CN112034500A - 基于实时ppp模糊度固定技术的区域格网电离层建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于实时PPP模糊度固定技术的区域格网电离层建模方法，包括以下步骤：步骤S1：对选定区域进行格网划分；步骤S2：依次选定各个格网点建模所需用的跟踪站；步骤S3：采用多项式模型依次计算各个格网点模型参数，本发明采用PPP(Precise Point Positioning,精密单点定位)技术，摆脱了基站距离的限制，并可以实现任意点处单站模糊度固定，提取高精度的固定解非差电离层。此外，对大区域适当划分为多个格网，同时通过设计两个不同的圆形区域来选取各个格网点涉及到的跟踪站，可以灵活的调整建模数据的冗余程度，同时又能保证各个格网点电离层建模的精度。

Description

基于实时PPP模糊度固定技术的区域格网电离层建模方法

技术领域

本发明涉及电离层建模领域，具体为基于实时PPP模糊度固定技术的区域格网电离层建模方法。

背景技术

目前国际上电离层建模通常采用球谐模型，该方法的特点是适合全球任意区域使用，但是模型的精度不高，通常难以满足实时快速定位的要求，对定位的性能提升不显著。另一种常用的电离层建模方法是采用线性或多项式模型对局部区域进行建模，其特点是对区域内组网的基线进行解算，确定模糊度后提取相应的双差电离层。该方法通过适当调整区域内网的大小，可达到较高的建模精度，目前已被CORS(Continuously OperatingReference Station,连续运行参考站系统)或网络RTK服务系统广泛采用。但是该方法本质是基于双差解算提取双差电离层，然而双差电离层的精度依赖于模糊度的固定，这就大大的限制了其应用场景。因为当基线距离超过50-70km时模糊度会变得难以固定，一旦无法固定足够数量卫星的模糊度，该电离层建模方法便难以取得较好的效果，这也是为什么目前所有的CORS系统的平均站间距都被限制在70-80km左右。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供基于实时PPP模糊度固定技术的区域格网电离层建模方法，该方法采用PPP(Precise Point Positioning,精密单点定位)技术，摆脱了基站距离的限制，并可以实现任意点处单站模糊度固定，提取高精度的固定解非差电离层。此外，对大区域适当划分为多个格网，同时通过设计两个不同的圆形区域来选取各个格网点涉及到的跟踪站，可以灵活的调整建模数据的冗余程度，同时又能保证各个格网点电离层建模的精度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于实时PPP模糊度固定技术的区域格网电离层建模方法，包括以下步骤：

步骤S1：对选定区域进行格网划分；

步骤S2：依次选定各个格网点建模所需用的跟踪站；

步骤S3：采用多项式模型依次计算各个格网点模型参数。

优选的，所述步骤S2包括：首先以格网点为中心，半径R1为圆，所覆盖区域的所有站，如果该圆形区域内的跟踪站数量超过Nmax,则直接使用这些直接建模。

优选的，所述步骤S2包括：以格网点为中心，半径R2为圆所覆盖区域的所有站，如果该圆形区域内的跟踪站数量超过Nmin，则利用R2圆形区域的所有站建模；否则该格网不满足建模的最低标准，放弃建模。

优选的，所述步骤S3包括以下步骤：

考虑电离层薄层假设，需要将所有跟踪站的斜向电离层STEC归化到卫星穿刺点进行建模计算，跟踪站各个卫星穿刺点经纬度位置(φ_i,λ_i)计算如下：

ap＝π/2-E-z

φ_i＝arcsin(sinφ₀cos(ap)+cosφ₀sin(ap)cosA)

式中，R(6371.137km)和H(350.0km)分别地球半径和电离层单层模型的高；E和A分别为该卫星的高度角和方位角；(φ₀,λ₀)为测站的经纬度；假设测站r提取的卫星j的斜向电离层为

那么有：

其中(φ_G,λ_G)和(φ_r,λ_r)为格网点G和跟踪站r对应的j卫星穿刺点位置；假设共有m个测站提取了n颗卫星的电离层

那么将有m×n个观测方程(5)，未知参数个数为：3×n+m,相应观测方程组如下：

只要保证m×n＞3×n+m即可计算获得各个卫星j的模型系数

为了减少未知数的个数，通常也可组建单差的方程，即选定一个参考星将各个卫星的观测方程与其作差：

此时方程个数和位置数个数分别为m×(n-1)和3×n。

本发明首先基于实时PPP技术在跟踪站处实现非差固定解电离层的提取，然后利用多项式模型计算各个预设格网点非差电离层模型系数的方法有别于传统的双差电离层区域模型；

本发明提出的通过设计两个不同半径的圆形区域来选取各个格网点相关的跟踪站，是本发明的核心要点之一。本发明虽然通过设计不同的圆形区域来选择测站，但是通过设计不同大小的矩形区域或者其他形状的区域等选择规则也属于本发明应当予以知识产权保护的范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明基于实时PPP模糊度固定技术实现卫星斜向非差电离层的提取，这有别于传统的基于CORS等技术。首先该方法模糊度固定不受区域内跟踪站间距的约束，其次提取的电离层延迟为非差；而传统CORS基本均要求站间距在70km-80km之内，提取的电离层延迟均为双差形式。

2、本发明提出的格网点建模所使用的参考跟踪站的选择非常灵活，通过设计两个不同半径的圆形区域，可以灵活的调整数据冗余程度，同时又能保证建模拥有足够的观测量方程解算不秩亏。

3、本发明提出的格网点电离层建模，给出的是格网点电离层计算的模型参数，而不是一个具体的电离层改正数，这有别于其他格网模型。

附图说明

图1是本发明中提供的实时PPP服务系统工作原理示意图；

图2是本发明中提供的江浙沪皖区域格网划分及测站选取示意图(标点为跟踪站)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-图2所示，本发明提出一种基于实时PPP模糊度固定技术的区域格网电离层建模方法。该方法采用PPP(PrecisePointPositioning,精密单点定位)技术，摆脱了基站距离的限制，并可以实现任意点处单站模糊度固定，提取高精度的固定解非差电离层。此外，对大区域适当划分为多个格网，同时通过设计两个不同的圆形区域来选取各个格网点涉及到的跟踪站，可以灵活的调整建模数据的冗余程度，同时又能保证各个格网点电离层建模的精度。

参照图1所示，获得测区所有跟踪站的斜向电离层STEC：具体包括：精密单点定位PPP技术高度依赖轨道和钟差等产品的精度，因而实时PPP服务系统首先收集全球分布的GNSS跟踪站的实时数据在服务端统一处理，实时计算卫星精密轨道、精密钟差和卫星端小数偏差等产品，然后将轨道、钟差和卫星端小数偏差(FCB，Fractional Cycle Bias)等差分信息上载至L-band通讯卫星，通讯卫星再将精密的轨道、钟差等信息播发给跟踪站或其他用户接收机，图1给出了实时PPP工作原理。需要指出的是由于差分信息的计算、上载和播发过程均需要时间，所以跟踪站接收到的数据可能存在数秒钟的延迟，因而在信息上载前通常需要对轨道和钟差等信息进行超短期的预报。

跟踪站处的接收机除了接收到GNSS卫星播发的测量数据外，还会接收到L-band卫星播发的精密轨道、钟差和FCB等差分信息，利用实时的轨道和钟差信息便可进行PPP解算，在获得FCB信息后又可实现非差模糊度的固定，进而提取出跟踪站处各卫星的斜向电离层延迟(STEC，Slant Total Electron Content)。

跟踪站处各个卫星斜向电离层的提取需要采用非组合的PPP模型，其基本原理可用下式表示：

式中

和

分别为伪距观测值和相位观测值；

为卫星s与接收机r间几何距离，其计算方法为

(X^s,Y^s,Z^s)为卫星位置，可通过L-band卫星播发的精密轨道获取；c为光速；δ_r和δ^s分别为接收机钟差和卫星钟差，T_r为信号传播过程中的对流层总延迟，

为对流层映射函数，可根据卫星位置和测站位置计算；

为卫星s与接收机r在L₁频点的电离层延迟；

且λ_i为L_i频点的载波波长；

和B_r,i分别为卫星和接收机的伪距硬件延迟；

为L_i频点的模糊度参数；

和b_r,i分别为卫星和接收机的相位硬件延迟；其他的误差改正项(比如：相位中心偏移改正、相位缠绕等)均包含在

中，

和

分别为相应的伪距测量噪声和相位测量噪声。公式(1)中，δ^s、

和

可利用L-band卫星播发的钟差和FCB等差分信息直接改正，是公式中已知项。

假设跟踪站在某时刻t共观测到n颗卫星，采用L1和L2频点的伪距和相位观测值，每颗卫星可列出4个观测方程，根据公式(1)可获得该时刻观测方程组如下：

将卫星位置、钟差和FCB等作为已知值代入方程中，略去推导可得如下所示法方程：

V＝HX-L (3)

式中，

其中，(e_x,e_y,e_z)为测站和卫星之间方向矢量，

和

分别为伪距和相位观测方程线性化展开处的初值，上标j为观测到的卫星号，

那么通过X＝(H^TPH)^-1(H^TPl)即可求出参数X，包括：位置、对流层延迟和模糊度和各个卫星电离层延迟等。

由于相位观测值中的硬件延迟被模糊度参数

吸收，破坏了模糊度的整数特性，因此PPP非差模糊度并不具备整数特性。要获得高精度的电离层延迟，还需要恢复模糊度整数特性，即模糊度固定。模糊度固定的方法包括很多，其中常用的是ROUND法和LAMBDA法。ROUND法常用在对平滑MW观测值取整以确定宽巷模糊度，该方法简单高效，适用于比较容易确定的宽巷模糊度。LAMBDA全称是最小二乘模糊度降相关平差法。首先通过Z变换对模糊度参数进行降相关操作，然后在模糊度搜索空间以搜索的方式寻找整数最小二乘解，从而提高搜索效率，进一步确定窄巷模糊度。在获得整数模糊度解

后，将其回代至公式(2)，即可获得精度更高的固定解电离层延迟

进一步，在获得测区所有跟踪站的斜向电离层STEC即可开始建了该区域的格网电离层模型，其过程主要分一下几步：

对选定区域进行格网划分，例如：图2将江浙沪皖以1°25′×1°25′进行划分，获得格网点G1,G2,G3,...,等；

依次选定各个格网点建模所需用的跟踪站，选择的规则如下：

a)首先以格网点为中心，半径R1(例如取值70km)为圆，所覆盖区域的所有站，如果该圆形区域内的跟踪站数量超过Nmax(例如取值30个),则直接使用这些站直接建模；否则继续使用b)准则；

b)以格网点为中心，半径R2(例如取值为120km)为圆所覆盖区域的所有站，如果该圆形区域内的跟踪站数量超过Nmin(例如取值为10个)，则利用R2圆形区域的所有站建模；否则该格网不满足建模的最低标准，放弃建模(例如图2中的G5和G6格网点等)；

采用多项式模型依次计算各个格网点模型参数，其过程见下节。

考虑电离层薄层假设，需要将所有跟踪站的斜向电离层STEC归化到卫星穿刺点进行建模计算，跟踪站各个卫星穿刺点经纬度位置(φ_i,λ_i)计算如下：

ap＝π/2-E-z

φ_i＝arcsin(sinφ₀cos(ap)+cosφ₀sin(ap)cosA)

式中，R(6371.137km)和H(350.0km)分别地球半径和电离层单层模型的高；E和A分别为该卫星的高度角和方位角；(φ₀,λ₀)为测站的经纬度。假设测站r提取的卫星j的斜向电离层为

那么有：

其中(φ_G,λ_G)和(φ_r,λ_r)为格网点G和跟踪站r对应的j卫星穿刺点位置。假设共有m个测站提取了n颗卫星的电离层

那么将有m×n个观测方程(5)，未知参数个数为：3×n+m,相应观测方程组如下：

只要保证m×n＞3×n+m即可计算获得各个卫星j的模型系数

为了减少未知数的个数，通常也可组建单差的方程，即选定一个参考星将各个卫星的观测方程与其作差：

此时方程个数和位置数个数分别为m×(n-1)和3×n。本发明基于实时PPP模糊度固定技术实现卫星斜向非差电离层的提取，这有别于传统的基于CORS等技术。首先该方法模糊度固定不受区域内跟踪站间距的约束，其次提取的电离层延迟为非差；而传统CORS基本均要求站间距在70km-80km之内，提取的电离层延迟均为双差形式；本发明提出的格网点建模所使用的参考跟踪站的选择非常灵活，通过设计两个不同半径的圆形区域，可以灵活的调整数据冗余程度，同时又能保证建模拥有足够的观测量方程解算不秩亏。此外，本发明提出的格网点电离层建模，给出的是格网点电离层计算的模型参数，而不是一个具体的电离层改正数，这有别于其他格网模型。给出格网点电离层计算的模型参数可以有效提高每个格网点适用的区域范围，这使得让格网点的密度降低提供可能，减少了计算量；而传统的方法直接给出各网点电离层改正数，这使得用户必须在该格网点附近区域才能达到较好的效果，因而造成格网点必须设计的很密，计算量相对而言就会增加。

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。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.基于实时PPP模糊度固定技术的区域格网电离层建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：对选定区域进行格网划分；

步骤S2：依次选定各个格网点建模所需用的跟踪站；

步骤S3：采用多项式模型依次计算各个格网点模型参数。

2.根据权利要求1所述的基于实时PPP模糊度固定技术的区域格网电离层建模方法，其特征在于，所述步骤S2包括：首先以格网点为中心，半径R1为圆，所覆盖区域的所有站，如果该圆形区域内的跟踪站数量超过Nmax,则直接使用这些直接建模。

3.根据权利要求1所述的基于实时PPP模糊度固定技术的区域格网电离层建模方法，其特征在于，所述步骤S2包括：以格网点为中心，半径R2为圆所覆盖区域的所有站，如果该圆形区域内的跟踪站数量超过Nmin，则利用R2圆形区域的所有站建模；否则该格网不满足建模的最低标准，放弃建模。

4.根据权利要求1所述的基于实时PPP模糊度固定技术的区域格网电离层建模方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下步骤：

考虑电离层薄层假设，需要将所有跟踪站的斜向电离层STEC归化到卫星穿刺点进行建模计算，跟踪站各个卫星穿刺点经纬度位置(φ_i,λ_i)计算如下：

ap＝π/2-E-z

φ_i＝arcsin(sinφ₀cos(ap)+cosφ₀sin(ap)cos A)

式中，R(6371.137km)和H(350.0km)分别地球半径和电离层单层模型的高；E和A分别为该卫星的高度角和方位角；(φ₀,λ₀)为测站的经纬度；假设测站r提取的卫星j的斜向电离层为

那么有：

其中(φ_G,λ_G)和(φ_r,λ_r)为格网点G和跟踪站r对应的j卫星穿刺点位置；假设共有m个测站提取了n颗卫星的电离层

那么将有m×n个观测方程(5)，未知参数个数为：3×n+m,相应观测方程组如下：

只要保证m×n＞3×n+m即可计算获得各个卫星j的模型系数

为了减少未知数的个数，通常也可组建单差的方程，即选定一个参考星将各个卫星的观测方程与其作差：

此时方程个数和位置数个数分别为m×(n-1)和3×n。

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