CN112666575A - 一种基于北斗geo卫星的电离层异常扰动探测方法 - Google Patents

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CN112666575A CN202011218414.3A CN202011218414A CN112666575A CN 112666575 A CN112666575 A CN 112666575A CN 202011218414 A CN202011218414 A CN 202011218414A CN 112666575 A CN112666575 A CN 112666575A
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高鑫
李垠健
李长春
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Abstract

本发明公开了一种基于北斗GEO卫星的电离层异常扰动探测方法，包括：GEO卫星电离层TEC的提取；电离层扰动响应探测。本发明涉及北斗GEO卫星观测数据及电离层异常扰动探测新方法，具体为利用北斗GEO卫星观测得到的固定穿刺点处VTEC序列进行电离层异常扰动探测研究，并引入全球电离层格网图(GIM)作为电离层扰动背景值，验证北斗GEO卫星探测电离层扰动响应的性能及可靠性。

Description

一种基于北斗GEO卫星的电离层异常扰动探测方法
技术领域
本发明涉及电离层异常扰动技术，具体涉及一种基于北斗GEO卫星的电离层异常扰动探测方法。
背景技术
目前，电离层作为空间环境的重要研究对象，其产生的异常扰动会对地空无线电通信、卫星导航定位、雷达等无线电通信系统电波信号的传播产生重要的影响。对于GNSS导航定位用户来说，由于卫星信号穿越整个电离层，因此可以将电离层假想为一个距离地面一定高度的单层模型(Single Layer Model, SLM)。卫星与地面测站的信号传播路径与SLM的交点称为穿刺点(Ionosphere Pierce Point, IPP)。利用传统的GPS卫星进行电离层扰动监测及磁暴对电离层影响的研究已经被大多数学者验证，但是由于GPS卫星与地面测站形成的电离层穿刺点同时在时间和空间上产生变化，因此不能通过实际观测数据直接给出固定穿刺点处电离层总电子含量(Total Electron Contents, TEC)随时间的变化规律，只能通过建立模型或者数学插值的方法给出固定穿刺点处的电离层TEC值变化，该方法必然会引入一定数学误差，尤其在研究剧烈空间环境变化期间电离层的响应时产生的误差将会更大。由于地球同步轨道卫星(Geostationary Earth Orbit, GEO)的静地特性，卫星与地面测站形成的穿刺点位置基本保持不变，在穿刺点处的TEC值仅随时间变化。因此利用北斗GEO卫星的实际观测数据可对固定穿刺点处电离层TEC值的变化规律进行长期监测，尤其在恶劣的空间环境发生期间能更加有效的监测电离层的异常变化，这将有助于我们对电离层在不同空间环境下表现出的形态特征进行研究分析。研究表明，太阳活动会引起地磁扰动，当地磁扰动强度过大时常伴随着电离层的异常变化，目前关于磁暴期间电离层TEC变化的统计分析已有大量的研究成果，诸如磁暴期间电离层TEC表现出的日变化、季节性变化、半年变化、年变化等，但是这些特征只是一个非常平均的结果，实际上在磁暴发生期间空间中某一个时间点、某一个位置处对应的电离层扰动响应将如何表现，仍然有待进一步研究。因此，对于特定经纬度位置的电离层扰动响应特征为本发明重点研究的对象。
随着全球定位系统(Global Positioning System, GPS)的发展，大多数学者利用GPS卫星观测值进行电离层建模并研究电离层的扰动变化。但是由于GPS卫星与地面测站形成的电离层穿刺点同时在时间和空间上产生变化，因此不能通过实际观测数据直接计算出固定穿刺点处电离层TEC随时间的变化规律，只能通过建立模型或者数学插值的方法给出穿刺点处的电离层TEC值。
传统的电离层扰动响应研究是基于相位平滑伪距的方法提取出GPS卫星观测得到的电离层延迟，双频伪距及相位原始观测值方程如(1)所示：
Figure 915219DEST_PATH_IMAGE002
(1)
式中，
Figure 629097DEST_PATH_IMAGE004
为
Figure 723348DEST_PATH_IMAGE006
频率对应的伪距观测值(m)；
Figure 977612DEST_PATH_IMAGE008
为
Figure 339454DEST_PATH_IMAGE009
频率对应的相位观测值(m)；
Figure 896337DEST_PATH_IMAGE011
为对应频率的波长；
Figure 225688DEST_PATH_IMAGE012
为接收机到卫星的距离(m)；
Figure 736172DEST_PATH_IMAGE013
为光速；
Figure 998526DEST_PATH_IMAGE015
为接收机钟差(s)；
Figure 539360DEST_PATH_IMAGE016
为卫星钟差(s)；
Figure 28110DEST_PATH_IMAGE017
为对流层延迟(m)；
Figure 561860DEST_PATH_IMAGE019
为
Figure 196497DEST_PATH_IMAGE020
频率下的接收机到卫星视线上的电离层延迟(m)；
Figure 95183DEST_PATH_IMAGE021
为
Figure 930284DEST_PATH_IMAGE022
下的模糊度(周)；
Figure 674249DEST_PATH_IMAGE023
为其他观测误差；
Figure 661927DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 793831DEST_PATH_IMAGE026
为不同频率的码偏差(m)；
Figure 991595DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 913152DEST_PATH_IMAGE029
为不同频率相位偏差(m)；
Figure 879971DEST_PATH_IMAGE031
，其中
Figure 245093DEST_PATH_IMAGE032
,
Figure 930152DEST_PATH_IMAGE034
为北斗导航定位系统固有信号频率。
利用双频伪距及相位观测值的线性组合，可得到电离层延迟项，如式(2)所示：
Figure 156866DEST_PATH_IMAGE035
(2)
式中，
Figure 978191DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure 514215DEST_PATH_IMAGE037
；
Figure 420991DEST_PATH_IMAGE038
；
Figure 687280DEST_PATH_IMAGE039
；
Figure 628692DEST_PATH_IMAGE041
为与观测弧段相关的累计误差。而后利用球谐函数对电离层进行建模，从而可以进一步得到固定穿刺点处电离层TEC的时间变化序列值，球谐函数模型如式(3)所示：
Figure 335616DEST_PATH_IMAGE043
(3)
式中，
Figure 729689DEST_PATH_IMAGE045
为卫星的高度角(rad)；
Figure 298204DEST_PATH_IMAGE047
为地球半径(m)，一般取6371 km；
Figure 156439DEST_PATH_IMAGE048
为电离层薄层高度(m)，一般取值为450 km；
Figure 909631DEST_PATH_IMAGE049
=0.9782；，
Figure 164901DEST_PATH_IMAGE050
为穿刺点处的地理纬度(rad)；
Figure 661741DEST_PATH_IMAGE052
为穿刺点处的日固经度(rad)；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure 171220DEST_PATH_IMAGE055
为球谐函数模型系数；
Figure 705101DEST_PATH_IMAGE056
为规范化的勒让德多项式函数。
从式(3)可以看出，传统GPS卫星建立电离层模型后，通过输入空间某一点的经纬度值便可以通过线性插值的方法得到该位置处长时间的电离层TEC变化趋势，从而进行电离层的异常变化监测。不过利用电离层模型内插出的固定穿刺点TEC序列是经过数学方法求得的，因此不可避免的包含了部分模型误差。
现有电离层异常扰动响应的研究一般是基于相位平滑伪距的方法处理GPS卫星观测数据，对解算得到的电离层延迟项进行球谐函数建模，进而通过数学插值方法得到固定穿刺点处电离层TEC序列的时间变化特征。但是通过式(2)、(3)可以看出，相位平滑伪距的方法随着观测弧段的增多，其产生的累计误差不断增加，使得电离层延迟项精度降低，影响建模的精度；其次，由于GPS卫星与地面测站形成的电离层穿刺点同时在时间和空间上产生变化，因此不能通过观测数据直接给出固定穿刺点处电离层TEC随时间的变化规律，只能通过建模或者数学插值的方法给出穿刺点处的电离层TEC值，该方法必然会引入一定数学误差，尤其在研究磁暴期间电离层的响应时产生的误差将会更大。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于北斗GEO卫星的电离层异常扰动探测方法，解决传统GPS卫星监测电离层TEC变化通过数学模型来完成，过渡依赖数学模型的精度，无法给出固定穿刺点处电离层TEC的实际观测值变化趋势的问题。
本发明采用的技术方案是：一种基于北斗GEO卫星的电离层异常扰动探测方法，包括：
GEO卫星电离层TEC的提取；
电离层扰动响应探测。
进一步地，所述GEO卫星电离层TEC的提取包括：
利用非组合PPP方法解算电离层延迟项，原始双频伪距及相位观测值方程如式(4)所示：
Figure 73765DEST_PATH_IMAGE057
(4)
式中，
Figure 233351DEST_PATH_IMAGE059
为
Figure 572236DEST_PATH_IMAGE060
频率对应的伪距观测值(m)，
Figure 401652DEST_PATH_IMAGE062
为
Figure 382246DEST_PATH_IMAGE063
频率对应的伪距观测值(m)；
Figure 220889DEST_PATH_IMAGE064
为
Figure 455692DEST_PATH_IMAGE065
频率对应的相位观测值(m)，
Figure 987168DEST_PATH_IMAGE067
为
Figure 189479DEST_PATH_IMAGE068
频率对应的相位观测值(m)；
Figure 831813DEST_PATH_IMAGE070
为对应
Figure 685237DEST_PATH_IMAGE071
频率的波长，
Figure 122035DEST_PATH_IMAGE072
为对应
Figure 811642DEST_PATH_IMAGE074
频率的波长；
Figure 70716DEST_PATH_IMAGE075
为接收机到卫星的距离(m)；
Figure 404746DEST_PATH_IMAGE077
为光速；
Figure 137078DEST_PATH_IMAGE078
为接收机钟差(s)；
Figure 189348DEST_PATH_IMAGE080
为卫星钟差(s)；
Figure 284736DEST_PATH_IMAGE082
为对流层延迟(m)；
Figure 4430DEST_PATH_IMAGE084
为
Figure 907664DEST_PATH_IMAGE085
频率下的接收机到卫星视线上的电离层延迟(m)；
Figure 447230DEST_PATH_IMAGE087
为1频率下 的模糊度，
Figure 844845DEST_PATH_IMAGE089
为2频率下的模糊度；
Figure 153466DEST_PATH_IMAGE091
为其他观测误差；
Figure 430864DEST_PATH_IMAGE093
，
Figure 988884DEST_PATH_IMAGE094
，
Figure 688725DEST_PATH_IMAGE096
，
Figure 851853DEST_PATH_IMAGE098
为不同频率的码 偏差(m)；
Figure 300151DEST_PATH_IMAGE100
，
Figure 689676DEST_PATH_IMAGE102
，
Figure 553726DEST_PATH_IMAGE104
，
Figure 695995DEST_PATH_IMAGE106
为不同频率相位偏差(m)；
Figure 252878DEST_PATH_IMAGE108
，其中
Figure 631163DEST_PATH_IMAGE109
和
Figure 298905DEST_PATH_IMAGE110
为北斗导航定位系 统固有信号频率；
通过非组合PPP方法解算得到的电离层延迟如式(5):
Figure 295680DEST_PATH_IMAGE111
(5)
式中，
Figure 23464DEST_PATH_IMAGE113
为非组合PPP解算的电离层延迟值；
Figure 325264DEST_PATH_IMAGE114
为
Figure 655751DEST_PATH_IMAGE115
频率下的接收机到卫星视线上的实际电离层延迟(m)；
Figure 647978DEST_PATH_IMAGE116
、
Figure DEST_PATH_IMAGE118
分别为接收机的DCB及卫星的DCB；
Figure 389407DEST_PATH_IMAGE119
。
更进一步地，所述GEO卫星电离层TEC的提取还包括：
在处理过程中，忽略电离层高阶项的影响，式(5)近似的表达为：
Figure 224507DEST_PATH_IMAGE120
(6)
式中，
Figure 234052DEST_PATH_IMAGE122
为非组合PPP解算的电离层延迟值(m)；
Figure 221730DEST_PATH_IMAGE123
为斜电离层延迟(TECu)；
Figure 25738DEST_PATH_IMAGE125
、
Figure 348135DEST_PATH_IMAGE126
分别为接收机及卫星的DCB;
Figure 475885DEST_PATH_IMAGE128
；
利用改进的单层电离层假设模型，将斜电离层延迟通过投影函数转换为穿刺点处垂直方向的电离层延迟值，同时利用球谐函数模型进一步解算卫星及接收机的DCB值并将其从原始电离层延迟中剔除，最后得到的电离层VTEC值，如式(7)所示：
Figure 442704DEST_PATH_IMAGE129
(7)
建立如式（7）所示方程组，结合BDS双频观测值，使用最小二乘法对球谐函数系数、卫星及接收机DCB进行解算；
式中，
Figure 542247DEST_PATH_IMAGE131
为卫星的高度角(rad)；
Figure 227306DEST_PATH_IMAGE133
为地球半径(m)，取6371 km；
Figure 719598DEST_PATH_IMAGE134
为电离层薄层高度(m)，取值为450 km；
Figure 540924DEST_PATH_IMAGE136
=0.9782；
Figure 76947DEST_PATH_IMAGE138
为穿刺点处的日固经度(rad)；
Figure 560887DEST_PATH_IMAGE140
，
Figure 450346DEST_PATH_IMAGE141
为球谐函数模型系数，其中
Figure 516391DEST_PATH_IMAGE142
分别为球谐函数的最大阶数及迭代阶数。
更进一步地，所述电离层扰动响应探测包括：
利用欧洲定轨中心提供的全球电离层格网图的TEC数据建立电离层扰动上下界作为背景值辅助北斗GEO卫星监测电离层异常扰动，具体包括：
选取观测日前30天的GIM图数据，建立30天的TEC序列滑动窗口，并内插出观测日对应的每个时刻电离层TEC上下界限值，具体如式(8)所示：
Figure 833103DEST_PATH_IMAGE143
(8)
式中，
Figure 368120DEST_PATH_IMAGE145
为TEC序列中位数；
Figure 61270DEST_PATH_IMAGE146
为TEC序列较大四分位数；
Figure 981821DEST_PATH_IMAGE148
为TEC序列较小四分位数；
Figure 735014DEST_PATH_IMAGE149
为选取的前30日GIM图电离层TEC背景值数据并将其由小到大排序；
得到电离层扰动上下界限后即
Figure 4932DEST_PATH_IMAGE150
、
Figure 564089DEST_PATH_IMAGE152
，设定当GEO卫星观测得到的VTEC值大于或小于上下界限时便认为电离层产生正、负扰动响应，表明此时刻探测到电离层发生异常扰动；如下式所示：
Figure 480092DEST_PATH_IMAGE153
(9)。
本发明的优点：
本发明涉及北斗GEO卫星观测数据及电离层异常扰动探测新方法，具体为利用北斗GEO卫星观测得到的固定穿刺点处VTEC序列进行电离层异常扰动探测研究，并引入全球电离层格网图(GIM)作为电离层扰动背景值，验证北斗GEO卫星探测电离层扰动响应的性能及可靠性。
本发明首先利用非组合PPP方法求解电离层延迟项，而后利用最小二乘法解算出GEO卫星及接收机的DCB值，并将DCB值从电离层延迟中剔除出去，可进一步得到“干净的”电离层VTEC序列。而后提出一种新的电离层扰动响应探测方法，即通过引入观测日前30天的GIM TEC序列构建扰动响应上下界限，结合北斗GEO卫星观测数据进行电离层异常扰动响应的探测。本发明在电离层TEC异常监测方面具有重要的应用价值，由于电离层除对人类生活产生诸多有利影响外，还存在诸多不利影响。例如，当电离层发生剧烈扰动时，会造成卫星及地面通信设备中断、航天器失常或受损、长距离输油输气管道及高压输电网损害等。此外相关研究表明，在发生地震等自然灾害时，电离层TEC也会发生相应扰动，因此，针对电离层异常扰动进行预测监测，是本发明欲在实际应用中的最终体现。
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。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的 GEO卫星、MGEX接收机及电离层穿刺点位置图；
图2是本发明的固定穿刺点处C05卫星观测得到的VTEC序列与GIM图TEC对比图；
图3是本发明的接收机KITG-C01卫星固定穿刺点处VTEC序列变化图；
图4是本发明的接收机KITG-C01卫星固定穿刺点处VTEC扰动响应幅值图。
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，以下结合附图及实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1，一种基于北斗GEO卫星的电离层异常扰动探测方法，包括：
GEO卫星电离层TEC的提取；
电离层扰动响应探测。
本发明构建一种基于北斗GEO卫星的电离层异常扰动探测方法，具体步骤如下：
1. GEO卫星电离层TEC的提取：
本发明利用非组合PPP方法解算电离层延迟项，原始双频伪距及相位观测值方程如式(4)所示：
Figure 279552DEST_PATH_IMAGE154
(4)
式中，
Figure 648217DEST_PATH_IMAGE156
为
Figure DEST_PATH_IMAGE158
频率对应的伪距观测值(m)，
Figure DEST_PATH_IMAGE160
为
Figure DEST_PATH_IMAGE162
频率对应的伪距观测值(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE164
为
Figure DEST_PATH_IMAGE166
频率对应的相位观测值(m)，
Figure DEST_PATH_IMAGE167
为
Figure DEST_PATH_IMAGE168
频率对应的相位观测值(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE169
为对应
Figure DEST_PATH_IMAGE170
频率的波长，
Figure DEST_PATH_IMAGE172
为对应
Figure DEST_PATH_IMAGE174
频率的波长；
Figure DEST_PATH_IMAGE176
为接收机到卫星的距离(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE178
为光速；
Figure DEST_PATH_IMAGE179
为接收机钟差(s)；
Figure DEST_PATH_IMAGE181
为卫星钟差(s)；
Figure DEST_PATH_IMAGE182
为对流层延迟(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE184
为
Figure DEST_PATH_IMAGE186
频率下的接收机到卫星视线上的电离层延迟(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE187
为1频率下 的模糊度，
Figure DEST_PATH_IMAGE188
为2频率下的模糊度；
Figure DEST_PATH_IMAGE189
为其他观测误差；
Figure DEST_PATH_IMAGE190
，
Figure DEST_PATH_IMAGE192
，
Figure DEST_PATH_IMAGE193
，
Figure DEST_PATH_IMAGE195
为不同频率的码偏 差(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE197
，
Figure DEST_PATH_IMAGE199
，
Figure DEST_PATH_IMAGE201
，
Figure DEST_PATH_IMAGE203
为不同频率相位偏差(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE205
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE206
和
Figure DEST_PATH_IMAGE207
为北斗导航定位系统固 有信号频率；
通过非组合PPP方法解算得到的电离层延迟如式(5):
Figure DEST_PATH_IMAGE208
(5)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE210
为非组合PPP解算的电离层延迟值；
Figure DEST_PATH_IMAGE212
为
Figure DEST_PATH_IMAGE214
频率下的接收机到卫星视线上的实际电离层延迟(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE215
、
Figure DEST_PATH_IMAGE216
分别为接收机的DCB及卫星的DCB；
Figure DEST_PATH_IMAGE217
。
由非组合PPP方法解算得到的电离层斜延迟是吸收了卫星及接收机差分码偏差(Differential Code Biases, DCB)后的值，因此需要进一步将实际的电离层斜延迟与DCB值进行分离。在处理过程中，忽略电离层高阶项的影响，式(5)可近似的表达为：
Figure DEST_PATH_IMAGE218
(6)
由于电离层的高度为60~1000 km，本发明利用改进的单层电离层假设模型，将斜电离层延迟(Slant TEC, STEC)通过投影函数转换为穿刺点处垂直方向的电离层延迟(Vertical TEC, VTEC)值，同时利用球谐函数模型进一步解算卫星及接收机的DCB值并将其从原始电离层延迟中剔除，最后得到“干净的”电离层VTEC值，如式(7)所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE219
(7)
建立如上式所示方程组，结合BDS双频观测值，使用最小二乘法对球谐函数系数、卫星及接收机DCB进行解算。为了避免在解算过程中方程组出现秩亏现象，引入卫星DCB“零均值约束”原则，即所有BDS卫星DCB的和为0作为方程的限制条件。
2. 电离层扰动响应探测新方法
本发明提出一种新的电离层扰动响应探测方法，即利用欧洲定轨中心(CODE)提供的全球电离层格网图(GIM)的TEC数据建立电离层扰动上下界作为背景值来辅助北斗GEO卫星监测电离层异常扰动，以更加精确的方式描述电离层扰动响应产生的幅值大小。本发明选取观测日前30天的GIM图数据，建立30天的TEC序列滑动窗口，并内插出观测日对应的每个时刻电离层TEC上下界限值，具体如式(8)所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE220
(8)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE222
为TEC序列中位数；
Figure DEST_PATH_IMAGE223
为TEC序列较大四分位数；
Figure DEST_PATH_IMAGE224
为TEC序列较小四分位数；
Figure DEST_PATH_IMAGE225
为选取的前30日GIM图电离层TEC背景值数据并将其由小到大排序。
得到电离层扰动上下界限后即
Figure DEST_PATH_IMAGE226
、
Figure DEST_PATH_IMAGE227
，设定当GEO卫星观测得到的VTEC值大于或小于上下界限时便认为电离层产生正、负扰动响应，表明此时刻探测到电离层发生异常扰动。如下式所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE228
(9)
本发明利用BDS-GEO卫星观测得到的固定穿刺点TEC值进行电离层异常扰动响应研究。与传统利用GPS观测值进行电离层研究不同，同时本发明引入一种新的电离层扰动响应探测新方法，进一步分析在磁暴发生的不同阶段内电离层TEC值的变化规律。该探测方法以全球电离层格网图(Global Ionospheric Maps, GIM)内插得到的TEC上下界限值作为电离层扰动背景值，分析在不同的时间段内GEO卫星观测得到的TEC值产生的扰动响应变化，为实时电离层的监测提供新的技术。
本发明涉及北斗GEO卫星观测数据及电离层异常扰动探测新方法，具体为利用北斗GEO卫星观测得到的固定穿刺点处VTEC序列进行电离层异常扰动探测研究，并引入全球电离层格网图(GIM)作为电离层扰动背景值，验证北斗GEO卫星探测电离层扰动响应的性能及可靠性。
本发明首先利用非组合PPP方法求解电离层延迟项，而后利用最小二乘法解算出GEO卫星及接收机的DCB值，并将DCB值从电离层延迟中剔除出去，可进一步得到“干净的”电离层VTEC序列。而后提出一种新的电离层扰动响应探测方法，即通过引入观测日前30天的GIM TEC序列构建扰动响应上下界限，结合北斗GEO卫星观测数据进行电离层异常扰动响应的探测。本发明在电离层TEC异常监测方面具有重要的应用价值，由于电离层除对人类生活产生诸多有利影响外，还存在诸多不利影响。例如，当电离层发生剧烈扰动时，会造成卫星及地面通信设备中断、航天器失常或受损、长距离输油输气管道及高压输电网损害等。此外相关研究表明，在发生地震等自然灾害时，电离层TEC也会发生相应扰动，因此，针对电离层异常扰动进行预测监测，是本发明欲在实际应用中的最终体现。
传统GPS卫星监测电离层TEC变化是通过数学模型来完成，该方法过渡依赖数学模型的精度，无法给出固定穿刺点处电离层TEC的实际观测值变化趋势。本发明将利用北斗GEO卫星独特的静地特性进行电离层异常扰动响应的监测，由于北斗GEO卫星可以实时反映固定穿刺点处电离层TEC序列的变化，无需通过数学模型来内插出TEC值，因此与传统GPS卫星相比，北斗GEO卫星观测得到的电离层TEC值具备更高的精度及更优的可靠性。同时本发明引入一种新的电离层扰动响应探测方法，进一步定量地分析电离层在不同时间段内产生的扰动响应幅度大小。该探测方法以全球电离层图(GIM)内插得到的TEC序列作为电离层扰动界限背景值，利用滑动窗口法建立电离层异常扰动上下界，最后进行电离层扰动响应的探测研究。
(1) 由于GPS卫星信号与接收机形成的电离层穿刺点在时间和空间上均产生变化，进而无法得到固定穿刺点处长时间的电离层TEC序列实测值。针对上述问题，本发明利用北斗GEO卫星的静地特性，观察发现GEO卫星信号与地面接收机形成的穿刺点在空间中近似保持不变。利用这一独特的优势，可以通过GEO卫星的实测数据对空间某一位置处的电离层TEC变化进行长期监测，并观察在不同的空间环境下，电离层的异常变化规律。
(2) 本发明引入一种新的电离层扰动响应探测方法，该方法以全球电离层图(GIM)内插得到的TEC值作为扰动背景值，选取观测日前30天的TEC序列作为滑动窗口时段来构建电离层扰动响应上下界限。结合北斗GEO卫星观测数据，如若GEO实测的TEC序列在扰动界限之外即产生正扰动或负扰动响应，便可以认为电离层在相应时刻发生异常变化，并且通过计算可定量的反映出电离层TEC序列扰动的幅值大小。
实验验证：
本发明选取由IGS中心提供的多系统地面跟踪站观测数据进行实验分析，具体选取2018年8月23-29日共7天的观测数据分析电离层的扰动响应变化，具体实验结果如下：
图1中红色五角星为北斗GEO卫星在地球表面投影的经纬度坐标位置；方块为IGS提供的多系统地面跟踪站的地理位置；圆圈为相应地面跟踪站与北斗GEO卫星形成的穿刺点的地理经纬度位置。从图中可以看出，GEO卫星与地面接收机形成的穿刺点几乎保持在空间中同一位置，同时每个测站能同时接收到多颗GEO卫星的信号，这为利用GEO卫星进行电离层异常扰动监测提供更多的观测数据。
图2深色曲线为地面测站DYNG接收到C05卫星信号后解算得到的23-29日连续7天的电离层VTEC数值变化趋势；虚线为相应穿刺点处GIM图内插得到的电离层VTEC值。从图中可以看出，GEO卫星观测得到的VTEC序列整体上与GIM模型保持相同趋势，但是GEO卫星能更好的观测到VTEC的细微扰动变化，因此可以认为GEO卫星的VTEC值精度更高。
图3中实线为地面测站KITG接收C05卫星观测数据得到的电离层VTEC序列；深、浅色虚线为利用GIM图内插得到的电离层上下扰动界限值。从图中可以看出，在8月26日GEO卫星观测得到的VTEC序列发生明显的正扰动响应。
图4中地面测站KITG接收C05卫星观测数据得到的电离层VTEC扰动响应幅度大小。从图中可以看出，在8月26日，正扰动响应明显增大，可以认为在该时段电离层发生了异常扰动变化。
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、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于北斗GEO卫星的电离层异常扰动探测方法，其特征在于，
包括：
GEO卫星电离层TEC的提取；
电离层扰动响应探测。
2.根据权利要求1所述的基于北斗GEO卫星的电离层异常扰动探测方
法，其特征在于，所述GEO卫星电离层TEC的提取包括：
利用非组合PPP方法解算电离层延迟项，原始双频伪距及相位观测值方程如式(4)所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(4)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
频率对应的伪距观测值(m)，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
频率对应的伪距观测值(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为
Figure DEST_PATH_IMAGE007
频率对应的相位观测值(m)，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为
Figure DEST_PATH_IMAGE009
频率对应的相位观测值(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为对应
Figure DEST_PATH_IMAGE011
频率的波长，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为对应
Figure DEST_PATH_IMAGE013
频率的波长；
为接收机到卫星的距离(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为光速；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为接收机钟差(s)；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为卫星钟差(s)；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为对流层延迟(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
频率下的接收机到卫星视线上的电离层延迟(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为1频率下的模糊度，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为2频率下的模糊度；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为其他观测误差；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为不同频率的码偏差(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为不同频率相位偏差(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE031
；
通过非组合PPP方法解算得到的电离层延迟如式(5):
Figure DEST_PATH_IMAGE032
(5)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为非组合PPP解算的电离层延迟值；
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为
Figure DEST_PATH_IMAGE035
频率下的接收机到卫星视线上的实际电离层延迟(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure DEST_PATH_IMAGE037
分别为接收机的DCB及卫星的DCB；
Figure DEST_PATH_IMAGE038
。
3.根据权利要求2所述的基于北斗GEO卫星的电离层异常扰动探测方
法，其特征在于，所述GEO卫星电离层TEC的提取还包括：
在处理过程中，忽略电离层高阶项的影响，式(5)近似的表达为：
Figure DEST_PATH_IMAGE039
(6)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为非组合PPP解算的电离层延迟值(m)；
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为斜电离层延迟(TECu)；
Figure DEST_PATH_IMAGE042
、分别为接收机及卫星的DCB;
Figure DEST_PATH_IMAGE043
；
利用改进的单层电离层假设模型，将斜电离层延迟通过投影函数转换为穿刺点处垂直方向的电离层延迟值，同时利用球谐函数模型进一步解算卫星及接收机的DCB值并将其从原始电离层延迟中剔除，最后得到的电离层VTEC值，如式(7)所示：
(7)
Figure DEST_PATH_IMAGE044
建立如式（7）所示方程组，结合BDS双频观测值，使用最小二乘法对球谐函数系数、卫星及接收机DCB进行解算；
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为卫星的高度角(rad)；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为地球半径(m)，取6371 km；
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为电离层薄层高度(m)，取值为450 km；
Figure DEST_PATH_IMAGE048
=0.9782；
Figure DEST_PATH_IMAGE049
为穿刺点处的日固经度(rad)；
Figure DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
为球谐函数模型系数，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE052
分别为球谐函数的最大阶数及迭代阶数。
4.根据权利要求1所述的基于北斗GEO卫星的电离层异常扰动探测方
法，其特征在于，所述电离层扰动响应探测包括：
利用欧洲定轨中心提供的全球电离层格网图的TEC数据建立电离层扰动上下界作为背景值辅助北斗GEO卫星监测电离层异常扰动，具体包括：
选取观测日前30天的GIM图数据，建立30天的TEC序列滑动窗口，并内插出观测日对应的每个时刻电离层TEC上下界限值，具体如式(8)所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
(8)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
为TEC序列中位数；为TEC序列较大四分位数；
Figure DEST_PATH_IMAGE055
为TEC序列较小四分位数；
Figure DEST_PATH_IMAGE056
为选取的前30日GIM图电离层TEC背景值数据并将其由小到大排序；
得到电离层扰动上下界限后即
Figure DEST_PATH_IMAGE057
、
Figure DEST_PATH_IMAGE058
，设定当GEO卫星观测得到的VTEC值大于或小于上下界限时便认为电离层产生正、负扰动响应，表明此时刻探测到电离层发生异常扰动；如下式所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE059
(9)。
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