CN110907959A - 基于gim地图的gnss接收机硬件延迟的快速解算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于GIM地图的GNSS接收机硬件延迟的快速解算方法，包括步骤如下：利用GNSS观测台网进行同步观测，得到考察时段内的观测数据；采用电离层VTEC测量方法，结合观测数据和电离层薄层模型，得到硬件误差与电离层VTEC关系式；获取考察时段内的观测台网上空的全球电离图GIM数据的电离层TEC数据作为VTEC定标参考；对考察时段内的GNSS观测台网的所有接收机，采用GIM数据和最小二乘残差估计的方法进行接收机和卫星的硬件延迟求解：利用步骤S2、步骤S3得到的VTEC进行最小二乘法来计算接收机硬件延迟误差DCB和台站上空的垂直TEC，其中在计算接收机延迟误差时，采用对日常电离层延迟残差的平均值来进行额外约束。

Description

基于GIM地图的GNSS接收机硬件延迟的快速解算方法
技术领域
本发明涉及卫星导航系统接收机技术领域，更具体的，涉及一种基于GIM地图的GNSS接收机硬件延迟的快速解算方法。
背景技术
电离层TEC作为电离层重要参量之一，无论是在电离层研究还是卫星导航等领域均得到广泛应用。利用GNSS卫星对电离层TEC的获取，具有方便简易、测量精度高、时空连续性好等特点，历来作为电离层TEC的主要测量手段之一，因此对TEC准确的测量、计算和数据评估分析具有十分重要的现实意义。
GNSS TEC的测量中，存在着很多可能引起误差的方面，如多路径、周跳、对流层延迟等，其中一项重要的误差源是硬件时延误差。它是由于GPS卫星和GPS接收机的硬件通道对GPS信标的两个频段的信号时延不能做到完全一致而引起的硬件偏差，又称为本底误差。一般认为利用GPS数据提取电离层TEC时，系统的硬件延迟为其主要误差源。GPS TEC测量的硬件误差按引入的环节不同分为接收机硬件偏差和卫星硬件偏差两部分。
对于如何提高台站硬件延迟的标定精度，是影响电离层TEC解算的关键环节之一。目前国内外的电离层TEC解算算法中，去除观测仪器的硬件延迟成为了解算的重中之重。国内外很多研究者都在GPS TEC的硬件误差上做了相关研究和探讨，也给出了很多硬件延迟的计算方法，如Coster提出的单站直接解算法、Prasad提出的多站多项式拟合法等。
目前对硬件误差的计算方法包括：利用IGS提供的硬件误差模型予以修正；对接收机的硬件定标实地测量得出；通过各种观测算法分析解算出GPS卫星和接受机的硬件误差。
其存在以下不足之处：
1.使用IGS的直接结果缺点在于不能及时获取，约有3-7天的延时，而且技术不自主；对接收机的定标实验则耗费大量人力物力，且不可能对目标区域的所有GNSS接收机一一定标；理论解算则其结果会根据算法的变化而变化，精度不易确定。
2.通过各种观测算法分析解算出GNSS卫星和接收机的硬件误差是现在电离层TEC测量中常用的方法，然而在GNSS TEC的解算过程中，硬件延迟误差项的结果会受到各种情况的影响，带来不同的误差，造成计算结果精度的不同。
3.在实际的GNSS TEC计算中，若仅采用单一算法解算的方法确定硬件延迟，例如常见的电离层TEC模型解算法，将会有很多缺点，如单站解算无法分离接收机硬件延迟和卫星硬件延迟、接收机硬件延迟精度在1-3TECu、TEC结果会带有较高(1-3TECu)的电离层残差等，将对后续的应用和研究造成影响。
发明内容
本发明为了解决现有技术对GNSS接收机硬件延迟精度不高，存在误差大的问题，提供了一种基于GIM地图的GNSS接收机硬件延迟的快速解算方法，其能有效的提高GNSS接收机硬件延迟精度。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种基于GIM地图的GNSS接收机硬件延迟的快速解算方法，所述该方法包括步骤如下：
S1：利用GNSS观测台网进行同步观测，得到考察时段内的观测数据；
S2：采用电离层垂直TEC测量方法，结合观测数据和电离层薄层模型，得到硬件误差与电离层VTEC关系式；
S3：获取考察时段内的观测台网上空的全球电离图GIM数据的电离层VTEC数据作为垂直TEC计算的定标参考；
S4：对考察时段内的GNSS观测台网的所有接收数据，在利用电离层薄层模型解算VTEC时，采用GIM数据和最小二乘残差估计的方法进行接收机和卫星的硬件延迟求解：
利用步骤S2、步骤S3得到的VTEC进行最小二乘法来计算卫星硬件延迟误差DCB、接收机硬件延迟误差DCB和台站上空的垂直TEC，其中在计算接收机延迟误差时，采用对日常电离层延迟残差的平均值来进行额外约束。
优选地，步骤S1，所述观测数据包括GPS观测台站的地理位置纬度φ0、经度λ0，以及观测时的仰角E0和方位角AZ。
进一步地，所述电离层薄层模型，即将电离层的带电粒子看成集中在与地球同心的一薄层壳中，其典型高度取值为350～450km。
再进一步地，步骤S2，根据电离层薄层模型，可将卫星信号观测值转换为穿透点处的物理量，根据此方法，即可把斜向STEC转化成与之相应平面坐标的电离层薄层模型上的TEC，亦即穿透点处的地球表面垂直线上的VTEC；
所述的硬件误差与电离层VTEC关系式具体如下：
若已知GPS观测台站的地理位置纬度φ0、经度λ0，以及观测时的仰角E0和方位角AZ，结合电离层薄层模型，则可计算穿透点，即观测路径与电离层薄层模型交点处的纬度φi、经度λi、仰角Ei，
Figure BDA0002255014880000031
其中，Re表示地球的平均半径；hs表示电离层薄层模型的高度；
结合(1)可计算得到穿透点处电离层垂向电子浓度积分VTEC的关系式：
Figure BDA0002255014880000032
其中：Bs表示当前GPS卫星发射机的硬件延迟误差；BR表示当前地面台站GNSS接收机的硬件延迟误差，一般设定卫星和接收机的硬件误差一日内为固定值。
再进一步地，步骤S4，利用观测数据通过步骤S2的关系式构建解算方程，并通过步骤S3的GIM数据获得的TEC作为真值带入计算；
对于每个观测时段内的每个台站上空的观测结果可表示为下式：
Figure BDA0002255014880000033
式中：E表示期望算子；
Figure BDA0002255014880000034
为电离层延迟观测值；Δbs表示卫星延迟误差；Δbr表示台站延迟误差，为固定值未知量；F(z)表示倾斜因子；Ir是台站位置上空的垂直电离层延时；
其中，各参数计算方法如下：
Figure BDA0002255014880000035
Figure BDA0002255014880000036
Figure BDA0002255014880000041
式中：P1和P2为两个频率的载波相位平滑码测量得到的观测结果，为保证计算精度，在计算时尽量选用高仰角观测数据；VTEC表示GIM地图得到的台站上空垂直TEC结果。
再进一步地，其中，采用日常电离层延迟残差的估计平均值来进行额外约束，其公式如下：
Figure BDA0002255014880000042
其中：L为观测数据历元数目；ΔIr,i表示接收机r的历元i的电离层残差。
计算时采用1日内某一时段(若观测时段过短，则不应少于6小时)多历元多站点的观测数据，结合对应时刻的GIM地图数据，解算方程(3)，通过最小二乘法来计算当前时刻台站上空的平均电离层残差结果以及硬件延迟结果。
本发明的有益效果如下：
1.本发明通过获取考察时段内的观测台网上空的全球电离图GIM数据，其时效性很高，仅延迟数天，因此可以在获得数个小时的有效数据后迅速对观测网内所有接收机进行硬件延迟标定；并在计算接收机延迟误差时，采用对日常电离层延迟残差的平均值来进行额外约束，从而能有效的提高GNSS接收机硬件延迟精度。
附图说明
图1是本实施例所述快速解算方法的步骤流程图。
图2是本实施例电离层薄层模型的示意图。
图3是本实施例采用台站位置图。
图4是本实施例应用不同的方法在bjfs台站计算结果。
图5是本实施例应用不同的方法在lhaz台站计算结果。
图6是本实施例应用不用的方法在wuhn台站计算结果。
图7是本实施例应用不用的方法在pimo台站计算结果。
其中图4、图5、图6、图7的图中由上至下为为方法a与IGS结果之差，方法b与IGS结果之差、方法c结果与IGS结果之差。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
如图1所示，一种基于GIM地图的GNSS接收机硬件延迟的快速解算方法，所述该方法包括步骤如下：
S1：利用GNSS观测台网进行同步观测，得到考察时段内的观测数据；
其中，所述观测数据包括GPS观测台站的地理位置纬度φ0、经度λ0，以及观测时的仰角E0和方位角AZ。
S2：采用电离层垂直TEC测量方法，结合观测数据和电离层薄层模型，得到硬件误差与电离层VTEC关系式；
其中，所述电离层薄层模型，即将电离层的带电粒子看成集中在与地球同心的一薄层壳中，其典型高度取值为350－450km，如图2所示。
根据电离层薄层模型，可将卫星信号观测值转换为穿透点处(ionosphere piercepoint，IPP)的物理量。根据此方法，即可把斜向STEC转化成与之相应平面坐标的电离层薄层模型上的TEC，亦即穿透点处的地球表面垂直线上的VTEC(vertical TEC)。
其中，所述的硬件误差与电离层VTEC关系式具体如下：
若已知GPS观测台站的地理位置纬度φ0、经度λ0，以及观测时的仰角E0和方位角AZ，结合电离层薄层模型，则可计算穿透点，即观测路径与电离层薄层模型交点处的纬度φi、经度λi、仰角Ei，
Figure BDA0002255014880000051
其中，Re表示地球的平均半径，本实施例Re取值为6371km；hs表示电离层薄层模型的高度，本实施例hs取值为420km；
结合(1)可计算得到穿透点处电离层垂向电子浓度积分VTEC的关系式：
Figure BDA0002255014880000052
其中：Bs表示当前GPS卫星发射机的硬件延迟误差；BR表示当前地面台站GNSS接收机的硬件延迟误差，一般设定卫星和接收机的硬件误差一日内为固定值。
S3：获取考察时段内的观测台网上空的全球电离图GIM数据：
全球电离图GIM(Global Ionospheric Maps)，许多国际空间研究机构均会在网上发布准实时的GIM数据，例如CODE(Center for Obit Determination in Europe)、IGS(International GPS Service for Geodynamics)和JPL(Jet Propulsion Laboratory)这三大权威机构根据各自的模式和算法，结合实测数据反演而得的GIM数据的电离层TEC数据，本实施例可将并将CODE空间研究机构发布的GIM数据的电离层VTEC数据作为垂直TEC计算的定标参考。
S4：对考察时段内的GNSS观测台网的所有接收数据，在利用电离层薄层模型解算VTEC时，采用GIM数据和最小二乘残差估计的方法进行接收机和卫星的硬件延迟求解：
利用步骤S2、步骤S3得到的VTEC进行最小二乘法来计算卫星硬件延迟误差DCB、接收机硬件延迟误差DCB和台站上空的垂直TEC，其中在计算接收机延迟误差时，采用对日常电离层延迟残差的平均值来进行额外约束。
具体：利用观测数据通过步骤S2的关系式构建解算方程，并通过步骤S3的GIM数据获得的TEC作为真值带入计算；
对于每个观测时段内的每个台站上空的观测结果可表示为下式：
Figure BDA0002255014880000061
式中：E表示期望算子；
Figure BDA0002255014880000062
为电离层延迟观测值；Δbs表示卫星延迟误差；Δbr表示台站延迟误差，为固定值未知量；F(z)表示倾斜因子；Ir是台站位置上空的垂直电离层延时。
其中，各参数计算方法如下：
Figure BDA0002255014880000063
Figure BDA0002255014880000064
Figure BDA0002255014880000065
式中：P1和P2为两个频率的载波相位平滑码测量得到的观测结果，为保证计算精度，在计算时尽量选用高仰角观测数据；VTEC表示GIM地图得到的台站上空垂直TEC结果。
由于直接解上式将使得接收机的延迟误差DCB的变化中代入电离层延时残差。为了规避这个问题，需在计算时考虑电离层延时残差。因此在计算接收机延迟误差时，通过采用对日常电离层延迟残差的平均值来进行额外约束，其公式如下：
Figure BDA0002255014880000071
其中：L为观测数据历元数目；ΔIr,i表示接收机r的历元i的电离层残差。
计算时采用1日内某一时段多历元多站点的观测数据，结合对应时刻的GIM地图数据，解算方程(3)，通过最小二乘法来计算当前时刻台站上空的平均电离层残差结果以及硬件延迟结果。
本实施例通过最小二乘法和GIM的电离层垂直TEC数据，可以计算出当前时刻台站上空的平均电离层残差结果，从而计算得到更高精度的台站硬件延迟误差。
为了进一步说明本实施例所示的基于GIM地图的GNSS接收机硬件延迟的快速解算方法相对于现有技术，取得良好的效果。进行如下实例计算：
1、计算数据范围：
本实施例以2011年IGS的观测数据为考察对象，通过不同算法的流程对观测数据进行处理，分别得到不同算法对应的台站硬件延迟计算结果，采用的观测台站分布如图3所示。由于IGS所公布的部分时段数据缺失，因此下面将采用这4个台站在2011年中均有观测数据和台站硬件延迟结果的200天数据。
2、采用方法
为了考察结果精度，采用下列3种算法：
a)单站就近插值法
从式(2)出发，认为天顶附近观测方向的电离层为球对称，计算台站硬件延迟；
b)多站多项式拟合法
从式(2)出发，认为一定时空范围内电离层随时间和空间线性变化，计算台站硬件延迟；
c)本实施例的基于GIM地图的GNSS接收机硬件延迟的快速解算方法；
对比方法：通过与IGS公布的台站硬件延迟结果进行对比。
3、计算结果
四个台站的硬件延迟计算结果如图4、图5、图6、图7所示，根据图4、图5、图6、图7的结果看出，本基于GIM地图的GNSS接收机硬件延迟的快速解算方法优于其他常用算法。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于GIM地图的GNSS接收机硬件延迟的快速解算方法，其特征在于：所述该方法包括步骤如下：
S1：利用GNSS观测台网进行同步观测，得到考察时段内的观测数据；
S2：采用电离层垂直TEC测量方法，结合观测数据和电离层薄层模型，得到硬件误差与电离层VTEC关系式；
S3：获取考察时段内的观测台网上空的全球电离图GIM数据的电离层VTEC数据作为垂直TEC计算的定标参考；
S4：对考察时段内的GNSS观测台网的所有接收数据，在利用电离层薄层模型解算VTEC时，采用GIM数据和最小二乘残差估计的方法进行接收机和卫星的硬件延迟求解：
利用步骤S2、步骤S3得到的VTEC进行最小二乘法来计算卫星硬件延迟误差DCB、接收机硬件延迟误差DCB和台站上空的垂直TEC，其中在计算接收机延迟误差时，采用对日常电离层延迟残差的平均值来进行额外约束。
2.根据权利要求1所述的基于GIM地图的GNSS接收机硬件延迟的快速解算方法，其特征在于：步骤S1，所述观测数据包括GPS观测台站的地理位置纬度φ0、经度λ0，以及观测时的仰角E0和方位角AZ。
3.根据权利要求1所述的基于GIM地图的GNSS接收机硬件延迟的快速解算方法，其特征在于：所述电离层薄层模型，即将电离层的带电粒子看成集中在与地球同心的一薄层壳中，其典型高度取值为350～450km。
4.根据权利要求2或3任一项所述的基于GIM地图的GNSS接收机硬件延迟的快速解算方法，其特征在于：步骤S2，根据电离层薄层模型，可将卫星信号观测值转换为穿透点处的物理量，根据此方法，即可把斜向STEC转化成与之相应平面坐标的电离层薄层模型上的TEC，亦即穿透点处的地球表面垂直线上的VTEC；
所述的硬件误差与电离层VTEC关系式具体如下：
若已知GPS观测台站的地理位置纬度φ0、经度λ0，以及观测时的仰角E0和方位角AZ，结合电离层薄层模型，则可计算穿透点，即观测路径与电离层薄层模型交点处的纬度φi、经度λi、仰角Ei，
Figure FDA0002255014870000021
其中，Re表示地球的平均半径；hs表示电离层薄层模型的高度；
结合(1)可计算得到穿透点处电离层垂向电子浓度积分VTEC的关系式：
Figure FDA0002255014870000022
其中：Bs表示当前GPS卫星发射机的硬件延迟误差；BR表示当前地面台站GNSS接收机的硬件延迟误差，一般设定卫星和接收机的硬件误差一日内为固定值。
5.根据权利要求4所述的基于GIM地图的GNSS接收机硬件延迟的快速解算方法，其特征在于：步骤S4，利用观测数据通过步骤S2的关系式构建解算方程，并使用步骤S3的GIM数据获得的TEC；
对于每个观测时段内的每个台站上空的观测结果可表示为下式：
Figure FDA0002255014870000023
式中：E表示期望算子；
Figure FDA0002255014870000024
为电离层延迟观测值；Δbs表示卫星延迟误差；Δbr表示台站延迟误差，为固定值未知量；F(z)表示倾斜因子；Ir是台站位置上空的垂直电离层延时；
其中，各参数计算方法如下：
Figure FDA0002255014870000025
Figure FDA0002255014870000026
Figure FDA0002255014870000027
式中：P1和P2为两个频率的载波相位平滑码测量得到的观测结果；VTEC表示GIM地图得到的台站上空垂直TEC结果。
6.根据权利要求5所述的基于GIM地图的GNSS接收机硬件延迟的快速解算方法，其特征在于：其中，采用日常电离层延迟残差的估计平均值来进行额外约束，其公式如下：
Figure FDA0002255014870000031
其中：L为观测数据历元数目；ΔIr,i表示接收机r的历元i的电离层残差；
计算时采用1日内某一时段多历元多站点的观测数据，结合对应时刻的GIM地图数据，解算方程(3)，通过最小二乘法来计算当前时刻台站上空的平均电离层残差结果以及硬件延迟结果。
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