CN110764121A

CN110764121A - 一种gnss实时全球电离层tec建模方法

Info

Publication number: CN110764121A
Application number: CN201911040108.2A
Authority: CN
Inventors: 张强; 赵齐乐; 王坤石
Original assignee: Zhonghai Beidou Shenzhen Navigation Technology Co Ltd
Current assignee: Zhonghai Beidou Shenzhen Navigation Technology Co Ltd
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2020-02-07
Also published as: WO2021082191A1

Abstract

本发明涉及一种电离层建模方法，尤其是涉及一种GNSS实时全球电离层TEC建模方法；该方法主要采用了两种数据源建立实时全球电离层TEC模型，其中预报全球电离层TEC模型作为背景场描述全球电离层TEC的整体趋势，GNSS实时观测数据能够反映各个观测站附近电离层TEC的实时变化和局部变化；结合两种数据源既能够保证全球范围反演电离层TEC的可靠性，又能提高GNSS实时观测数据覆盖地区的模型精度。

Description

一种GNSS实时全球电离层TEC建模方法

技术领域

本发明涉及一种电离层建模方法，尤其是涉及一种GNSS实时全球电离层TEC建模方法。

背景技术

电离层时延误差是实时单频单点定位的主要误差之一，其在天顶方向上对GPS L1频率的影响可达29.2m，在卫星高度角较低时甚至超过87.6m，目前用于实时电离层时延修正的模型主要为广播电离层模型，然而该类模型通常为经验模型，例如Klobuchar模型、NeQuick模型、IRI模型等，这些模型的电离层时延修正率一般只有50%到70%。

基于全球分布的几百个GNSS观测站，能够反演得到高精度的全球电离层TEC模型，其中最终电离层产品通常滞后6到9天，快速电离层产品通常滞后1到2天，部分电离层分析中心也发布了全球电离层TEC预报产品，但是这些产品一般只能描述全球电离层TEC的整体变化趋势，不能准确反映电离层TEC的实时变化和局部变化。

以上的广播电离层模型和GNSS事后或预报全球电离层模型并不满足日益增长的高精度的定位需求，因此建立实时的、高精度的、稳定可靠的全球电离层时延修正模型是当前的研究热点，IGS于2002年成立实时工作组，2007年6月开展IGS实时试验计划，2013年初步形成实时数据与产品服务，国际大地测量协会于2016年成立实时电离层监测工作组，目前，IGS各个分析中心正在进行实时全球电离层TEC模型算法研究和精度验证，取得了一些初步进展。

随着IAG/IGS实时试验计划的启动，越来越多的IGS观测站能够提供实时数据服务，基于全球分布的GNSS实时观测站，建立GNSS实时全球电离层TEC模型成为可能。然而，由于目前IGS实时观测站数量不足且分布不均匀，仅仅依靠GNSS实时观测数据难以实现高精度的全球电离层TEC建模，在电离层观测信息缺乏的地区会产生明显的模型误差；目前已知的实时全球电离层TEC模型算法并不成熟，仍然需要进行大量的研究工作。

发明内容

本发明主要是针对当前GNSS实时观测站数量有限且分布不均匀导致仅仅依靠GNSS实时观测数据无法解算出实时的高精度的全球电离层TEC模型而提出，该发明提供了一种基于GNSS观测数据实时建立高精度全球电离层TEC模型的方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决：

一种GNSS实时全球电离层TEC建模方法，其特征在于：利用全球分布的GNSS事后观测数据建立事后全球电离层TEC模型，根据事后全球电离层TEC模型数据库建立预报全球电离层TEC模型；利用全球有限分布的GNSS实时数据流提取电离层穿刺点处的电离层观测信息，并结合已经生成的预报全球电离层TEC模型生成当前历元的实时全球电离层TEC模型；整个计算步骤如下：

步骤1，根据GNSS事后双频载波和伪距观测数据提取平滑的电离层观测信息，利用球谐函数建立事后GNSS全球电离层TEC模型，同时解算出球谐函数系数和卫星与接收机端的差分码偏差；步骤2，根据当前时间以前的球谐函数模型系数建立模型系数数据库，并采用最小二乘配置法预报全球电离层TEC模型；步骤3，根据预报球谐函数模型系数时间内插出当前历元的球谐函数模型系数；步骤4，根据GNSS实时数据流提取出电离层观测信息，其中卫星和接收机端的差分码偏差直接采用2天前生成的差分码偏差产品；步骤5，结合预报球谐系数和剔除了差分码偏差的实时观测数据采用最小二乘参数估计法建立实时全球电离层TEC模型。

所述的步骤2更详细的包括以下信息：采用最小二乘配置法预报未来2天的球谐函数模型系数；球谐系数数据库的滑动窗口设置为30天；周期项选取显著的天与亚天周期项；预报的球谐系数包括趋势项和随机项。

所述的步骤3更详细的包括以下信息：直接采用预报球谐系数参与实时全球电离层TEC模型参数解算，避免了根据预报球谐系数计算格网点电离层VTEC引入的计算误差，而且只需要确定预报球谐系数与实时观测数据流的权重分配。

所述的步骤4更详细的包括以下信息：GNSS实时数据流的卫星和接收机端的差分码偏差直接采用2天前估计的差分码偏差产品；对于新增加的GNSS实时观测站，事后差分码偏差产品并不包括相应的卫星和接收机端差分码偏差产品，在本次实时全球电离层TEC建模中剔除相关数据，并将新增观测站加入事后全球电离层TEC建模中，其生成的差分码偏差产品用于下一天实时全球电离层TEC建模。

所述的步骤5更详细的包括以下信息：采用最小二乘方法估计实时全球电离层TEC模型系数，模型的时间分辨率为5分钟；每5分钟存储一次实时观测数据，参与建模的实时观测数据采用15分钟的滑动窗口。

在上述的一种GNSS实时全球电离层TEC建模方法中，主要采用了两种数据源建立实时全球电离层TEC模型，其中预报全球电离层TEC模型作为背景场描述全球电离层TEC的整体趋势，GNSS实时观测数据能够反映各个观测站附近电离层TEC的实时变化和局部变化；结合两种数据源既能够保证全球范围反演电离层TEC的可靠性，又能提高GNSS实时观测数据覆盖地区的模型精度。

因此，本发明具有如下优点：1.采用预报全球电离层TEC模型作为背景场，克服了当前GNSS实时观测站数量有限且分布不均匀导致无法实时解算高精度全球电离层TEC模型的缺点；2.在实时全球电离层TEC建模中，引入了事先估计的卫星和接收机端差分码偏差，在实时数据流预处理阶段剔除了差分码偏差的影响，避免了同时解算球谐函数模型系数与差分码偏差参数估计的相互影响；3.采用加权最小二乘估计实时全球电离层TEC模型系数，能够基于方差分量估计方法最优化确定预报电离层背景场与实时观测数据的权重，确保电离层TEC模型的可靠性和时变性。

附图说明

图1是本发明数据处理流程图；

图2是球谐函数模型系数预报流程图；

图3是实时观测数据电离层TEC提取流程图；

图4是实时全球电离层模型参数估计流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

一种GNSS实时全球电离层TEC建模方法，利用全球分布的GNSS事后观测数据建立事后全球电离层TEC模型，根据事后全球电离层TEC模型数据库建立预报全球电离层TEC模型；利用全球有限分布的GNSS实时数据流提取电离层穿刺点处的电离层观测信息，并结合已经生成的预报全球电离层TEC模型生成当前历元的实时全球电离层TEC模型；本发明数据处理流程如图1所示；以下根据算法步骤详细介绍本算法：

步骤1，根据GNSS事后双频载波和伪距观测数据提取平滑的电离层观测信息，利用球谐函数建立事后GNSS全球电离层TEC模型，同时解算出球谐函数系数和卫星与接收机端的差分码偏差；采用球谐函数建立全球电离层TEC模型的基本公式表示为：

。

步骤2，根据当前时间前30天的球谐函数模型系数建立模型系数数据库，并采用最小二乘配置法预报全球电离层TEC模型；预报的球谐函数模型系数包括趋势项和随机项，公式表示为：

其中预报周期个数为6个。

步骤3，根据预报球谐函数模型系数时间内插出当前历元的球谐函数模型系数；采用分段线性方法内插当前历元的模型系数，公式表示为：

。

步骤4，根据GNSS实时数据流提取出电离层观测信息，其中卫星和接收机端的差分码偏差直接采用2天前生成的差分码偏差产品；剔除了卫星和接收机差分码偏差的实时电离层观测数据表示为：

。

步骤5，结合预报球谐系数和剔除了差分码偏差的实时观测数据采用最小二乘参数估计法建立实时全球电离层TEC模型；采用最小二乘估计法建立实时全球电离层TEC模型的函数模型和随机模型分别表示为；函数模型：式中，

表示观测向量，

表示预报的球谐系数，

表示设计矩阵，

表示待估计的球谐系数；随机模型：式中，

表示先验单位权中误差，

表示实时观测值的权重，表示虚拟观测值的权重。

实施例2：

在步骤2中，电离层TEC具有典型的周期特性，具体表现为球谐函数模型系数具有显著的周期性。利用球谐函数模型系数的周期性变化规律，基于傅里叶级数可以预报未来多天的球谐函数模型系数，进而生成预报全球电离层TEC模型；本发明中周期项选取显著的天与亚天周期项，采用当前时间前30天的历史数据作为滑动窗口进行外推2天预报；为了刻画电离层TEC的瞬时变化，预报的球谐系数即包括趋势项又包括随机项，因此本发明采用最小二乘配置法进行球谐函数系数参数估计；球谐函数模型系数预报流程如图2所示。

实施例3：

在步骤4中，根据直接获取的GNSS实时观测数据提取的电离层信息即包括了电离层TEC信息又包括了卫星和接收机的差分码偏差信息；差分码偏差是影响实时电离层建模的主要误差之一，且差分码偏差具有短时间稳定特性，因此通常直接采用已有的差分码偏差产品；本发明中获取实时电离层TEC信息时直接采用2天前生成的卫星和接收机差分码偏差产品；对于新增加的GNSS实时观测站，事后差分码偏差产品并不包括相应的卫星和接收机差分码偏差产品，在本次实时全球电离层TEC建模中剔除相关数据，并将新增观测站加入事后全球电离层TEC建模中，其生成的差分码偏差产品用于下一天实时全球电离层TEC建模；实时观测数据电离层TEC提取流程如图3所示。

实施例4：

在步骤5中，本发明中采用最小二乘方法估计实时全球电离层TEC模型系数；为了增加实时电离层模型的时间分辨率，将模型时间分辨率设置为5分钟；因此，每5分钟存储一次剔除了差分码偏差的实时观测数据，并保存为文本格式；由于5分钟观测数据弧段较短，为了增加实时观测数据对实时电离层模型的影响，合并当前历元前三个时段的观测文件，即采用15分钟实时观测数据的滑动窗口参与建模；实时全球电离层模型参数估计流程图如图4所示。

Claims

1.一种GNSS实时全球电离层TEC建模方法，其特征在于：利用全球分布的GNSS事后观测数据建立事后全球电离层TEC模型，根据事后全球电离层TEC模型数据库建立预报全球电离层TEC模型；利用全球有限分布的GNSS实时数据流提取电离层穿刺点处的电离层观测信息，并结合已经生成的预报全球电离层TEC模型生成当前历元的实时全球电离层TEC模型，整个计算步骤如下：

步骤1，根据GNSS事后双频载波和伪距观测数据提取平滑的电离层观测信息，利用球谐函数建立事后GNSS全球电离层TEC模型，同时解算出球谐函数系数和卫星与接收机端的差分码偏差；步骤2，根据当前时间以前的球谐函数模型系数建立模型系数数据库，并采用最小二乘配置法预报全球电离层TEC模型；步骤3，根据预报球谐函数模型系数时间内插出当前历元的球谐函数模型系数；步骤4，根据GNSS实时数据流提取出电离层观测信息，其中卫星和接收机端的差分码偏差直接采用两天前生成的差分码偏差产品；步骤5，结合预报球谐系数和剔除了差分码偏差的实时观测数据采用最小二乘参数估计法建立实时全球电离层TEC模型。

2.根据权利要求1所述的一种GNSS实时全球电离层TEC建模方法,其特征在于，在步骤2中，利用电离层TEC的周期性变化规律，采用最小二乘配置法预报未来2天的球谐函数模型系数；其中球谐系数数据库的滑动窗口设置为30天，周期项选取显著的天与亚天周期项，预报的球谐系数即包括趋势项又包括随机项。

3.根据权利要求1所述的一种GNSS实时全球电离层TEC建模方法,其特征在于，在步骤4中，GNSS实时观测数据的卫星和接收机端的差分码偏差直接采用2天前估计的差分码偏差产品。

4.根据权利要求1所述的一种GNSS实时全球电离层TEC建模方法,其特征在于，在步骤5中，模型的时间分辨率设置为5分钟，其中每5分钟存储一次实时观测数据，参与建模的实时观测数据采用15分钟的滑动窗口。