发生位置、掩星切点曲率半径、大地水准面差距、影响参数、GNSS卫星位置矢量、LEO卫星位置矢量、“入射线”侧电离层穿刺点位置矢量、“出射线”侧电离层穿刺点位置矢量、LEO卫星至GNSS卫星位置单位矢量；所述电离层数据包括：太阳活动强度F10.7指数、“入射线”侧电离层穿刺点位置处vTEC和“出射线”侧电离层穿刺点位置处vTEC；所述地磁场数据包括：“入射线”侧电离层穿刺点位置处地磁场强度和“出射线”侧电离层穿刺点位置处地磁场强度廓线。
3.根据权利要求2所述的GNSS掩星电离层残差修正方法，其特征在于，所述基于GNSS掩星几何数据、三维NeUoG电离层模式和电离层数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的电子密度廓线；具体包括：
步骤2-1)采用GNSS掩星几何数据和三维NeUoG电离层模式，计算掩星事件“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处电离层电子密度廓线和以及vTEC值和
步骤2-2)采用GNSS掩星几何数据和电离层数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的vTEC值和
步骤2-3)分别计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的电子密度廓线NeI350T和NeI350R：
4.根据权利要求3所述的GNSS掩星电离层残差修正方法，其特征在于，所述基于GNSS掩星几何数据、IGRF地磁场模式和地磁场数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的沿信号路径的地磁场强度廓线；具体包括：
步骤3-1)通过GNSS掩星几何数据和地磁场数据，计算掩星事件“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的地磁场强度矢量廓线BI350T和BI350R；
步骤3-2)计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的沿信号路径地磁场强度廓线B//I350T和B//I350R：
B//I350T＝BI350T·s
B//I350R＝BI350R·s
其中，s是沿GNSS掩星信号路径的位置单位矢量。
5.根据权利要求4所述的GNSS掩星电离层残差修正方法，其特征在于，所述基于电子密度及沿信号路径的地磁场强度计算弯曲角电离层残差廓线，具体包括：
步骤4-1)计算电离层电子密度平方项沿GNSS掩星电波信号路径和低轨卫星处的累积影响值Ne2(a)：
其中，NeI350R(rL)为LEO卫星处电离层电子密度值，a为影响参数，rG和rL分别为GNSS和LEO卫星的位置矢量；
步骤4-2)计算地磁场强度与电离层电子密度乘积项沿GNSS掩星电波信号路径和低轨卫星处的累积影响值BNe(a)：
其中，B//I350R(rL)为LEO卫星处沿信号路径的地磁场强度值；
步骤4-3)计算弯曲角电离层残差廓线Δα(a)：
其中，C为常数40.308，f1和f2为GPS的双频信号L1和L2的频率，K为常数1.1283·1012。
6.一种GNSS掩星电离层残差修正系统，其特征在于，所述系统包括：
预处理模块，对GNSS掩星原始观测数据、vTEC maps数据和地磁场观测数据进行预处理，得到GNSS掩星几何数据、电离层数据和地磁场数据；
电子密度计算模块，用于基于GNSS掩星几何数据、三维NeUoG电离层模式和电离层数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的电子密度廓线；
地磁强度计算模块，用于基于GNSS掩星几何数据、IGRF地磁场模式和地磁场数据，计算“入射线”和“出射线”侧电离层穿刺点位置处的沿信号路径的地磁场强度廓线；
残差修正模块，用于基于电子密度及沿信号路径的地磁场强度计算弯曲角电离层残差廓线。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5中任一项所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行权利要求1至5任一项所述的方法。
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