CN112528213B - 基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法 - Google Patents

基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法，该方法利用分布在不同高度群的全球低地球轨道卫星，通过星载接收机的卫星导航双频观测量计算电离层总电子含量，结合地面卫星导航观测网络的输出产品实现全球电离层总电子含量空间分布的多层解析，然后利用掩星接收机获得的中低层电离层电子密度的垂直分布廓线对多层解析结果进行修正。相比传统的全球电离层总电子含量分布计算方法，本方法能够有效提取不同高度电离层电子密度的分布特征，改进二维电离层总电子含量分布的时空精度，为全面认知电离层总电子含量的全球三维空间分布提供良好的技术支撑。

Description

基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法
技术领域
本发明涉及一种基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法，属于电离层领域。
背景技术
电离层是地球上空热层中被太阳辐射电离的部分，其带电粒子主要分布在高度为60km至1000km的范围内。电离层的带电粒子构成空间电波的起伏散射介质，根据带电粒子的分布程度，电离层会引起电波信号的幅度衰减和相位延迟等，是卫星导航信号的主要空间测距误差来源之一。电离层总电子含量可由卫星导航信号的双频观测量进行测量，据此国际卫星导航服务利用全球分布的地面观测站点构成了电离层总电子含量的二维格网模型，并作为产品向全球用户发布。该格网模型假定电离层总电子含量都集中在350km至450km之间的某一个高度上，因此也被称为薄壳模型。尽管现有的电离层总电子含量二维格网模型已经可以提供电离层总电子含量的全球分布，并可在一定程度上描述电离层总电子含量的时空演化特性，然而尚不能全面描述电离层总电子含量的全球垂直分布特征，在对电离层总电子含量的顶层分布特征认识上也存在较多不足和局限性。实际上，电离层总电子含量的空间分布较为复杂，其受太阳辐射、地球磁场强度分布等因素的影响较为强烈，其空间分布具有较强的非线性。特别是当受太阳风暴和地磁暴影响下，电离层存在强变化与扰动，了解并掌握其总电子含量的垂直分布变化有助于进一步揭示空间天气影响下电离层内部的变化机理。因此，考虑电离层本身的空间物理特征，建立全球电离层总电子含量的多层解析模型和方法，可为深入认识电离层三维结构和空间物理变化机理、建立高精准的电离层总电子含量全球分布现报与预报模型提供有效的技术支撑。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法，该方法利用分布在不同高度群的全球低地球轨道卫星，通过星载接收机的卫星导航双频观测量计算电离层总电子含量，结合地面卫星导航观测网络的输出产品实现全球电离层总电子含量空间分布的多层解析，然后利用掩星接收机获得的中低层电离层电子密度的垂直分布廓线对多层解析结果进行修正。相比传统的全球电离层总电子含量分布计算方法，本方法能够有效提取不同高度电离层电子密度的分布特征，改进二维电离层总电子含量分布的时空精度，可更全面认知电离层总电子含量的全球三维空间分布。
本发明的技术方案如下：一种基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法，具体实现步骤为：
(1)按照轨道高度将低地球轨道卫星进行分组，其中每组低地球轨道卫星的数目应不少于24颗，且其星座分布能够满足全球电离层建模的穿透点分布特征。
(2)对每组轨道高度的卫星，根据卫星所接收到的导航观测量建立双频电离层延迟计算模型；其中导航观测量来自GPS、BDS、GLONASS和GALILEO四个系统，每颗导航卫星应提供双频伪距和载波相位测量值，在此基础上双频电离层延迟计算模型可表示为：
Figure BDA0002804329580000021
其中，
Figure BDA0002804329580000022
为双频解算电离层的延迟，N1-N2为整周模糊度的单差，可表示为：
Figure BDA0002804329580000023
Figure BDA0002804329580000024
为电离层双频伪距观测值，
Figure BDA0002804329580000025
Figure BDA0002804329580000026
和
Figure BDA0002804329580000027
分别为接收机和卫星的双频时钟延迟单差，c为光在自由空间中的传播速度。
Figure BDA0002804329580000028
其中f1和f2为卫星信号的频率，f0为参考卫星信号频率，此处f0＝f1。εp，12和εφ，12分别为伪距和载波相位的观测噪声。λ1和λ2为f1和f2频率对应的波长。
(3)对所建立的电离层模型进行观测误差修正，采用LAMDA算法计算载波相位整周模糊度ΔN；观测误差修正包括：观测误差包括接收机和卫星的双频时钟延迟单差、对流层延迟和观测噪声，通过对流层模型对对流层延迟进行修正，通过滑动平均滤波法对接收机和卫星的双频时钟延迟单差和观测噪声进行抑制。
(4)得到每组低地球轨道卫星的双频电离层延迟估计值，并计算电离层总电子含量；计算得到的电离层总电子含量可表示为：
计算得到的电离层延迟可表示为：
Figure BDA0002804329580000029
计算得到的电离层总电子含量可表示为：
Figure BDA0002804329580000031
(5)建立全球电离层总电子含量的多层球壳模型，其距离地面的高度间隔为200km，最小高度为300km；
(6)对每层球壳模型，建立电离层总电子含量二维分布的多项式模型；对每层球壳模型，电离层总电子含量分布的球谐函数模型可表示为：
Figure BDA0002804329580000032
其中，n，m分别是球谐函数的阶次和次数，N，M分别是球谐函数的最大阶次和次数，Jmn为勒德让函数，
Figure BDA0002804329580000033
为电离层穿透点处的纬度，λ为穿透点处的经度，Amn和Bmn为待估计的函数系数。
(7)利用电离层导航观测量求解二维分布的多项式模型系数，通过所求得的低地球轨道卫星电离层总电子含量对多项式模型的阶数进行优化；其中，对电离层总电子含量分布的球谐函数模型优化算法可表示为：
寻找最优的球谐函数的阶次和次数Nopt，Mopt，使其满足目标函数：
Figure BDA0002804329580000034
其中
Figure BDA0002804329580000035
表示由第i个低地球轨道卫星接收到的导航卫星信号穿透点的经纬度代入球谐函数模型计算得到的垂直电离层总电子含量；
Figure BDA0002804329580000036
表示由第i个低地球轨道卫星接收到的导航卫星信号双频观测值计算得到的垂直电离层总电子含量；Nipp表示用于该层建模的所有低地球轨道卫星接收到的导航卫星信号穿透点的数目，min(·)表示极小值，Nopt，Mopt通过多次遍历目标函数求得。不同高度层电离层总电子含量分布的球谐函数模型所对应的Nopt，Mopt可以不同。在目标函数接近的情况下，应选择较小的Nopt，Mopt以确保计算效率。
(8)利用低地球轨道卫星中的掩星观测量对多层球壳模型的计算结果进行修正，以得到最终的全球电离层总电子含量多层解析结果。其具体修正过程为：
对于每个球壳高度层，在掩星观测所得电离层电子密度垂直分布廓线上选取对应的观测量，利用电子密度垂直分布廓线计算得到掩星观测电离层总电子含量，将每个高度层的电离层总电子含量分布与掩星观测电离层总电子含量进行融合，作为修正后的电离层总电子含量分布。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)相比传统的计算方法，本发明的优越性在于可以获得电离层总电子含量的垂直空间分布特征。
(2)相比传统的计算方法，本发明利用了更丰富的空间观测数据集合，有助于进一步了解电离层的空间特性和在空间天气事件下的变化演化机理。
(3)相比传统的全球电离层总电子含量分布计算方法，本方法能够有效提取不同高度电离层电子密度的分布特征，改进二维电离层总电子含量分布的时空精度，可更全面认知电离层总电子含量的全球三维空间分布。
附图说明
图1为本发明方法实现流程图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而不起任何限定作用。
本发明提供了一种基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法，该方法利用分布在不同高度群的全球低地球轨道卫星，通过星载接收机的卫星导航双频观测量计算电离层总电子含量，结合地面卫星导航观测网络的输出产品实现全球电离层总电子含量空间分布的多层解析，然后利用掩星接收机获得的中低层电离层电子密度的垂直分布廓线对多层解析结果进行修正。相比传统的全球电离层总电子含量分布计算方法，本方法能够有效提取不同高度电离层电子密度的分布特征，改进二维电离层总电子含量分布的时空精度，可更全面认知电离层总电子含量的全球三维空间分布。
如图1所示，本发明具体实现步骤如下：
1、低地球轨道是500km-2000km的近地轨道，不仅可以观测到底部电离层，同时也覆盖了电离层高层的区域，目前低轨道卫星多用于气象观测、空间物理探测和互联网通信。按照轨道高度将低地球轨道卫星进行分组，其中每组低地球轨道卫星的数目应不少于24颗，且其星座分布能够满足全球电离层建模的穿透点分布特征。
2、对每组轨道高度的卫星，根据卫星所接收到的导航观测量建立双频电离层延迟计算模型；其中导航观测量来自GPS、BDS、GLONASS和GALILEO四个系统，每颗导航卫星应提供双频伪距和载波相位测量值，在此基础上双频电离层延迟计算模型可表示为：
Figure BDA0002804329580000041
其中，
Figure BDA0002804329580000051
为双频解算电离层的延迟，N1-N2为整周模糊度的单差，可表示为：
Figure BDA0002804329580000052
Figure BDA0002804329580000053
为电离层双频伪距观测值，
Figure BDA0002804329580000054
Figure BDA0002804329580000055
和
Figure BDA0002804329580000056
分别为接收机和卫星的双频时钟延迟单差，c为光在自由空间中的传播速度。
Figure BDA0002804329580000057
其中f1和f2为卫星信号的频率，f0为参考卫星信号频率，此处f0＝f1。εp，12和εφ，12分别为伪距和载波相位的观测噪声。λ1和λ2为f1和f2频率对应的波长。
3、对所建立的电离层模型进行观测误差修正，采用LAMDA算法计算载波相位整周模糊度ΔN；观测误差修正包括：观测误差包括接收机和卫星的双频时钟延迟单差、对流层延迟和观测噪声，通过对流层模型对对流层延迟进行修正，通过滑动平均滤波法对接收机和卫星的双频时钟延迟单差和观测噪声进行抑制。
4、得到每组低地球轨道卫星的双频电离层延迟估计值，并计算电离层总电子含量；计算得到的电离层总电子含量可表示为：
计算得到的电离层延迟可表示为：
Figure BDA0002804329580000058
计算得到的电离层总电子含量可表示为：
Figure BDA0002804329580000059
5、建立全球电离层总电子含量的多层球壳模型，其距离地面的高度间隔为200km，最小高度为300km；
6、对每层球壳模型，建立电离层总电子含量二维分布的多项式模型；对每层球壳模型，电离层总电子含量分布的球谐函数模型可表示为：
Figure BDA00028043295800000510
其中，n，m分别是球谐函数的阶次和次数，N，M分别是球谐函数的最大阶次和次数，Jmn为勒德让函数，
Figure BDA00028043295800000511
为电离层穿透点处的纬度，λ为穿透点处的经度，Amn和Bmn为待估计的函数系数。
7、利用电离层导航观测量求解二维分布的多项式模型系数，通过所求得的低地球轨道卫星电离层总电子含量对多项式模型的阶数进行优化；其中，对电离层总电子含量分布的球谐函数模型优化算法可表示为：
寻找最优的球谐函数的阶次和次数Nopt，Mopt，使其满足目标函数：
Figure BDA0002804329580000061
其中
Figure BDA0002804329580000062
表示由第i个低地球轨道卫星接收到的导航卫星信号穿透点的经纬度代入球谐函数模型计算得到的垂直电离层总电子含量；
Figure BDA0002804329580000063
表示由第i个低地球轨道卫星接收到的导航卫星信号双频观测值计算得到的垂直电离层总电子含量；Nipp表示用于该层建模的所有低地球轨道卫星接收到的导航卫星信号穿透点的数目，min(·)表示极小值，Nopt，Mopt通过多次遍历目标函数求得。不同高度层电离层总电子含量分布的球谐函数模型所对应的Nopt，Mopt可以不同。在目标函数接近的情况下，应选择较小的Nopt，Mopt以确保计算效率。
8、利用低地球轨道卫星中的掩星观测量对多层球壳模型的计算结果进行修正，以得到最终的全球电离层总电子含量多层解析结果。其具体修正过程为：
对于每个球壳高度层，在掩星观测所得电离层电子密度垂直分布廓线上选取对应的观测量，利用电子密度垂直分布廓线计算得到掩星观测电离层总电子含量，将每个高度层的电离层总电子含量分布与掩星观测电离层总电子含量进行融合，作为修正后的电离层总电子含量分布。
综述，本发明提出了一种基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法，该方法中建立了不同高度的电离层总电子含量全球分布的薄壳模型，利于分布在不同高度群的全球低地球轨道卫星获取丰富的电离层穿透点观测信息。通过掩星接收机获得的中低层全球电离层总电子含量分布对多层薄壳模型的结构进行修正，以获得全球电离层总电子含量垂直分布的空间特征。本方法可有助于改进二维电离层总电子含量分布的时空精度，更全面认知电离层总电子含量的全球三维空间分布。
以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、按照轨道高度将低地球轨道卫星进行分组；
B、对每组轨道高度的卫星，根据卫星所接收到的导航观测量建立双频电离层延迟计算模型；所述步骤B中，导航观测量来自GPS、BDS、GLONASS和GALILEO四个系统中的一个或多个，每颗导航卫星应提供双频伪距和载波相位测量值，在此基础上双频电离层延迟计算模型表示为：
Figure FDA0003776558410000011
其中，
Figure FDA0003776558410000012
为双频解算电离层的延迟，N1-N2为整周模糊度的单差，表示为：
Figure FDA0003776558410000013
Figure FDA0003776558410000014
为电离层双频伪距观测值，
Figure FDA0003776558410000015
Figure FDA0003776558410000016
和
Figure FDA0003776558410000017
分别为接收机和卫星的双频时钟延迟单差，c为光在自由空间中的传播速度，
Figure FDA0003776558410000018
其中f1和f2为卫星信号双频的频率，f0为参考卫星信号频率，此处f0＝f1，εp,12和εφ,12分别为伪距和载波相位的观测噪声；λ1和λ2为f1和f2频率对应的波长
C、对步骤B所建立的双频电离层延迟计算模型进行观测误差修正，采用LAMDA算法计算载波相位整周模糊度；
D、得到每组低地球轨道卫星的双频电离层延迟估计值，并计算电离层总电子含量；
E、建立全球电离层总电子含量的多层球壳模型，多层球壳模型的各层高度间隔为200km，各层球壳模型中距离地面的最小高度为300km；
F、对每层球壳模型，建立电离层总电子含量二维分布的多项式模型；所述步骤F中，对每层球壳模型，电离层总电子含量分布的球谐函数模型表示为：
Figure FDA0003776558410000019
其中，n，m分别是球谐函数的阶次和次数，N，M分别是球谐函数的最大阶次和次数，Jmn为勒德让函数，
Figure FDA00037765584100000110
为电离层穿透点处的纬度，λ为穿透点处的经度，Amn和Bmn为待估计的函数系数；
G、利用电离层导航观测量求解步骤F中二维分布的多项式模型系数，通过步骤D所求得的低地球轨道卫星电离层总电子含量对多项式模型的阶数进行优化；
H、利用低地球轨道卫星中的掩星观测量对多层球壳模型的计算结果进行修正，以得到最终的全球电离层总电子含量多层解析结果。
2.根据权利要求1所述的基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法，其特征在于：所述步骤A中每组低地球轨道卫星的数目应大于等于24颗，且其星座分布能够满足全球电离层建模的穿透点分布特征。
3.根据权利要求1所述的基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法，其特征在于：所述步骤C中，观测误差包括接收机和卫星的双频时钟延迟单差和观测噪声，通过滑动平均滤波法对接收机和卫星的双频时钟延迟单差和观测噪声进行抑制。
4.根据权利要求1所述的基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法，其特征在于：所述步骤H中，利用低地球轨道卫星中的掩星观测量对多层球壳模型的计算结果进行修正的具体过程为：对于每个球壳高度层，在掩星观测所得电离层电子密度垂直分布廓线上选取对应的观测量，利用电子密度垂直分布廓线计算得到掩星观测电离层总电子含量，将每个高度层的电离层总电子含量分布与掩星观测电离层总电子含量进行融合，作为修正后的电离层总电子含量分布。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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