CN110300901B - 用于确定地球大气层中的电子密度分布的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定地球大气层中的电子分布的四维电离层模型的方法，该电子分布用于校正由卫星发出的信号的传播时间测量，以利用信号接收器进行位置确定，该方法至少包括以下步骤：a)规定基于至少一个函数参数的至少一个分布函数，该分布函数适合于描述电子关于地球大气层高度的分布，b)利用多个可移动的双频信号接收器接收来自多个传播时间测量的数据，以便求出代表沿着从卫星到双频信号接收器的信号传播路径的电子总量的参数，c)至少利用该参数求出分布函数的位置和时间相关的函数参数，d)提供在步骤c)中所求出的函数参数作为四维电离层模型。

Description

用于确定地球大气层中的电子密度分布的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定地球大气层中的电子密度分布的方法。
背景技术
电离层被描述为(高)地球大气层的一个区域，该区域大约在50km和1000km高度之间延伸，并在上方进入等离子体层。电离层的特征在于带电粒子、例如离子和自由电子的浓度增加，这些带电粒子通过取决于太阳辐射的电离过程而产生。取决于电离的频率和强度，电离层中的电磁信号被折射。由此在全球导航卫星系统(GNSS)的观测中、例如美国GPS系统或欧洲伽利略中出现信号延迟，这些信号延迟是定位和导航应用中的主要错误源。当使用昂贵的、测地型双频信号接收器时，可以使用信号组合，以消除首要的电离层影响。价格非常低廉的单频信号接收器必需强制使用大气模型，以校正信号并达到<1m的精度。
为了校正电离层在例如定位和导航应用中的影响，通常使用积分电子密度，即所谓的电子总含量(英文：Total Electron Content；缩写：TEC)作为校正参数。取决于经度、纬度和时间，该TEC可以被存储在单频信号接收器的大气模型中。为了提供位置相关和时间相关的TEC数据，利用昂贵的、测地型双频信号接收器来执行基准测量，因为可以从双频GNSS观测中提取TEC。然而由于相应的参考站数量较少并且站之间的距离较大，这样确定的TEC数据的分辨率因此非常低。
发明内容
在此，根据权利要求1提出了一种用于确定地球大气层中的电子密度分布的方法。在该方法中以四维电离层模型的形式提供了电子密度分布。电子密度分布用于校正由卫星发送的信号的传播时间测量，以利用信号接收器进行位置确定。
四维电离层模型的特征尤其在于，可以在四个维度(三个空间维度和一个时间维度)中确定电子密度。
电离层中的(局部)电子密度与电离层中的(局部)离子密度密切相关。如有可能，这两个值是相同的或成比例的。因此，为了描述电离层根据上下文来使用电子密度或离子密度。
在步骤a)中，例如可以使用所谓的查普曼(Chapman)函数或所谓的爱泼斯坦(Epstein)函数作为分布函数。分布函数可以通过模型来确定，例如大气模型或电离层模型，在其中和/或与之相关地使用该方法。这些函数分别提供对一个取决于高度的电子密度分布的估计。为了估计这种分布，这些函数需要至少一个函数参数。例如，查普曼函数包括指数函数部分，并且可用于描述垂直电子密度分布。例如，查普曼函数包括至少三个函数参数，即沿高度的最大电子密度、出现该最大电子密度的高度、以及所属的标高。如果这些函数参数取决于测地长度、测地宽度和时间，则可以使用查普曼函数来确定特定高度处的电子密度。因此，形成四维电子密度模型。可以通过估计函数参数的时空变化来使用查普曼函数，以用于取决于时间地描述在所有三个空间方向上的离子或电子密度分布。相对于基于传统TEC来定义大气层中离子分布或电子分布的模型的方法，使用查普曼函数或爱泼斯坦函数尤其具有以下优点：可以断层扫描空间中的离子或电子密度分布，并且尤其可以扫描在垂直大气层结构或电离层结构中的扰动影响。在传统方法中，TEC、即积分电子密度被确定用于测地长度、测地宽度和时间，但并不涉及高度基准。此外，对于每个测地位置和每个应定义电子密度的时间点，在四维电离层模型中通过轮廓函数仅需要少量的参数(例如，对于查普曼函数需要三个)。在步骤b)和c)中求出的参数尤其可以是电子总含量(英文：TotalElectron Content；缩写：TEC)或允许直接推断TEC的参数。为了求出(第一和第二)参数，双频信号接收器可以在两个频率上记录导航卫星的所谓的代码和载波相位测量。例如，GPS系统涉及LI(1575.42MHz)和L2(1227.60MHz)频率。通过区分信号(例如，LI-L2)，可以消除对这两个频率具有相同影响的误差项。这称为无几何线性组合。然而，电离层对信号传播的影响是分散的，即对两种频率的影响不同。通过已知的数学方法，可以从该属性中计算TEC。由于TEC是沿信号路径的积分电子密度，因此它包含有关电子密度分布的信息。
步骤b)中使用的双频信号接收器可以是静止的(GNSS接收站)或移动的(车辆上的GNSS接收器)。因此，在不同的局部位置求出多个第一参数。
进一步优选的是，在步骤b)中使用的双频信号接收器在(机动)车辆以及静态参考站中和/或其上的组合。如果双频信号接收器布置在(机动)车辆中和/或车辆上，则可以使用附加的车辆数据和/或基于车辆的GNSS数据来求出参数。使用基于车辆的双频信号接收器提供了特别的优点，即可以对于确定函数参数实现足够的时间和空间覆盖，并且无需附加的措施来将双频信号接收器定位在不同的位置。由于布置在机动车辆中，双频信号接收器的位置进行规则的变换。因此，实现了最佳覆盖，这是仅仅利用静止的双频信号接收器所不可能实现的。
另外，在步骤b)中优选使用来自多个静止的双频信号接收器测量站的参数。换句话说，这尤其意味着静止的双频信号接收器位于测量站中或在测量站处，这些测量站分别布置在测地坐标系中的已知和固定位置。相应的测量站也称为参考站。
优选地，在步骤b)中，分别评估信号传播路径倾斜于垂直方向的取向。换言之，在b)和c)中，除了求出沿着信号传播路径的传播时间测量之外，也求出信号传播路径的取向或空间位置和/或延伸。如果信号传播路径的取向是已知的，能沿着倾斜或倾侧的信号传播路径求出的离子总含量(所谓的倾斜TEC；英文：slant Total Electron倾斜电子总含量，缩写STEC)换算成沿着垂直方向的离子或电子含总量(所谓的垂直TEC；英文：vertical TotalElectron Content垂直电子总含量，缩写：vTEC)。相应的换算或转化方法是已知的。垂直TEC通常仅简称为TEC。
如果卫星布置在接收器的正上方，则由该接收器接收的卫星信号沿接收器正上方的大气层高度精确地穿过离子分布或电子分布。然后，(第一或第二)参数将直接代表接收器位置处或其上方的电子密度分布。
然而在实践中，非常罕见地发生利用位于相应接收器正上方的卫星确定(第一或第二)参数。在大多数情况下，对信号进行接收的可用卫星倾斜地位于相应的接收器之上，使得从卫星到接收器的信号传播路径倾斜于垂直方向(即以一相对于垂直方向的角度)取向。然后，信号沿着相应的信号传播路径在不同的测地位置穿过电离层的不同高度区域。由代表沿着这种倾斜信号传播路径的电子或离子总量的大量参数，可以建立一个方程组，其允许在不同测地位置推导出高度相关的离子分布，并且能从该推导确定离子分布或电子分布的模型(或者说离子分布或电子分布的模型的分布函数的函数参数)。
如果将查普曼函数规定为分布函数，则在步骤d)中所求出的位置相关和时间的函数参数可以至少包括以下参数：
-沿高度的最大电子密度，
-出现最大电子密度的高度，和
-所属的标高。
函数参数优选地在具有所谓模型系数的数学时空基函数的级数展开中被展开。但是，也可以使用第一参数和第二参数(直接)估计函数参数。相应的估计方法尤其已知用于查普曼或爱泼斯坦函数的应用。优选地，函数参数通过数学基函数来参数化，例如经过球面函数，因此可以实现对其在地区范围内的描述。
在步骤d)中，在步骤c)中求出的函数参数可以在大气层或电离层模型、特别是四维电子密度模型中被提供。该模型可以存储在车辆的评估单元中，评估单元用于校正位置数据。优选地，模型存储在数据中心的评估或计算单元中，建模在数据中集中进行。然后可以经由网络(例如经由蜂窝网络)为单频信号接收器提供该模型。
如果用于根据步骤d)的分布函数的位置相关和时间相关的函数参数的求出在接收器侧进行，因此在步骤d)中所计算的函数参数例如可以经由电缆连接(静止接收器)、无线链路和/或卫星链路传输给数据中心。
优选地，用于根据步骤c)的分布函数的、位置相关和时间相关的函数参数的计算在数据中心进行。因此，在步骤b)中所求出的(第一和第二)参数可以例如经由电缆连接(静止接收器)、无线链路和/或卫星链路传输给数据中心。
四维电子密度模型提供了特别的优势，即，其特别在可信度和完整性方面实现用于安全关键的GNSS应用的显著附加值。在四维电子密度模型中，将电子密度取决于(测地)长度、宽度、高度和时间来建模。除了电离层气候学、即周期性影响，如电离层活跃性随太阳能11年周期的变化、每年和季节变化和/或昼夜变化，在四维电子密度模型中以有利的方法也能在一个剖面结构中反映高动态的不规则现象，如(中和大尺度)电离层行进式扰动(TIDs，MSTIDs，LSTIDs)、电离层突扰(SIDs)、扩展F层、分散E层、电离层风暴和/或闪烁。这种现象在一个传播路径的TEC中仅可作为梯度检测。通过在步骤c)中组合多个数据，可以检测这些现象。此外，四维模型能实现干扰源在电离层不同高度范围(d、E、F层)中的对应关系。
根据一个有利的实施方式提出，在进一步的步骤e)中，通过对至少一个分布函数的积分来计算于位置相关和时间相关的电子总含量。在这里可以沿信号传播路径或沿垂直方向进行积分。优选地在大气层或电离层的初始高度和最终高度之间进行积分。例如，光线追踪法和/或高斯-勒让德法可以用作积分方法。步骤e)可以在接收器侧或在数据中心进行。
根据一个有利的实施方式提出，利用或从离子分布或电子分布的特别四维模型来求出校正数据，特别是TEC的数据，这些校正数据被提供给多个特别是可移动的或已移动的单频信号接收器。校正数据可以在数据中心被求出并且例如经由无线链路和/或卫星链路传输给多个单频信号接收器。特别有可能的是，位置相关地提供校正数据。没有必要为每个单频信号接收器提供完整的四维电离层模型。相反，对于确定的位置和确定的时间点提供校正数据就足够了。在必要情况下也可能的是，用于位置确定范畴中的单次测量的校正数据直接利用卫星来提供，利用该卫星来执行在位置确定范畴中的相应测量。单频信号接收器能够例如布置在(机动)车辆(没有双频率信号接收器)、船舶、浮标，农业设备或机器、便携式GNSS接收器、蜂窝式电话或其它电子物品上或其中。特别优选地，可移动的单频信号接收器布置在(可自动运行的)车辆中或车辆上。利用在离子分布或电子分布的特定四维模型的基础上求出校正数据，存储在单频信号接收器中的电离层模型能被校正或更新。
此外，从例如在数据中心的模型分析能推断出可能的电离层扰动，它们例如能以质量指标的形式被传输给用户作为完整性度量。这种附加的完整性信息提供了显着的附加值，特别是在安全关键应用中。
根据另一方面，提出了一种可移动或已移动的双频信号转换器的应用，用于确定四维电离层模型。在必要情况下，也可以附加地将静止的位置固定的双频信号接收器用于确定四维电离层模型。电离层模型可以是电子密度模型，其优选地描述地球大气层或电离层中的四维离子和/或电子密度分布。优选使用四维电离层模型以校正或更新存储在特别是可移动或已移动的单频信号接收器中的电离层模型。特别优选地，可移动的单频信号接收器布置在(可自动运行的)车辆中或车辆上。
根据一个有利的实施方式，可移动的双频信号接收器布置在车辆中或车辆上。
此外，双频信号接收器布置在车辆中或车辆上的优点在于，车辆中或车辆上的双频信号接收器在车辆的常规操作期间处于道路上。提供电离层模型的目的尤其在于提高车辆中使用的单频信号接收器的精度。车辆原则上主要或通常在道路上运行。通过应用在车辆中或车辆上的可移动的双频信号接收器实现的是，利用恰好在电离层模型稍后也用于位置确定的地方求出的数据，获取电离层模型的函数参数。恰好在这些地方，以在此描述的方式创建的电离层模型实现了特别高的精度。
此外，双频信号接收器布置在车辆中或车辆上可能是有利的，因为车辆必要时可以形成用于这种双频信号接收器的特别成本有效的平台。必要时，作为平台的车辆在此也比将租用或租赁位置的双频信号接收器布置更为成本有效。
结合该方法讨论的细节、特征和有利实施例也可以相应地在此提出的方法中出现并反之亦然。在这方面，完全参考该处的实施以更详细地表征特征。
这里也应要描述一种是用于执行所述方法的装置以及相应的计算机程序和存储该计算机程序的机器可读的存储介质。用于执行所述方法的装置通常在数据中心或类似结构中实现。这里，根据所述方法从传播时间测量接收和处理的局部电子密度数据。
附图说明
下面参考附图更详细地解释在此提出的解决方案及其技术环境。应该注意，本发明不应受所示实施例的限制。特别地，除非另外明确说明，否则还可以提取附图中所解释的事实的部分方面，并将它们与来自其他附图和/或本说明书的其他部分和/或认知进行组合。在此示意地：
图1示出了电离层的电子密度分布，
图2示出了电离层模型的示例性模型构造，其中使用了这里提出的方法，并且
图3示出了信号从卫星到接收器的示例性信号传播路径。
具体实施方式
图1示意性地示出了电离层的电子密度分布1的图示。在横坐标轴上绘出电子密度3，单位是电子每立方厘米，在纵坐标轴上绘出高度2，单位是千米。取决于电子密度和高度，层次D层13、E层14、F1层15和F2层16是不同的。可以看出，F2层16中的电子密度最大，因此F2层16对通过电离层的信号传播的影响最大。
图2示意性地示出了电离层模型4的示例性模型结构，其中使用了这里提出的方法。在此，该方法例如用于确定电离层中的电子密度分布，其中取决于高度确定的电子密度还用于确定(取决于位置的)TEC。图2对此示出了从GNSS出发观测的用于确定电子密度分布和TEC的电离层模型4各个计算步骤之间的关系。
作为输入量，将来自GNSS观测的观测量提供给电离层模型4。根据这里提出的方法，观测量不仅包括利用多个位置固定的双频信号接收器所求出的第一参数5，还包括利用多个可移动的双频信号接收器求出的第二参数6，可移动的双频信号接收器为此可以布置在车辆中或车辆上。此外，可以使用另外的GNSS观测7，以基于第一参数5和第二参数6进一步改进观测建模。在此，该方法的特别优点在于，不仅使用位置固定的双频信号接收器而且使用可移动的双频信号接收器，由此使电离层模型4基于具有对于模型参数高灵敏度的非常密集的GNSS观测网络。
示例性地在此在观察建模8的范畴中，借助于观测量、至少借助于求出的第一参数5和第二参数6，估计模型系数9。可以将模型参数提供给GNSS用户以校正电离层影响。
在模型系数9的基础上，可以估计用于描述电离层模型4的分布函数的位置相关和时间相关的函数参数10。作为分布函数，电离层模型4在此例如使用查普曼函数。因此，位置相关和时间相关的函数参数10至少包括沿高度的最大电子密度、该最大电子密度发生的高度以及所属的标高。取决于测地长度、测地宽度并且取决于时间来估计这三个函数参数10。可以将函数参数提供给GNSS用户以校正电离层的影响。
在这些函数参数10的基础上，然后评估分布函数，这里是查普曼函数。因此，借助于查普曼函数从函数参数10可以估计电子的四维分布11。
通过沿高度的积分，然后可以基于电子的四维分布11来计算电子总含量(TEC)12，并且取决于测地长度、测地宽度和时间被说明。可以将该TEC提供给GNSS用户以校正电离层影响。
根据可用的带宽和传输技术，在此模型的基础上可以设想以下对用户的校正传输：
-传输模型系数9和/或
-传输函数参数10和/或
-传输TEC12。
所提出的解决方案特别允许以下优点：
-在具有双频信号接收器的位置固定的参考站之间的数据缺漏可以通过利用可移动的双频信号接收器的密集覆盖来减少。
-借助接收器所求出的参数对模型、诸如4D大气层或4D电离层模型的灵敏度可以通过如下的双频信号接收器改进，其附加地设置用于位置固定的参考站并且在其运行中(几乎)不断地变换其位置。
图3说明了经典的所谓单层TEC模型的问题。在此示出了，信号的信号传播路径17，该信号从卫星18发出并被地球20上的接收器19接收。假设所有电子都集中在无穷薄的等高线21(所谓的单层)中，从而可以执行在位置22处将倾斜的TEC换算成垂直的TEC。可以看出，信号传播路径在确定的测地位置22处与等高线21相交，该确定的测地位置偏离于接收器19的位置。单层方法忽略了高度依赖性，因此可能没有关于垂直电子密度分布的结论。

Claims (10)

1.一种用于确定地球大气层中的电子分布的四维电离层模型的方法，所述电子分布用于校正由卫星发出的信号的传播时间测量，以利用信号接收器进行位置确定，所述方法包括至少以下步骤：
a)规定基于至少一个函数参数的至少一个分布函数，所述分布函数适合于描述电子关于所述地球大气层的高度的分布，
b)利用多个能移动的双频信号接收器，接收来自多个传播时间测量的数据，以便求出代表沿着从卫星到双频信号接收器的信号传播路径的电子总量的参数，
c)至少利用所述参数求出所述分布函数的位置相关和时间相关的函数参数，
d)提供在步骤c)中所求出的所述函数参数作为四维电离层模型，
其特征在于，在步骤b)中所使用的所述能移动的双频信号接收器布置在车辆中或车辆上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a)中，使用至少一个查普曼函数或爱泼斯坦函数作为分布函数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤b)中，附加地利用多个静止的双频信号接收器，接收来自多个传播时间测量的参数，其中所述静止的双频信号接收器布置在位置固定的测量站中。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤c)中，分别考虑所述能移动的双频信号接收器的当前位置。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤c)中，将所述分布函数的位置相关和时间相关的函数参数作为方程组的解来求出，所述方程组借助于在步骤b)中求出的参数来建立。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤e)中，利用所述四维电离层模型求出校正数据，将所述校正数据提供给多个单频信号接收器以校正位置数据。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤e)中，利用所述四维电离层模型求出完整性参数，将所述完整性参数提供给多个双频和/或单频信号接收器作为完整性度量。
8.一种应用能移动的双频信号接收器的方法，用于求出用于根据前述权利要求中任一项所述的方法的参数。
9.一种用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的装置，所述方法用于确定所述地球大气层中的电子分布的四维电离层模型。
10.一种机器可读的存储介质，在所述存储介质上存储有计算机程序所述计算机程序被设置用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法的所有步骤。
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