CN110794433B - 一种基于北斗系统的矢量电离层延迟改正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗系统的矢量电离层延迟改正方法，该方法包括：利用多个组网的地面监测站分别测量电离层薄壳矢量的电离层延迟；多个组网的地面监测站将穿刺点的五元组矢量电离层延迟观测值汇总到中心处理站；中心处理站将多个穿刺点的五元组矢量电离层延迟观测值转化为格网点矢量电离层延迟，形成矢量电离层产品数据；中心处理站将矢量电离层产品数据通过上传站上传至GEO卫星；由GEO卫星在D2导航电文进行播发；利用矢量电离层产品数据进行矢量电离层改正。本发明的方法能够大幅提高大TEC梯度场景下的电离层延迟校正精度。

Description

一种基于北斗系统的矢量电离层延迟改正方法

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，具体涉及一种基于北斗系统的矢量电离层延迟改正方法。

背景技术

在图1中给出了北斗导航电离层产品相关网元，在现有的矢量电离层延迟改正方法中，一个重要的问题就是假定电离层薄壳的电子密度信息是各向同性的，如图2所示，对于通过同一个穿刺点的两个观测，如果其中一个观测的卫星在北，接收机在南，另一个观测的接收机在南，卫星在北，但只要卫星的高度角相同，那么这两个观测根据现有技术得到的电离层校正量就是相同的。

但是在客观上，由于等离子体层贡献的大量自由电子，电离层的电子密度分布往往不是各项同性的，即图2中的两个观测实际对应的TEC延迟有可能会相差很大，特别是在日出日落时，冬春季夜晚时，或者发生电离层扰动时，这种各项异性的表现尤为严重。进而会导致标量电离层改正的误差增大，结果变差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种新的基于北斗系统的矢量电离层延迟改正方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于北斗系统的矢量电离层延迟改正方法，该方法包括：

利用多个组网的地面监测站分别测量电离层薄壳矢量的电离层延迟；

多个组网的地面监测站将穿刺点的五元组矢量电离层延迟观测值汇总到中心处理站；

中心处理站将多个穿刺点的五元组矢量电离层延迟观测值转化为格网点矢量电离层延迟，形成矢量电离层产品数据；

中心处理站将矢量电离层产品数据通过上传站上传至GEO卫星；由GEO卫星在D2导航电文进行播发；

利用矢量电离层产品数据进行矢量电离层改正。

作为上述方法的一种改进，所述利用多个组网的地面监测站分别测量电离层薄壳矢量的电离层延迟；具体为：

每个地面监测站利用北斗双频观测，计算总电子含量的基本方程为：

VTEC＝STEC*cosχ (1)

STEC＝n₀(ρ₂-ρ₁)+B_r+B_s (2)

ρ₁和ρ₂表示对应双频载波的伪距观测；n₀＝8.991*10¹⁶m^-3是一个常数；STEC和VTEC分别表示垂直向和斜向的电离层电子浓度总含量；参数B_r和B_s是该地面监测站和北斗导航卫星的硬件偏差；χ是穿刺点的天顶角。

作为上述方法的一种改进，所述穿刺点的五元组矢量电离层延迟观测值为：[lon，lat，VTEC，x，y]，其中lon，lat分别为穿刺点的经度，纬度；[x y]表示该穿刺点的电磁波传播路径在电离层薄壳上的投影矢量，x表示东向分量，东向为正，y表示南向分量，南向为正。

作为上述方法的一种改进，所述中心处理站将多个穿刺点的五元组矢量电离层延迟观测值转化为格网点矢量电离层延迟，形成矢量电离层产品数据；具体包括：

步骤S1)汇总所地面有监测站反馈的穿刺点的五元组矢量电离层延迟观测值[lon，lat，VTEC，x，y]；

步骤S2)将指定范围的薄球壳区域按经纬度间隔度划分为多个格网点；

步骤S3)对于第j个格网点，它的所有邻居穿刺点的VTEC是经纬度的线性函数，满足：

VTEC_i＝c₀+c₁*lat_i+c₂*lon_i (11)

其中，lat_i和lon_i为第i个邻居穿刺点的经度和纬度；VTEC_i为第i个邻居穿刺点的VTEC值；

通过最小二乘线性拟合得到系数c₀、c₁和c₂；

步骤S4)计算真实值和拟合值的差ΔVTEC_i：

ΔVTEC_i＝VTEC_i-(c₀+c₁*lat_i+c₂*lon_i) (12)

所有邻居穿刺点的ΔVTEC_i是经纬度投影矢量的线性函数，满足：

ΔVTEC_i＝a₀+a₁*y_i+b₁*x_i (13)

通过最小二乘线性拟合得到系数a₀、a₁和b₁；[x_i,y_i]为第i个邻居穿刺点的电磁波传播路径在电离层薄壳上的投影矢量；

步骤S5)计算第j个格网点的VTEC_j0：

VTEC_i0＝VTEC_i+a₀ (14)

其中，VTEC_i0为VTEC_i的修正值；d_ij为第j个格网点和其第i个邻居穿刺点的距离，R是以第j个格网点划定的邻居区域的半径；

步骤S5)计算第j个格网点的电离层延迟参数：dτ_j0、dτ_ja1和dτ_jb1：

第j个格网点的电离层垂直延迟dτ_j0为：

其中，f₁为载波1的频率；

第j个格网点的电离层东向改正参数dτ_ja1，电离层南向改正参数dτ_jb1分别为：

dτ_ja1＝a₁，dτ_jb1＝b₁ (17)

步骤S6)将所有格网点的电离层延迟参数进行汇总，形成矢量电离层产品数据。

作为上述方法的一种改进，所述步骤S2)具体为：

将东经70～145度，北纬7.5～55度的薄球壳区域按经纬度5×2.5度划分为320个格网点。

作为上述方法的一种改进，所述GEO卫星在D2导航电文进行播发的内容包括：电离层格网点的电离层垂直延迟、电离层东向改正参数、电离层南向改正参数和电离层垂直延迟误差指数；电离层垂直延迟占9个比特，电离层东向改正参数和电离层南向改正参数各占8个比特，电离层垂直延迟误差指数占4个比特。

作为上述方法的一种改进，所述利用矢量电离层产品数据进行矢量电离层改正，具体为：

对于一个穿刺点，其周围4个格网点的位置用p₁,p₂,p₃,p₄表示，格网点播发的垂直电离层延迟参数用dτ₁,dτ₂,dτ₃,dτ₄表示；穿刺点与四个格网点的距离权值分别用

表示；则该穿刺点的矢量电离层改正分别为：

其中，dτ_k＝(dτ_k0,dτ_ka1,dτ_kb1),k＝1,2,3,4；

则该穿刺点的最终的伪距电离层校正量IC_p为：

其中，χ_p为该穿刺点的天顶角，[x_p,y_p]为该穿刺点的观测路径在电离层壳的投影矢量。

本发明的优势在于：

1、本发明的方法能够大幅提高大TEC梯度场景下的电离层延迟校正精度；

2、本发明的方法能够应用于以下场景：

提高所有类型卫星导航定位的电离层延迟校正精度，包括GPS Galileo GlonassBeidou等等；

应用于对卫星，导弹，空间碎片等目标进行遥感、跟踪、监测等业务的电离层延迟校正；

应用于非相干散射雷达的电离层延迟校正；

应用于射电天文观测阵列的电离层延迟校正。

附图说明

图1为北斗导航电离层产品相关网元组网关系示意图；

图2为各项同性电离层薄壳示意图；

图3为穿刺点和天顶角示意图；

图4为观测路径在电离层薄壳上的投影向量示意图；

图5为用户穿刺点与格网点示意图；

图6为电离层校正误差200轮模拟结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明的一种基于北斗系统的矢量电离层延迟改正方法，该方法包括：

步骤1)利用地面监测站网络对电离层薄壳的矢量电离层延迟进行测量；

利用北斗双频观测计算总电子含量(total electron content:TEC)的基本方程为：

VTEC＝STEC*cosχ (1)

STEC＝n₀(ρ₂-ρ₁)+B_r+B_s (2)

ρ1和ρ2表示对应载波的伪距观测。

是一个常数，表示伪距差1米对应8.991TECU的TEC。STEC和VTEC分别表示垂直向和斜向TEC(电离层电子浓度总含量)。参数B_r和B_s是该地面监测站和北斗导航卫星的硬件偏差，其单位和TEC一样都是TECU。在这里假定所有地面监测站和北斗导航卫星的硬件偏差都是预先精确标定了的已知量。

假设电离层壳为固定高度的375km，假定地面监测站和北斗导航卫星的坐标都已准确测定，χ是穿刺点的天顶角，如图3所示，χ完全由卫星和监测站的几何关系决定。

步骤2)地面监测站网络将穿刺点的矢量电离层延迟观测值汇总到中心处理站；

所有地面监测站按照五元组的格式将标量电离层延迟观测值汇总到中心处理站，五元组包括[lon，lat，VTEC，x，y]，其中lon，lat分别为穿刺点的经度，纬度；[x y]的含义如图4所示，表示电磁波传播路径在电离层薄壳上的投影矢量，x表示东向分量，东向为正，y表示南向分量，南向为正。

步骤3)中心处理站将地面监测站网络的电离层薄壳矢量电离层延迟转化为格网点矢量电离层延迟；

将覆盖我国范围东经70～145度，北纬7.5～55度的薄球壳区域按经纬度5×2.5度划分为320个格网点，格网点的编号规则见表1。

表1、北斗系统电离层格网点序号对照表

为了解决上述问题，特引入矢量电离层改正技术方案，矢量电离层改正技术方案的核心内容为，将现有技术的电离层改正参数dτ由一个单一的标量，升级为一个数组矢量，一阶的电离层改正参数矢量包含3个元素：

其中dτ₀为0阶电离层改正参数，等价于现有技术的dτ标量，用于向下兼容现有的系统，dτ_a1为电离层东向改正参数，dτ_b1为电离层南向改正参数：

如果认为电离层薄壳是各项异性的，那么在同一个VTEC和天顶角χ映射到不同方位角的STEC时就有可能得到不同的值，记为

采用最简单的线性函数来表示f(x,y),即：

f(x,y)＝a₀+a₁y+b₁x (9)

则式(7)化为：

步骤3.1：拟合并去除穿刺点VTEC的经纬度趋势：

对于任一格网点，假设它的所有邻居穿刺点的VTEC是经纬度的线性函数，满足：

VTEC_i＝c₀+c₁*lat_i+c₂*lon_i (11)

其中，lat_i和lon_i为第i个邻居穿刺点的经度和纬度；VTEC_i为第i个邻居穿刺点的VTEC值；

通过最小二乘线性拟合可以得到系数[c₀ c₁ c₂]。进一步得到：

VTEC_i'＝VTEC_i-(c₀+c₁*lat_i+c₂*lon_i) (12)

步骤3.2：拟合VTEC的经纬度投影矢量趋势：

对于任一格网点，假设它的所有邻居穿刺点的VTEC’是经纬度投影矢量的线性函数，满足：

VTEC_i'＝a₀+a₁*x_i+b₁*y_i (13)

[x_i,y_i]为第i个邻居穿刺点的电磁波传播路径在电离层薄壳上的投影矢量；

通过最小二乘线性拟合可以得到系数[a₀ a₁ b₂]，并且：

VTEC_i0＝VTEC_i+a₀ (14)

步骤3.3：利用所有监测站反馈的穿刺点五元组计算所有格网点的VTEC₀

而VTEC₀和电离层延迟dτ₀之间存在换算：

并且：

dτ_a1＝a₁，dτ_b1＝b₁ (17)

汇总后得到格网点电离层矢量参数[dτ₀,dτ_a1,dτ_b1]。

步骤4)矢量电离层产品数据由中心处理站通过上传站上传至GEO卫星并由GEO卫星在D2导航电文进行播发；

播发内容为电离层格网点垂直延迟(dτ₀)，电离层格网点矢量参数(dτ_a1,dτ_b1)和电离层格网点垂直延迟误差指数(GIVEI)。dτ占9个比特，(dτ_a1,dτ_b1)占16个比特，GIVEI占4个比特。

dτ_a1和dτ_b1各占8个比特，对应1-256的二进制表示，换算关系为8比特表示的整数乘以0.01。即a₁和b₁是0.01-2.56之间的0.01整数倍的数。

电离层格网点矢量延迟信息共占用(9+16+4)*320＝9280个比特。

步骤5)利用矢量电离层产品数据进行电离层改正。

图5给出了用户穿刺点与所在格网点的示意图。穿刺点周围4个格网点的位置分别用p_i(i＝1～4)表示，格网点播发的垂直电离层延迟用dτ_i(i＝1～4)表示。穿刺点与四个格网点的距离权值分别用ω_i(i＝1～4)表示。则穿刺点的矢量电离层校正可以由下式得到：

其中，dτ_k＝(dτ_k0,dτ_ka1,dτ_kb1),k＝1,2,3,4；

则该穿刺点的最终的伪距电离层校正量IC_p为：

其中χ_p为如图2所示的穿刺点的天顶角，[x_p,y_p]为如图4所示的观测路径在电离层壳的投影矢量。伪距电离层校正量IC的单位是m。

此外，设计了一组数据对现有的标量电离层改正技术方案和本发明设计的矢量电离层改正方案进行了模拟和验证。模拟区域假定为北京周围的四个格网点：

257号格网点p1＝[37.5 115]；267号格网点p2＝[37.5 120]；97号格网点p3＝[40115]；107号格网点p4＝[40 120]；

假定有许多分布在各个地方的地面监测站和北斗导航卫星，以IRI模型为基础，并适当添加随机误差来生成若干在上述区域的STEC观测数据。从中随机取一些数据作为用户观测数据，也就是验证集合，其余的数据作为地面监测站的观测数据。每轮生成100组数据，共进行200轮，20000个场景的模拟。为了评估校正质量，定义Δ＝|IC-实际的电离层延迟量|为电离层校正误差。每一轮模拟的平均校正误差如图6所示。整体上标量电离层改正的平均校正误差为0.105m，矢量电离层改正的平均校正误差为0.085m，整体上平均校正误差减小了0.02m，整体优化幅度约为20％。

在电离层TEC梯度较小，等离子体层贡献较小时，标量电离层改正和矢量电离层改正的区别很小。在电离层TEC梯度较大，等离子体层贡献较大时，矢量电离层改正的优势会更加明显。在模拟的20000次场景中，矢量电离层改正的优化幅度大于0.1m的场景有359次，最坏时的标量电离层改正的校正误差达到1.3m，相应的矢量电离层改正的校正误差为0.8m，优化幅度可以达到0.5m。如图6所示。

增加更多的地面监测站以实现对矢量参数的拟合，需要尽量使每一个格网点周围都被来自各个方向的地面站和卫星的穿刺点包围以期观测数据能够反映尽可能多的矢量方向信息。而且需要去除穿刺点VTEC的经纬度趋势，初步估计每个格网点周围需要至少有16个分布在不同方向的邻居穿刺点。假设同时可见的北斗卫星为6个，那么最低的观测站数量要求应为每个格网点周围有至少三个地面监测站，约合每30,000平方千米至少有一个观测站。观测站越多则拟合效果越好，电离层校正精度越高。端到端升级所有网元的电离层校正数据格式为新的矢量格式。也可以采用简易实施方案，通过互联网和终端应用程序APP发布和使用矢量电离层产品信息实现电离层校正，以避免网元升级，导航协议升级以及消息格式升级带来的巨大工程成本。

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 (6)

1.一种基于北斗系统的矢量电离层延迟改正方法，该方法包括：

利用多个组网的地面监测站分别测量电离层薄壳矢量的电离层延迟；

多个组网的地面监测站将穿刺点的五元组矢量电离层延迟观测值汇总到中心处理站；

中心处理站将多个穿刺点的五元组矢量电离层延迟观测值转化为格网点矢量电离层延迟，形成矢量电离层产品数据；

具体地，步骤S1)汇总所有地面监测站反馈的穿刺点的五元组矢量电离层延迟观测值[lon，lat，VTEC，x，y]；

步骤S2)将指定范围的薄球壳区域按经纬度间隔度划分为多个格网点；

步骤S3)对于第j个格网点，它的所有邻居穿刺点的VTEC是经纬度的线性函数，满足：

VTEC_i＝c₀+c₁*lat_i+c₂*lon_i (11)

其中，lat_i和lon_i为第i个邻居穿刺点的经度和纬度；VTEC_i为第i个邻居穿刺点的VTEC值；

通过最小二乘线性拟合得到系数c₀、c₁和c₂；

步骤S4)计算真实值和拟合值的差ΔVTEC_i：

ΔVTEC_i＝VTEC_i-(c₀+c₁*lat_i+c₂*lon_i) (12)

所有邻居穿刺点的ΔVTEC_i是经纬度投影矢量的线性函数，满足：

ΔVTEC_i＝a₀+a₁*y_i+b₁*x_i (13)

通过最小二乘线性拟合得到系数a₀、a₁和b₁；[x_i,y_i]为第i个邻居穿刺点的电磁波传播路径在电离层薄壳上的投影矢量；

步骤S5)计算第j个格网点的VTEC_j0：

VTEC_i0＝VTEC_i+a₀ (14)

其中，VTEC_i0为VTEC_i的修正值；d_ij为第j个格网点和其第i个邻居穿刺点的距离，R是以第j个格网点划定的邻居区域的半径；

步骤S5)计算第j个格网点的电离层延迟参数：dτ_j0、dτ_ja1和dτ_jb1：

第j个格网点的电离层垂直延迟dτ_j0为：

其中，f₁为载波1的频率；

第j个格网点的电离层东向改正参数dτ_ja1，电离层南向改正参数dτ_jb1分别为：

dτ_ja1＝a₁，dτ_jb1＝b₁ (17)

步骤S6)将所有格网点的电离层延迟参数进行汇总，形成矢量电离层产品数据；

中心处理站将矢量电离层产品数据通过上传站上传至GEO卫星；由GEO卫星在D2导航电文进行播发；

利用矢量电离层产品数据进行矢量电离层改正。

2.根据权利要求1所述的基于北斗系统的矢量电离层延迟改正方法，其特征在于，所述利用多个组网的地面监测站分别测量电离层薄壳矢量的电离层延迟；具体为：

每个地面监测站利用北斗双频观测，计算总电子含量的基本方程为：

VTEC＝STEC*cosχ (1)

STEC＝n₀(ρ₂-ρ₁)+B_r+B_s (2)

ρ₁和ρ₂表示对应双频载波的伪距观测；n₀＝8.991*10¹⁶m^-3是一个常数；STEC和VTEC分别表示垂直向和斜向的电离层电子浓度总含量；参数B_r和B_s是该地面监测站和北斗导航卫星的硬件偏差；χ是穿刺点的天顶角。

3.根据权利要求2所述的基于北斗系统的矢量电离层延迟改正方法，其特征在于，所述穿刺点的五元组矢量电离层延迟观测值为：[lon，lat，VTEC，x，y]，其中lon，lat分别为穿刺点的经度，纬度；[x y]表示该穿刺点的电磁波传播路径在电离层薄壳上的投影矢量，x表示东向分量，东向为正，y表示南向分量，南向为正。

4.根据权利要求1所述的基于北斗系统的矢量电离层延迟改正方法，其特征在于，所述步骤S2)具体为：

将东经70～145度，北纬7.5～55度的薄球壳区域按经纬度5×2.5度划分为320个格网点。

5.根据权利要求1或4所述的基于北斗系统的矢量电离层延迟改正方法，其特征在于，所述GEO卫星在D2导航电文进行播发的内容包括：电离层格网点的电离层垂直延迟、电离层东向改正参数、电离层南向改正参数和电离层垂直延迟误差指数；电离层垂直延迟占9个比特，电离层东向改正参数和电离层南向改正参数各占8个比特，电离层垂直延迟误差指数占4个比特。

6.根据权利要求5所述的基于北斗系统的矢量电离层延迟改正方法，其特征在于，所述利用矢量电离层产品数据进行矢量电离层改正，具体为：

对于一个穿刺点，其周围4个格网点的位置用p₁,p₂,p₃,p₄表示，格网点播发的垂直电离层延迟参数用dτ₁,dτ₂,dτ₃,dτ₄表示；穿刺点与四个格网点的距离权值分别用

表示；则该穿刺点的矢量电离层改正分别为：

其中，dτ_k＝(dτ_k0,dτ_ka1,dτ_kb1),k＝1,2,3,4；

则该穿刺点的最终的伪距电离层校正量IC_p为：

其中，χ_p为该穿刺点的天顶角，[x_p,y_p]为该穿刺点的观测路径在电离层壳的投影矢量。

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