CN111505702B - 一种基于垂直边界截断射线的电离层层析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于垂直边界截断射线的电离层层析方法，涉及电离层层析成像技术领域，该方法包括：获取目标区域中每个体元的初始电离层电子密度和GNSS卫星传播路径上的电离层TEC值；对目标区域进行扩展，使目标区域之外一定范围内的GNSS测站囊括于所述目标区域之内；针对目标区域一定范围内的GNSS测站，计算垂直边界的截断TEC值；针对目标区域内的GNSS测站，计算垂直边界的截断TEC值；构建基于垂直边界截断TEC值PrTEC和PsTEC的三维电离层层析模型。本发明的方法基于穿过垂直边界的截断射线构建电离层三维模型，提高了电离层层析反演精度，在GNSS导航定位精度提高和空间环境的减灾和防灾能力中具有重要的应用价值。

Description

一种基于垂直边界截断射线的电离层层析方法
技术领域
本发明涉及电离层层析成像技术领域，具体涉及一种基于垂直边界截断射线的电离层层析方法。
背景技术
电离层层析成像(Computerized Ionospheric Tomography,CIT)是空间无线电探测的一种新技术，是CT(Computerized Tomography,CT)技术在电离层探测中的具体应用。1986年，Austen等首次提出了基于GNSS(Global Navigation Satellite System)的电离层层析成像技术，该技术为确定电离层电子密度结构提供了一种新的理论和技术，可实现三维电离层电子密度的重构，其克服了薄层假设的电离层模型、传统探测手段以及掩星技术的缺陷，并以探测时间长、范围广、费用低、能描述电离层精细结构等诸多优势，受到国内外电离层研究者们的密切关注。但是，电离层层析方法受多因观测信息的数量不足、几何分布不合理及垂直分辨率较低等因素严重限制，导致其应用效果较差、亟待进一步提升。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于垂直边界截断射线的电离层层析方法。
本发明提供的具体技术方案为：一种基于垂直边界截断射线的电离层层析方法，包括：
S1：获取目标区域中每个体元的初始电离层电子密度和GNSS卫星传播路径上的电离层TEC值；
S2：对步骤S1中的目标区域进行扩展，使目标区域之外一定范围内的GNSS测站囊括于所述目标区域之内；
S3：针对目标区域一定范围内的GNSS测站，计算垂直边界的截断TEC值，记作PrTEC；
S4：针对目标区域内的GNSS测站，计算垂直边界的截断TEC值，记作PsTEC；
S5：构建基于垂直边界截断TEC值PrTEC和PsTEC的三维电离层层析模型；
S6：对步骤S5中的电离层层析模型进行解算，反演目标区域的电离层电子密度。
进一步地，所述目标区域的确定包括目标区域的经度、纬度、高度以及时间的确定。
更进一步地，所述PrTEC的具体计算过程为：
S31：通过NeQuick模型获取电离层电子密度初值和NeQuick模型作为先验信息获取的TEC值TEC0；
S32：针对目标区域之外一定范围的GNSS测站，通过所述电离层电子密度初值和TEC0计算截断因子λr；
S33：通过截断因子λr和GNSS卫星传播路径上的电离层TEC值TECG计算PrTEC值。
更进一步地，所述PrTEC的具体计算过程为：
S311：通过NeQuick模型获取电离层电子密度初值和NeQuick模型作为先验信息获取的TEC值TEC0；
S321：针对目标区域之外一定范围的GNSS测站，通过所述电离层电子密度初值和TEC0计算截断因子λr的具体公式见公式(1)和(2)：
其中，TEC0为NeQuick模型作为先验信息获取的TEC值；
S331：通过截断因子λr和GNSS卫星传播路径上的电离层TEC值TECG计算PrTEC值，具体见公式(3)：
PrTEC＝λr·TECG (3)
其中，TECG为通过GNSS观测数据提取的电离层TEC值。
更进一步地，所述PsTEC的具体计算过程为：
S41：通过NeQuick模型获取电离层电子密度初值和NeQuick模型作为先验信息获取的TEC值TEC0；
S42：针对目标区域内的GNSS测站，通过所述电离层电子密度初值和TEC0计算截断因子λs；
S43：通过截断因子λs和GNSS卫星传播路径上的电离层TEC值TECG计算PsTEC值。
更进一步地，所述PsTEC的具体计算过程为：
S411：通过NeQuick模型获取电离层电子密度初值和NeQuick模型作为先验信息获取的TEC值TEC0；
S421：针对目标区域扩展部分的GNSS测站，通过所述电离层电子密度初值和TEC0计算截断因子λs，具体计算公式见公式(4)和(5)：
其中，TEC0为NeQuick模型作为先验信息获取的TEC值；
S431：通过截断因子λs和GNSS卫星传播路径上的电离层TEC值TECG计算PsTEC值，具体见公式(6)：
PsTEC＝λs·TECG (6)
其中，TECG为通过GNSS观测数据提取的电离层TEC值。
更进一步地，所述步骤S6中反演目标区域的电离层电子密度的具体方法见公式(7)：
ym×1＝Am×n·xn×1+em×1 (7)
其中，y为电离层TEC观测值组成的m维列向量；A为射线在对应格网内的截距构成的m个n维的行向量；x为未知参数组成的n维列向量；e为观测噪声和离散误差组成的m维列向量。
本发明的有益效果：
本发明的方法基于穿过垂直边界的截断射线构建电离层三维模型(TruncationRay Model,TRM)，提高了电离层层析反演精度，在GNSS导航定位精度提高和空间环境的减灾和防灾能力中具有重要的应用价值。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将对本发明作进一步详细的说明。
附图说明：
图1是本发明实施例的一种基于垂直边界截断射线的电离层层析方法的流程图；
图2是本发明实施例的基于垂直边界的GNSS射线分布示意图；
图3是本发明实施例的目标区域垂直边界截断TEC计算示意图；
图4是本发明实施例的实验区域GNSS测站分布图；
图5是本发明实施例的TRM方法与传统方法的平均每天可利用射线数对比；
图6是本发明实施例UT9:00时的TRM方法和传统方法与测高仪站电离层电子密度对比图；
图7是本发明实施例UT19:00时的TRM方法和传统方法与测高仪站电离层电子密度对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本申请实施例所述电离层TEC值即为电离层电子总含量，GNSS为全球导航卫星系统。
参考图1，一种基于垂直边界截断射线的电离层层析方法，包括：
S1：获取目标区域中每个体元的初始电离层电子密度和GNSS卫星传播路径上的电离层TEC值；
其中，所述目标区域选自经度范围为99°E～115°E，纬度范围为26°N～34°N，高度范围为100km～1000km的数据进行反演；设置经度和纬度方向上格网间隔分别为1°，高度方向上的间隔为50km，如附图4所示。
其中，所述目标区域中每个体元的初始电离层电子密度通过电离层NeQuick经验模型获取。
S2：对步骤S1中的目标区域进行扩展，使目标区域之外一定范围内的GNSS测站囊括于所述目标区域之内；
S3：针对目标区域一定范围内的GNSS测站，计算垂直边界的截断TEC值，记作PrTEC；PrTEC代表的范围如图2和图3所示。
其中，PrTEC模型建立的具体过程：
S311：通过NeQuick模型获取电离层电子密度初值和NeQuick模型作为先验信息获取的TEC值TEC0；
S321：针对目标区域之外一定范围的GNSS测站，通过所述电离层电子密度初值和TEC0计算截断因子λr的具体公式见公式(1)和(2)：
其中，TEC0为NeQuick模型作为先验信息获取的TEC值；
S331：通过截断因子λr和GNSS卫星传播路径上的电离层TEC值TECG计算PrTEC值，具体见公式(3)：
PrTEC＝λr·TECG (3)
其中，TECG为通过GNSS观测数据提取的电离层TEC值。
S4：针对目标区域内的GNSS测站，计算垂直边界的截断TEC值，记作PsTEC；PsTEC代表的范围如图2和图3所示。
其中，PsTEC模型建立的具体过程：
S411：通过NeQuick模型获取电离层电子密度初值和NeQuick模型作为先验信息获取的TEC值TEC0；
S421：针对目标区域内的GNSS测站，通过所述电离层电子密度初值和TEC0计算截断因子λs；
S431：通过截断因子λs和GNSS卫星传播路径上的电离层TEC值TECG计算PsTEC值。
S5：构建基于垂直边界截断TEC值PrTEC和PsTEC的三维电离层层析模型；
S6：对步骤S5中的电离层层析模型进行解算，反演目标区域的电离层电子密度。
其中，所述步骤S6中反演目标区域的电离层电子密度的具体方法见公式(7)：
ym×1＝Am×n·xn×1+em×1 (7)
其中，y为电离层TEC观测值组成的m维列向量；A为射线在对应格网内的截距构成的m个n维的行向量；x为未知参数组成的n维列向量；e为观测噪声和离散误差组成的m维列向量。
参考图5，展示了本发明的方法与传统方法的平均每天可利用射线数对比，该实验选取2015年年积日152天至181天共计30天进行实验分析，从图中可以看出，基于TRM方法的平均每天可利用射线数要明显多于基于传统方法的平均每天可利用射线数，这表明本发明的基于垂直边界的截断射线模型可以大大提高可利用射线数，增加了参与建模的信息，从而有利于提高电离层层析反演精度。
参考图6-7，展示了不同时刻的电离层测高仪所得剖面与基于TRM方法和传统方法反演结果的比较，附图6和7分别为2015年6月19日UT9:00时和UT19:00时的电子密度剖面的比较结果。从比较结果来看，基于TRM方法反演结果电离层F2层峰值电子密度与测高仪数据更为接近，实验结果表明本发明的基于垂直边界的截断射线模型可以有效提高电离层层析反演精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于垂直边界截断射线的电离层层析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取目标区域中每个体元的初始电离层电子密度和GNSS卫星传播路径上的电离层TEC值；
S2：对步骤S1中的目标区域进行扩展，使目标区域之外一定范围内的GNSS测站囊括于所述目标区域之内；
S3：针对扩展后目标区域一定范围内的GNSS测站，计算垂直边界的截断TEC值，记作PrTEC；
S4：针对扩展前目标区域内的GNSS测站，计算垂直边界的截断TEC值，记作PsTEC；
S5：构建基于垂直边界截断TEC值PrTEC和PsTEC的三维电离层层析模型；
S6：对步骤S5中的电离层层析模型进行解算，反演目标区域的电离层电子密度；
所述目标区域的确定包括目标区域的经度、纬度、高度以及时间的确定；
所述PrTEC的具体计算过程为：
S31：通过NeQuick模型获取电离层电子密度初值和NeQuick模型作为先验信息获取的TEC值TEC0；
S32：针对扩展后目标区域一定范围内的GNSS测站，通过所述电离层电子密度初值和TEC0计算截断因子λr；
S33：通过截断因子λr和GNSS卫星传播路径上的电离层TEC值TECG计算PrTEC值；
所述PrTEC的具体计算过程为：
S311：通过NeQuick模型获取电离层电子密度初值和NeQuick模型作为先验信息获取的TEC值TEC0；
S321：针对扩展后目标区域一定范围内的GNSS测站，通过所述电离层电子密度初值和TEC0计算截断因子λr的具体公式见公式(1)和(2)：
其中，TEC0为NeQuick模型作为先验信息获取的TEC值；
S331：通过截断因子λr和GNSS卫星传播路径上的电离层TEC值TECG计算PrTEC值，具体见公式(3)：
PrTEC＝λr·TECG (3)
其中，TECG为通过GNSS观测数据提取的电离层TEC值；
所述PsTEC的具体计算过程为：
S41：通过NeQuick模型获取电离层电子密度初值和NeQuick模型作为先验信息获取的TEC值TEC0；
S42：针对扩展前目标区域内的GNSS测站，通过所述电离层电子密度初值和TEC0计算截断因子λs；
S43：通过截断因子λs和GNSS卫星传播路径上的电离层TEC值TECG计算PsTEC值；
所述PsTEC的具体计算过程为：
S411：通过NeQuick模型获取电离层电子密度初值和NeQuick模型作为先验信息获取的TEC值TEC0；
S421：针对扩展前目标区域内的GNSS测站，通过所述电离层电子密度初值和TEC0计算截断因子λs，具体计算公式见公式(4)和(5)：
其中，TEC0为NeQuick模型作为先验信息获取的TEC值；
S431：通过截断因子λs和GNSS卫星传播路径上的电离层TEC值TECG计算PsTEC值，具体见公式(6)：
PsTEC＝λs·TECG (6)
其中，TECG为通过GNSS观测数据提取的电离层TEC值；
所述步骤S6中反演目标区域的电离层电子密度的具体方法见公式(7)：
ym×1＝Am×n·xn×1+em×1 (7)
其中，y为电离层TEC观测值组成的m维列向量；A为射线在对应格网内的截距构成的m个n维的行向量；x为未知参数组成的n维列向量；e为观测噪声和离散误差组成的m维列向量。
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