CN111208535B - 一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了空间技术设计领域的一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正的计算方法。其技术方案是，基于GNSS实测电离层TEC数据，构建电离层TEC模型，并依据此模型划分区域规则网格；根据GNSS实测电离层TEC数据及未修正的电离层TEC模型，在规则网格上对实测数据缺失位置中不符合国际参考电离层约束及电离层TEC为负值的区域进行标记；利用国际参考电离层模型及未修正的电离层TEC模型，求解网格标记位置处的TEC值，构建修正后电离层TEC模型。本发明的有益效果是，基于国际参考电离层总电子含量异常值修正的计算方法可以快速和准确地处理电离层TEC模型中的异常值，对进一步获取高精度电离层TEC模型，提高电离层空间环境监测水平具有重要价值。

Description

一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正的计算方法
技术领域
本发明属于空间技术设计领域，尤其涉及一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正的计算方法。
背景技术
电离层总电子含量(Total Electron Content，TEC)是描述电离层结构、状态和变化的最重要的参量之一。由于GNSS地面基准站分布不均，利用GNSS-TEC构建出的全球电离层TEC模型无法较好地表达缺少观测数据区域的电离层总电子含量，减少缺少观测数据区域中的TEC异常值能够有效地提高电离层模型的精度。因此，解决电离层TEC异常值问题是开展电离层研究中不可缺少的一步。
GNSS测站在海洋、非洲以及南半球区域布设较少，电离层穿刺点无法有效地覆盖这些区域，电离层TEC模型在这些地区会出现不符合电子含量先验知识的TEC异常值。以往的文献针对TEC异常值问题的处理从不同方面进行了讨论，其解决方法主要分为两类。第一类方法致力于解决测站分布稀疏区域实测数据缺失的问题；例如：利用实际测得的电离层TEC数据按一定的数学内插方法计算数据缺失位置的TEC值，或利用附加的虚拟观测值模拟数据缺失位置的TEC值等。第二类方法主要在构建电离层模型时对TEC值添加数学约束以减少电离层TEC异常值；例如：构建电离层TEC模型时利用不等式最小二乘约束减少模型中的负值。以上两类方法都存在一定的局限性，第一类方法依赖于计算的实测数据缺失位置TEC值的精度，若算得的TEC值不能准确地描述实际TEC值，电离层TEC模型在观测台站分布稀疏区域仍会大范围的出现异常值。第二类方法在异常值较多时，存在求解速度慢的问题，不能满足实际工程应用的需求。
针对以上两类方法的局限性，我们提出了一种基于国际参考电离层(International Reference Ionosphere，IRI)总电子含量异常值修正的计算方法，该方法寻找并处理电离层TEC模型中出现的异常值，有效减少了处理异常值所需的时间，提高了电离层TEC模型在测站分布稀疏区域的准确性，为后续电离层TEC的科学研究与工程应用发挥关键作用。
发明内容
针对上述背景技术中提到的传统方法在TEC异常值问题的处理精度与解算速度上的不足，本发明提出了一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正的计算方法。
一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正的计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：基于GNSS实测电离层TEC数据，构建电离层TEC模型，并依据此模型划分区域规则网格；
步骤2：根据GNSS实测电离层TEC数据，在区域规则网格上标记缺失实测数据的位置；
步骤3：根据步骤1构建的电离层TEC模型，寻找步骤2标记位置中不符合国际参考电离层约束的区域，并在规则网格上标记这些位置；
步骤4：根据步骤1得到的电离层TEC模型，寻找模型中电离层TEC为负值的位置，并在规则网格上标记这些位置；
步骤5：利用国际参考电离层模型及步骤1构建的电离层TEC模型，求解步骤3、4中网格标记位置处的TEC值，构建新的电离层TEC模型。
步骤2中，判断某位置中GNSS实测数据是否缺失的方法是：以某网格点为顶点的网格内均不存在观测，则将该网格点标记为缺少观测值的位置。
步骤3中，基于国际参考电离层约束TEC取值范围如表1所示。
步骤5中，标记位置处TEC值的计算公式为：
Figure BSA0000174351520000031
TEC_newi＝IRITECi×proportion
其中，TECj为步骤1构建的电离层TEC模型在网格未标记位置的TEC值，IRITECj为国际参考电离层在网格未标记位置的TEC值，n为未标记位置网格点个数，proportion为步骤1构建的电离层TEC模型与国际参考电离层TEC在网格未标记位置比值的均值，IRITECi为国际参考电离层在网格标记位置处TEC值，TEC_newi为在网格标记位置算得的TEC值。
本发明的有益效果是，基于国际参考电离层总电子含量异常值修正的计算方法可以快速和准确地处理电离层TEC模型中的异常值，对进一步获取高精度电离层TEC模型，提高电离层空间环境监测水平具有重要价值。
表1国际参考电离层约束
Figure BSA0000174351520000041
附图说明
图1是本发明提供的一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正计算方法计算的2003年3月21日世界时06：02：30全球GNSS台站电离层TEC观测分布图。
图2是本发明提供的一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正计算方法计算的异常值修正前2003年3月21日世界时06：02：30全球电离层TEC地图。
图3是本发明提供的一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正计算方法计算的GNSS实测TEC数据位置的分布图。
图4是本发明提供的一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正计算方法计算的缺少实测数据位置中不符合国际参考电离层约束区域的分布图。
图5是本发明提供的一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正的计算方法计算的异常值修正前全球电离层TEC地图中TEC为负值的位置分布图。
图6是本发明提供的一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正计算方法计算的异常值修正后2003年3月21日世界时06：02：30全球电离层TEC分布图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
以某时刻全球GNSS观测站的实测数据为例，该实测数据分布如图1所示，数据不规则地分布在经度为-180°～180°，纬度为-90°～90°的范围内，最小经纬度空间分辨率为1°×1°。
步骤1：基于GNSS实测电离层TEC数据构建电离层TEC模型，未修正的电离层TEC地图如图2所示，划分经纬度空间分辨率为5°×2.5°规则网格。
步骤2：根据GNSS实测电离层TEC数据，在区域规则网格上标记的缺失数据的位置如图3所示。
步骤3：步骤2缺失GNSS实测数据的位置中不符合国际参考电离层约束的位置如图4所示。
步骤4：步骤1构建的电离层TEC模型中TEC为负值位置的如图5所示。
步骤5：利用步骤1构建的电离层TEC模型及国际参考电离层计算网格标记位置处TEC值：
Figure BSA0000174351520000061
TEC_newi＝IRITE Ci×proportion
Figure BSA0000174351520000062
TEC_new1＝IRITEC1×proportion＝9.833×1.005＝9.882
其中i＝1，2，...1842，j＝1，2，...3341，TECj为步骤1构建的电离层TEC模型在第j个未标记位置的TEC值，IRITECj为国际参考电离层在第j个未标记位置的TEC值，proportion值约为1.005，IRITECi为国际参考电离层在第i个网格标记位置处TEC值，TEC_newi为第i个标记位置算得的新TEC值，在这里以i＝1为例计算，其值约为9.882。
图6显示了是本发明提供的一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正计算方法计算的异常值修正后后2003年3月21日世界时06：02：30全球电离层TEC分布图。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正的计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：基于GNSS实测电离层TEC数据，构建电离层TEC模型，并依据此模型划分区域规则网格；
步骤2：根据GNSS实测电离层TEC数据，在区域规则网格上标记缺失实测数据的位置；
步骤3：根据步骤1构建的电离层TEC模型，寻找步骤2标记位置中不符合国际参考电离层约束的区域，并在规则网格上标记这些位置；
步骤4：根据步骤1得到的电离层TEC模型，寻找模型中电离层TEC为负值的位置，并在规则网格上标记这些位置；
步骤5：利用国际参考电离层模型及步骤1构建的电离层TEC模型，求解步骤3、4中网格标记位置处的TEC值，构建新电离层TEC模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正的计算方法，其特征在于，所述步骤2中，判断是否为实测GNSS数据缺失位置方法为：若以某网格点为顶点的网格内均不存在观测，则将该网格点记为缺少观测值的位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正的计算方法，其特征在于，所述步骤3中，基于国际参考电离层约束TEC取值范围：若IRITEC范围为0至小于50，则电离层模型TEC范围为所述IRITEC范围至80或为所述IRITEC范围至1.5倍的所述IRITEC范围；若IRITEC范围为50至100，则电离层模型TEC范围为所述IRITEC范围150或为所述IRITEC范围至1.5倍的所述IRITEC范围；若IRITEC范围为大于100，则电离层模型TEC范围为所述IRITEC范围至2倍的所述IRITEC范围，其中IRITEC为国际参考电离层模型电离层总电子含量。
4.根据权利要求1所述的一种基于国际参考电离层总电子含量异常值修正的计算方法，其特征在于，所述步骤5中，标记位置处TEC值的计算公式如下：
Figure FDA0003890050890000021
TEC_newi＝IRITECi×proportion
其中TECj为步骤1构建的电离层TEC模型在网格未标记位置的TEC值，IRITECj为国际参考电离层在网格未标记位置的TEC值，n为未标记位置网格点个数，proportion为步骤1构建的电离层TEC模型与国际参考电离层TEC在网格未标记位置比值的均值，IRITECi为国际参考电离层在网格标记位置处TEC值，TEC_newi为在网格标记位置算得的TEC值。
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