CN111045062A - 一种基于电磁星的星基电离层反演方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁星的星基电离层反演方法，包括：对观察数据进行数据提取和分离，得到GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据；对GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据进行质量检测与粗差剔除；根据处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据；根据处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据，进行数据插值及时间同步计算，得到各个掩星时刻对应的GPS掩星轨道或BD掩星轨道、以及LEO轨道数据；进行信号传播路径上的TEC解算；得到改正的TEC′；根据改正的TEC′反演电离层电子密度；对反演得到的电离层电子密度进行离散化处理，得到电子密度廓线。本发明能够同时对GPS电离层掩星事件和北斗电离层掩星进行探测，探测的电离层掩星事件能够覆盖全球。

Description

一种基于电磁星的星基电离层反演方法
技术领域
本发明涉及无线电掩星探测及卫星应用技术领域，特别是一种基于电磁星的星基电离层反演方法。
背景技术
无线电掩星探测技术是一种区别于传统的探空气球、非相干散射雷达和数字测高仪等探测大气参数的技术，它具有垂直分辨率高、精度高、全天候、准实时、低成本、全球覆盖及长期稳定等特点。已经被成功应用于MicroLab1、Orsted、SAC-C、CHAMP和COSMIC等卫星的掩星探测上，得到了大量的电离层电子密度廓线，在全球数值天气预报服务及掩星探测技术研究方面作出了一定贡献。
传统的探空气球、非相干散射雷达和数字测高仪等设备不能实现全天候、全球覆盖、低成本的对电离层进行探测，因此发明一种成熟可靠的用于电离层探测的技术十分重要。中国气象局根据气象业务对全球大气探测的需求，在风云卫星计划中规划了GNSS/LEO掩星探测技术；中国国家地震局根据地震预报对空间环境探测的需求，也制定了GNSS/LEO掩星探测卫星计划，已于2018年2月2日发射全国第一颗电磁监测卫星，并配备GNSS掩星接收机载荷进行电离层探测，每天能够得到500个左右的电离层掩星事件。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于电磁星的星基电离层反演方法，能够同时对GPS电离层掩星事件和北斗电离层掩星进行探测，探测的电离层掩星事件能够覆盖全球。
本发明的技术解决方案是：一种基于电磁星的星基电离层反演方法，包括：
获取观察数据，对观察数据进行数据提取和分离，得到GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据；
对GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据进行质量检测与粗差剔除，得到处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据；
根据处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据，进行载波相位对应距离计算，将载波相位周单位转化为米为单位，得到载波相位对应距离；
根据处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据，进行数据插值及时间同步计算，得到各个掩星时刻对应的GPS掩星轨道或BD掩星轨道、以及LEO轨道数据；
根据处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据、以及GPS掩星轨道或BD掩星轨道、以及LEO轨道数据，解算得到信号传播路径上的TEC，并对TEC进行改正得到改正的TEC′；
根据改正的TEC′反演电离层电子密度；
对反演得到的电离层电子密度进行离散化处理，得到电子密度廓线。
可选地，GPS掩星观测数据包括：GPS-L1频点载波相位数据、GPS-L2频点载波相位数据、GPS-P1码观测数据、GPS-P2码观测数据以及信噪比；BD掩星观测数据包括：BD-B1频点载波相位数据、BD-B2频点载波相位数据、BD-P1码观测数据、BD-P2码观测数据以及信噪比。
可选地，获取观察数据，包括：
对载荷中实时存储的定位观测数据和电离层观测数据，以及Flash中存储的定位观测数据和电离层观测数据分别进行提取和拼接，得到的第一观察数据和第二观察数据。
可选地，对载荷中实时存储的定位观测数据和电离层观测数据，以及Flash中存储的定位观测数据和电离层观测数据分别进行提取和拼接，得到的第一观察数据和第二观察数据，包括：
按照时间先后顺序对载荷中实时存储的定位观测数据和Flash中存储的定位观测数据进行拼接，对载荷中实时存储的电离层观测数据和Flash中存储的电离层观测数据进行拼接，得到完整时间序列的定位观测数据和电离层观测数据；其中，电离层观测数据分为掩星侧和非掩星侧观测，掩星侧采用20Hz采样，非掩星侧采用1Hz采样。
可选地，对观察数据进行数据提取和分离，得到GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据，包括：
将GPS系统标志设为1，BD系统标志设为2；
根据GPS系统标志和BD系统标志，对观察数据进行数据提取和分离，得到GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据。
可选地，对GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据进行质量检测与粗差剔除，得到处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据，包括：
根据GPS掩星观测数据的L1/L2双频载波相位数据的平滑性和BD掩星观测数据的L1/L2双频载波相位数据的平滑性，对GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据分别进行质量检测；其中，当GPS掩星观测数据的L1/L2双频载波相位数据的二阶导大于0.3时，确定GPS掩星观测数据存在粗差，利用相邻历元的平均插值法进行插值替换粗差，得到处理后的GPS掩星观测数据；当BD掩星观测数据的的L1/L2双频载波相位数据的二阶导大于0.3时，确定BD掩星观测数据存在粗差，利用相邻历元的平均插值法进行插值替换粗差，得到处理后的BD掩星观测数据。
可选地，根据处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据，进行载波相位对应距离计算，将载波相位周单位转化为米为单位，得到载波相位对应距离，包括：
将处理后的GPS掩星观测数据中的GPS电离层掩星事件乘以对应的GPS掩星观测数据的L1/L2频点上的波长，将处理后的BD掩星观测数据中的BD电离层掩星事件乘以对应的BD掩星观测数据的B1/B2频点上的波长，将载波相位以周为单位转化为以米为单位，得到处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据的载波相位对应距离。
可选地，信号传播路径上的TEC的解算公式如下：
Figure BDA0002297088560000041
则，改正的TEC′如下：
Figure BDA0002297088560000042
其中，f1和f2表示双频电磁波频率，L1和L1表示双频载波相位观测值，r0表示掩星切点到地心的距离，rLEO表示LEO卫星的轨道半径，ne表示电子密度，N表示组合载波相位整周模糊度，λ表示组合载波相位的波长，ε表示噪声，r表示积分路径。
可选地，通过如下公式反演电离层电子密度：
Figure BDA0002297088560000043
可选地，对反演得到的电离层电子密度进行离散化处理，得到电子密度廓线，包括：
对公式(3)所述的积分方程进行公式变形，转换为微分求和的线性方程形式，通过对观测数据序列的拟合得到线性方程的系数，从而实现电子密度计算方程的离散化。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)探测的电离层掩星事件能够覆盖全球；
2)能够同时对GPS电离层掩星事件和北斗电离层掩星进行探测；
3)应用在ZH-1电磁星上进行电离层反演，且反演出的电子密度相对于子午工程数据中心的数字测高仪具有较高的精度。
附图说明
图1为本发明一种基于电磁星的星基电离层反演方法的流程图；
图2为本发明一种电离层反演事件全球覆盖图；
图3为本发明一种GPS02掩星电子密度廓线示意图；
图4为本发明一种BD13掩星电子密度廓线示意图；
图5为本发明一种反演电离层电子密度精度验证图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
参照图1，为本发明一种基于电磁星的星基电离层反演方法的流程图。在本发明中，所述基于电磁星的星基电离层反演方法包括：
S1，获取观察数据。
在本发明中，获取观察数据的方式如下：对载荷中实时存储的定位观测数据和电离层观测数据，以及Flash中存储的定位观测数据和电离层观测数据分别进行提取和拼接，得到的第一观察数据和第二观察数据。
具体实现方式为：按照时间先后顺序对载荷中实时存储的定位观测数据和Flash中存储的定位观测数据进行拼接，对载荷中实时存储的电离层观测数据和Flash中存储的电离层观测数据进行拼接，得到完整时间序列的定位观测数据和电离层观测数据；其中，电离层观测数据分为掩星侧和非掩星侧观测，掩星侧采用20Hz采样，非掩星侧采用1Hz采样。
S2，对观察数据进行数据提取和分离，得到GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据。
在本发明中，GPS掩星观测数据包括：GPS-L1频点载波相位数据、GPS-L2频点载波相位数据、GPS-P1码观测数据、GPS-P2码观测数据以及信噪比；BD掩星观测数据包括：BD-B1频点载波相位数据、BD-B2频点载波相位数据、BD-P1码观测数据、BD-P2码观测数据以及信噪比。其中：GPS-L1频点频率为157542MHz，GPS-P1码为GPS-L1频点上的码伪距；GPS-L2频点频率为1227.6MHz，GPS-P2码为GPS-L2频点上的码伪距；BD-B1频点频率为1561.098MHz，BD-P1码为BD-B1频点上的码伪距；BD-B2频点频率为1207.14MHz，BD-P2码为BD-B2频点上的码伪距。
优选的，步骤S2的具体实现方式为：将GPS系统标志设为1，BD系统标志设为2；根据GPS系统标志和BD系统标志，对观察数据进行数据提取和分离，得到GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据。
S3，对GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据进行质量检测与粗差剔除，得到处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据。
在本发明中，步骤S3的具体实现方式为：根据GPS掩星观测数据的L1/L2双频载波相位数据的平滑性和BD掩星观测数据的L1/L2双频载波相位数据的平滑性，对GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据分别进行质量检测；其中，当GPS掩星观测数据的L1/L2双频载波相位数据的二阶导大于0.3时，确定GPS掩星观测数据存在粗差，利用相邻历元的平均插值法进行插值替换粗差，得到处理后的GPS掩星观测数据；当BD掩星观测数据的的L1/L2双频载波相位数据的二阶导大于0.3时，确定BD掩星观测数据存在粗差，利用相邻历元的平均插值法进行插值替换粗差，得到处理后的BD掩星观测数据。
S4，根据处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据，进行载波相位对应距离计算，将载波相位周单位转化为米为单位，得到载波相位对应距离。
在本发明中，步骤S4的具体实现方式为：将处理后的GPS掩星观测数据中的GPS电离层掩星事件乘以GPS掩星观测数据对应的L1/L2频点上的波长，将处理后的BD掩星观测数据中的BD电离层掩星事件乘以对应的B1/B2频点上的波长，将载波相位以周为单位转化为以米为单位，得到处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据的载波相位对应距离。
S5，根据处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据，进行数据插值及时间同步计算，得到各个掩星时刻对应的GPS或BD掩星轨道、以及LEO(low earth orbit satellite，低轨道地球卫星)轨道数据。
在本发明中，载荷观测时的掩星侧数据为20Hz，需对1Hz的LEO轨道数据进行插值(如，平均插值方法)和时间同步及计算20Hz的掩星轨道数据。
S6，根据处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据、以及GPS或BD掩星轨道、以及LEO轨道数据，解算得到信号传播路径上的TEC(Total Electron Content，总电子含量)，并对TEC进行改正得到改正的TEC′。
在本发明中，信号传播路径上的TEC的解算公式如下：
Figure BDA0002297088560000071
则，改正的TEC′如下：
Figure BDA0002297088560000072
其中，f1和f2表示双频电磁波频率，L1和L1表示双频载波相位观测值，r0表示掩星切点到地心的距离，rLEO表示LEO卫星的轨道半径，ne表示电子密度，N表示组合载波相位整周模糊度，λ表示组合载波相位的波长，ε表示噪声，r表示积分路径。
S7，根据改正的TEC′反演电离层电子密度。
在本发明中，通过如下公式反演电离层电子密度：
Figure BDA0002297088560000073
S8，对反演得到的电离层电子密度进行离散化处理，得到电子密度廓线。
在本发明中，对公式(3)所述的积分方程进行公式变形，转换为微分求和的线性方程形式，通过对观测数据序列的拟合得到线性方程的系数，从而实现电子密度计算方程的离散化。
实施例2
电磁监测卫星，即张衡一号电磁卫星，轨道为太阳同步轨道，轨道高度508公里，每天运行约30个的半轨。卫星全球重放同一地区的时间为5天。下面对2018年4月25日一个半轨数据进行处理来描述本发明的实施方式，描述如下：
(1)GPS和BD掩星观测数据提取及分离
掩星载荷采用实时+Flash存储的方式进行掩星数据存储，在南北纬65°以内采用实时存储，南北纬65°以外采用Flash存储。提取载荷中实时存储和Flash存储的电离层掩星观测数据，对提取的实时掩星观测数据和Flash掩星观测数据按照时间顺序进行拼接，然后再提取并分离出单独的GPS和BD掩星观测数据。
(2)数据质量检测与粗差剔除
对每个历元对应的双频载波相位作差：对于GPS掩星事件，双频分别为L1和L1，频率fr1＝1575.42MHz，fr2＝1227.60MHz；对于北斗掩星事件，频率fr1＝1561.098MHz，fr2＝1207.140MHz。
将两个频点的载波相位作差得到delta12：GPS掩星事件delta12＝L1-L2，BD掩星事件delta12＝B1-B2。对相邻历元的delta12作差得到delta12_diff，判断delta12_diff的大小是否超过门限，根据经验值确定GPS和BD事件的门限分别为0.15m和0.30m，对于超过门限的粗差和跳点数据进行剔除。
(3)载波相位对应距离的计算
将电离层掩星事件观测数据的双频载波相位乘以相应的波长得到载波对应的距离，Ion_exl1＝carr1*clight/fr1，Ion_exl2＝carr2*clight/fr2。其中carr1、carr2分别为两个频点上的载波相位，对于GPS掩星事件carr1＝L1，carr2＝L2；对于BD掩星事件carr1＝B1，carr2＝B2。
(4)LEO轨道数据插值及时间同步
LEO掩星观测文件的掩星侧数据为20Hz，非掩星侧数据为1Hz，需对LEO轨道数据进行插值和时间同步及计算20Hz的掩星轨道数据，本发明采用平均差值方法，平均插值法原理是根据前后历元时间差来判断前后历元间插值点的个数，然后根据前后历元的位置速度差除以个数得到每个点的插值量，进行平均插值即可得到20Hz定位数据，并对观测数据和轨道数据进行时间对齐。
(5)信号路径上TEC的计算及改正
为了计算GPS或BD掩星到LEO低轨卫星路径上的总电子含量TEC大小，由于路径上包含了从LEO轨道高度到GPS或者BD掩星范围内的非掩星侧总电子含量TEC0，需要非掩星侧数据对掩星侧数据进行校正，得到最终的总电子含量TEC′＝TEC-TEC0。
Figure BDA0002297088560000091
Figure BDA0002297088560000092
(6)利用改正的TEC′反演电离层电子密度；
改正的TEC′与电离层电子密度之间存在着ABEL积分的关系，利用改正的TEC′进行ABEL积分逆变换反演得到电离层电子密度：
Figure BDA0002297088560000093
(7)电子密度的离散化处理，得到电子密度廓线。
由步骤(6)计算出来的电离层电子密度是连续变化的曲线，在实际过程中时间是以离散数值形式表示的，为了便于展示及与对应时间序列相匹配，将电子密度进行离散化处理，得到离散型的电子密度廓线。
实施例3
为了验证本发明的工作性能，在Windows10系统i7CPU电脑上运用QT5.0.2软件进行测试。进行了约8个月测试，产生了10万多电离层电子密度廓线，对其中2018年4月24日～2018年4月28日共一个电磁星回归周期内反演成功的电离层掩星事件绘制全球分布的平面图，如图2所示。由图2可知，电离层掩星事件在一个回归周期内覆盖范围可达：经度-180°～180°，纬度-90°～90°，可以实现全球覆盖。对其中GPS掩星和BD掩星的电离层电子密度廓线进行展示，分别如图3和图4所示，从图中可知，电子密度高度范围为0km～500km，在250km左右电子密度达到峰值，满足电离层电子密度分布规律。为了验证ZH-1电磁星星基电离层反演方法和装置的正确性，将其与子午工程数据中心公布的数字测高仪进行精度对比，掩星事件匹配条件为：时间相差1小时，经度相差10度，纬度相差5度，剔除了包含粗差的时空匹配事件爱你，滤除了太阳和磁暴影响等事件，结果如图5所示，掩星反演电离层电子密度相对于子午工程数据中心RMS优于8.78％。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。

Claims (10)

1.一种基于电磁星的星基电离层反演方法，其特征在于，包括：
获取观察数据，对观察数据进行数据提取和分离，得到GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据；
对GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据进行质量检测与粗差剔除，得到处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据；
根据处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据，进行载波相位对应距离计算，将载波相位周单位转化为米为单位，得到载波相位对应距离；
根据处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据，进行数据插值及时间同步计算，得到各个掩星时刻对应的GPS掩星轨道或BD掩星轨道、以及LEO轨道数据；
根据处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据、以及GPS掩星轨道或BD掩星轨道、以及LEO轨道数据，解算得到信号传播路径上的TEC，并对TEC进行改正得到改正的TEC′；
根据改正的TEC′反演电离层电子密度；
对反演得到的电离层电子密度进行离散化处理，得到电子密度廓线。
2.根据权利要求1所述的基于电磁星的星基电离层反演方法，其特征在于，GPS掩星观测数据包括：GPS-L1频点载波相位数据、GPS-L2频点载波相位数据、GPS-P1码观测数据、GPS-P2码观测数据以及信噪比；BD掩星观测数据包括：BD-B1频点载波相位数据、BD-B2频点载波相位数据、BD-P1码观测数据、BD-P2码观测数据以及信噪比。
3.根据权利要求1所述的基于电磁星的星基电离层反演方法，其特征在于，获取观察数据，包括：
对载荷中实时存储的定位观测数据和电离层观测数据，以及Flash中存储的定位观测数据和电离层观测数据分别进行提取和拼接，得到的第一观察数据和第二观察数据。
4.根据权利要求3所述的基于电磁星的星基电离层反演方法，其特征在于，对载荷中实时存储的定位观测数据和电离层观测数据，以及Flash中存储的定位观测数据和电离层观测数据分别进行提取和拼接，得到的第一观察数据和第二观察数据，包括：
按照时间先后顺序对载荷中实时存储的定位观测数据和Flash中存储的定位观测数据进行拼接，对载荷中实时存储的电离层观测数据和Flash中存储的电离层观测数据进行拼接，得到完整时间序列的定位观测数据和电离层观测数据；其中，电离层观测数据分为掩星侧和非掩星侧观测，掩星侧采用20Hz采样，非掩星侧采用1Hz采样。
5.根据权利要求1所述的基于电磁星的星基电离层反演方法，其特征在于，对观察数据进行数据提取和分离，得到GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据，包括：
将GPS系统标志设为1，BD系统标志设为2；
根据GPS系统标志和BD系统标志，对观察数据进行数据提取和分离，得到GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据。
6.根据权利要求2所述的基于电磁星的星基电离层反演方法，其特征在于，对GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据进行质量检测与粗差剔除，得到处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据，包括：
根据GPS掩星观测数据的L1/L2双频载波相位数据的平滑性和BD掩星观测数据的L1/L2双频载波相位数据的平滑性，对GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据分别进行质量检测；其中，当GPS掩星观测数据的L1/L2双频载波相位数据的二阶导大于0.3时，确定GPS掩星观测数据存在粗差，利用相邻历元的平均插值法进行插值替换粗差，得到处理后的GPS掩星观测数据；当BD掩星观测数据的的L1/L2双频载波相位数据的二阶导大于0.3时，确定BD掩星观测数据存在粗差，利用相邻历元的平均插值法进行插值替换粗差，得到处理后的BD掩星观测数据。
7.根据权利要求2所述的基于电磁星的星基电离层反演方法，其特征在于，根据处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据，进行载波相位对应距离计算，将载波相位周单位转化为米为单位，得到载波相位对应距离，包括：
将处理后的GPS掩星观测数据中的GPS电离层掩星事件乘以对应的GPS掩星观测数据的L1/L2频点上的波长，将处理后的BD掩星观测数据中的BD电离层掩星事件乘以对应的BD掩星观测数据的B1/B2频点上的波长，将载波相位以周为单位转化为以米为单位，得到处理后的GPS掩星观测数据和BD掩星观测数据的载波相位对应距离。
8.根据权利要求1所述的基于电磁星的星基电离层反演方法，其特征在于，信号传播路径上的TEC的解算公式如下：
Figure FDA0002297088550000031
则，改正的TEC′如下：
Figure FDA0002297088550000032
其中，f1和f2表示双频电磁波频率，L1和L1表示双频载波相位观测值，r0表示掩星切点到地心的距离，rLEO表示LEO卫星的轨道半径，ne表示电子密度，N表示组合载波相位整周模糊度，λ表示组合载波相位的波长，ε表示噪声，r表示积分路径。
9.根据权利要求8所述的基于电磁星的星基电离层反演方法，其特征在于，通过如下公式反演电离层电子密度：
Figure FDA0002297088550000033
10.根据权利要求9所述的基于电磁星的星基电离层反演方法，其特征在于，对反演得到的电离层电子密度进行离散化处理，得到电子密度廓线，包括：
对公式(3)所述的积分方程进行公式变形，转换为微分求和的线性方程形式，通过对观测数据序列的拟合得到线性方程的系数，从而实现电子密度计算方程的离散化。
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