CN112731512B - 电离层实时地图的构建方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供了一种电离层实时地图的构建方法、装置、设备及存储介质，该方法包括：实时获取监测站监测到的卫星的穿刺点经纬度信息、倾斜路径电离层总电子含量STEC、以及穿刺点仰角；根据STEC、以及穿刺点仰角计算真实电离层电子总含量的变化率指数得到真实ROTI；根据真实ROTI对应的穿刺点经纬度信息，将各个真实ROTI划分进预先设置的经纬度网格地图的网格；根据经纬度网格地图中的网格中的真实ROTI确定经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI根据经纬度网格地图中的网格中的真实ROTI确定经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI，得到电离层ROTI实时地图；本申请实施例能够解决现有方法生成的ROTI地图存在分辨率较低的问题。

Description

电离层实时地图的构建方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本申请属于电离层变化监测领域，尤其涉及一种电离层实时地图的构建方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)具有全天候、全天时、高采样、自动化等优势，尤其是近年来各国加大了地面监测站的建设力度，GNSS已经成为了一种不可替代的卫星导航定位手段，遥遥领先于其它传统方式的探测手段，在精密定位、精准授时、精确导航等诸多领域起着相当重要的作用。GNSS高精度定位技术的实现，与高精度的卫星轨道、钟差、电离层、对流层等产品息息相关。其中，电离层作为GNSS信号传输路径中的关键一环，对电离层的精确描述直接关系到电离层产品的精度，也关系到高精度定位的精度。中国南方地区的夜间电离层在春秋季节比较活跃，容易发生电离层闪烁现象，使得电离层建模的精度很容易受到影响。夜间电离层闪烁现象，可以使用电离层电子总含量(Total Electron Content，TEC)的变化率指数(Rate of TEC Index，ROTI)来描述。
高分辨率的ROTI地图需要密集分布的ROTI作为数据基础，而现有方法确定的ROTI分布比较离散，导致现有方法生成的ROTI地图分辨率较低，不能足够清晰地显示出电离层闪烁发生的具体细节，进而无法应用在高精度定位场景中。
发明内容
本申请实施例提供一种在电离层实时地图的构建方法、装置、设备及存储介质，能够解决现有方法生成的ROTI地图存在分辨率较低的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种电离层实时地图的构建方法，该方法包括：
实时获取多个监测站监测到的多个卫星的多个穿刺点经纬度信息、多个倾斜路径电离层总电子含量STEC、以及多个穿刺点仰角；
根据多个STEC、以及多个穿刺点仰角计算多个真实电离层电子总含量的变化率指数ROTI；
根据真实ROTI对应的穿刺点经纬度信息，将各个真实ROTI划分进预先设置的经纬度网格地图的多个网格；
根据经纬度网格地图中的网格中的多个真实ROTI确定经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI根据经纬度网格地图中的网格中的多个真实ROTI确定经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI，得到电离层ROTI实时地图。
进一步地，在一种实施例中，该方法还包括：
根据目标ROTI的大小为经纬度网格地图标注电离层闪烁强弱程度信息。
进一步地，在一种实施例中，根据目标ROTI的大小为经纬度网格地图标注电离层闪烁强弱程度信息，包括：
当目标ROTI处于第一预设阈值区间时，将电离层闪烁强弱程度信息标注为微弱闪烁或者无闪烁；
当目标ROTI处于第二预设阈值区间时，将电离层闪烁强弱程度信息标注为中等强度闪烁；
当目标ROTI处于第三预设阈值区间时，将电离层闪烁强弱程度信息标注为强闪烁；
第一预设阈值区间的最大值小于或者等于第二预设阈值区间的最小值，第二预设阈值区间的最大值小于或者等于第三预设阈值区间的最小值。
进一步地，在一种实施例中，根据经纬度网格地图中的网格中的多个真实ROTI确定经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI，包括：
计算网格中的多个真实ROTI的第一平均值，将第一平均值确定为对应网格的目标ROTI；或者，
确定网格中的多个真实ROTI的中位数，将中位数确定为对应网格的目标ROTI；或者，
根据网格中的多个真实ROTI分别对应的卫星的穿刺点仰角分别确定多个所述真实ROTI的相应权重，并将多个真实ROTI基于权重加权后计算第二平均值，将第二平均值确定为对应网格的目标ROTI。
进一步地，在一种实施例中，第一平均值
Figure BDA0002857278250000031
通过如下公式计算：
Figure BDA0002857278250000032
中位数
Figure BDA0002857278250000033
通过如下公式确定：
Figure BDA0002857278250000034
第二平均值
Figure BDA0002857278250000035
通过如下公式计算：
Figure BDA0002857278250000036
Figure BDA0002857278250000037
其中，
Figure BDA0002857278250000038
表示真实ROTI，rm表示监测站，m＝1,…,M，pn表示卫星，n＝1,…,N，igrid表示经纬度网格地图中的网格编号，目标ROTI表示目标ROTI，ti表示当前时刻，
Figure BDA0002857278250000039
表示第m个监测站的第n颗卫星在ti时刻的权重，
Figure BDA00028572782500000310
表示穿刺点仰角。
进一步地，在一种实施例中，根据多个STEC、以及多个穿刺点仰角计算多个真实电离层电子总含量的变化率指数ROTI，包括：
根据多个卫星的STEC，以及多个卫星的穿刺点仰角计算多个垂直路径电离层总电子含量VTEC；
基于多个VTEC计算多个真实ROTI。
进一步地，在一种实施例中，VTEC通过如下公式计算：
Figure BDA00028572782500000311
Figure BDA00028572782500000312
其中，ti表示当前时刻，pn表示卫星，rm表示监测站，
Figure BDA00028572782500000313
表示第m个监测站的第n颗卫星在ti时刻的穿刺点仰角。
进一步地，在一种实施例中，真实ROTI通过如下公式计算：
Figure BDA0002857278250000041
Figure BDA0002857278250000042
其中，
Figure BDA0002857278250000043
表示真实ROTI，rm表示监测站，pn表示卫星，ti表示当前时刻，ti-j表示当前时刻之前j个历元的时刻，ti-1表示当前时刻之前一个历元的历史时刻，J为正整数，<>表示求平均值运算，ROT表示VTEC的时间变化率。
进一步地，在一种实施例中，在根据经纬度网格地图中的网格中的多个真实ROTI确定经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI之前，该方法还包括：
筛选穿刺点仰角大于预设截止仰角的可见卫星对应的所述真实ROTI；
基于可见卫星对应的真实ROTI、多个监测站的数量和多个可见卫星的数量计算标准差；
筛选未超出标准差预设倍数的真实ROTI。
进一步地，在一种实施例中，标准差
Figure BDA0002857278250000044
通过如下公式计算：
Figure BDA0002857278250000045
Figure BDA0002857278250000046
Figure BDA0002857278250000047
表示可见卫星对应的真实ROTI，rm表示监测站，m＝1,…,M，M表示在经纬度网格地图的一个网格中的多个监测站的数量，pn′表示可见卫星，n＝1,…,N，N表示在经纬度网格地图的一个网格中的多个可见卫星的数量，ti表示当前时刻，igrid表示经纬度网格地图中的网格编号。
第二方面，本申请实施例提供一种电离层实时地图的构建装置，该装置包括：
获取模块，用于实时获取多个监测站监测到的多个卫星的多个穿刺点经纬度信息、多个倾斜路径电离层总电子含量STEC、以及多个穿刺点仰角；
计算模块，用于根据多个STEC、以及多个穿刺点仰角计算多个真实电离层电子总含量的变化率指数ROTI；
划分模块，用于根据真实ROTI对应的穿刺点经纬度信息，将各个真实ROTI划分进预先设置的经纬度网格地图的多个网格；
确定模块，用于根据经纬度网格地图中的网格中的多个真实ROTI确定经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI根据经纬度网格地图中的网格中的多个真实ROTI确定经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI，得到电离层ROTI实时地图。
进一步地，在一种实施例中，该装置还包括：
标注模块，用于根据目标ROTI的大小为经纬度网格地图标注电离层闪烁强弱程度信息。
进一步地，在一种实施例中，确定模块，具体用于：
计算网格中的多个真实ROTI的第一平均值，将第一平均值确定为对应网格的目标ROTI；或者，
确定网格中的多个真实ROTI的中位数，将中位数确定为对应网格的目标ROTI；或者，
根据网格中的多个真实ROTI分别对应的卫星的穿刺点仰角分别确定多个所述真实ROTI的相应权重，并将多个真实ROTI基于权重加权后计算第二平均值，将第二平均值确定为对应网格的目标ROTI。
进一步地，在一种实施例中，计算模块，具体用于：
根据多个卫星的STEC，以及多个卫星的穿刺点仰角计算多个垂直路径电离层总电子含量VTEC；
基于多个VTEC计算多个真实ROTI。
进一步地，在一种实施例中，该装置还包括筛选模块，用于在根据经纬度网格地图中的网格中的多个真实ROTI确定经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI之前，筛选穿刺点仰角大于预设截止仰角的可见卫星对应的所述真实ROTI；
计算模块，还用于基于可见卫星对应的所述真实ROTI、多个监测站的数量和多个可见卫星的数量计算标准差；
筛选模块，还用于筛选未超出标准差预设倍数的真实ROTI。
第三方面，本申请实施例提供一种电离层实时地图的构建设备，该构建设备包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述电离层实时地图的构建方法。
第四方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，程序被处理器执行时实现上述电离层实时地图的构建方法。
本申请实施例的电离层实时地图的构建方法、装置、设备及存储介质，能够基于监测站实时检测到的电离层数据进行每一条卫星与监测站连线上的真实ROTI，基于真实ROTI建立电离层ROTI实时地图，由于真实ROTI是基于垂直路径电离层总电子含量计算的，故减小了不同的卫星和监测站连线的仰角差异对电离层ROTI实时地图造成的误差，并且基于截止仰角筛选可见卫星，避免了低仰角造成的多路径效应；同时，在确定目标ROTI时，通过标准差筛选处理、异常值降权处理降低了异常数据对目标ROTI的影响，使得最终确定的电离层ROTI实时地图贴近电离层的真实情况，获得的电离层ROTI实时地图精度较高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一个实施例提供的电离层实时地图的构建方法的流程示意图；
图2是本申请一个实施例提供的预先设置的经纬度网格地图示意图；
图3是本申请一个实施例提供的电离层实时地图的构建装置的结构示意图；
图4是本申请一个实施例提供的电离层实时地图的构建设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本申请实施例的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请实施例的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请实施例进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本申请实施例，并不被配置为限定本申请实施例。对于本领域技术人员来说，本申请实施例可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请实施例的示例来提供对本申请实施例更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
为了描述电离层的状态，现有技术已有建立电离层地图的方法，例如，申请号为CN201310112461.3的专利申请公开了一种格网化的电离层总电子含量实时监测方法，该申请利用电离层延迟的多项式模型来实现了电离层总电子含量(Total Electron Content，TEC)的网格化计算。
TEC是电离层中电子密度沿路径方向的积分量，它可以如实反映电离层中电子含量的多少，具有明确的物理意义，尤其是在白天电离层活跃期间，TEC的数值较大，现有技术方案可以明显地显示出中国南北方的差异。但是，在夜间，电离层的背景变化较弱，TEC的数值偏小，网格化的TEC并不能很好地区分出电离层中变化仍然活跃的区域。
从TEC衍生出来的指数——电离层电子总含量的变化率指数(Rate of TECIndex，ROTI)，可以较好地反映夜间电离层的活跃情况。目前，计算单个观测站上单颗卫星ROTI的方法已经很成熟，但是，受限于地基观测站的零散分布，基于多个地基观测站来构建的ROTI地图存在时空分辨率较低的问题，不能足够清晰地显示出电离层闪烁发生的具体细节，也无法应用在高精度定位场景中。
国际上，国际卫星全球定位服务组织IGS利用400个GNSS监测站数据，定期发布地磁坐标系下的北半球高纬地区(地磁纬度范围：51-89度)的ROTI地图，分辨率为2度(经度)×2度(纬度)×8分钟，这个分辨率比较粗糙，而且面向的是地磁高纬区域(欧洲、俄罗斯、加拿大等国)，远离中国，无法应用到中国的高精度定位服务中。在国内，GNSS监测站的站间距约为300km量级，具备ROTI广域监测的能力，但是目前还没有单位或机构提供面向中国地区的ROTI实时高精度地图产品，相应的服务也是空白，亟需解决中国地区ROTI实时高精度地图的开发问题。
为了解决现有技术问题，本申请实施例提供了一种电离层实时地图的构建方法、装置、设备及存储介质。本申请实施例采用了基于中国地区密集的GNSS监测站来建立高精度ROTI网格地图的方法。这些GNSS监测站之间的间距一般不超过100km，并且提供了可达秒级采样的高精度观测资料。基于高采样的数据和相应的TEC解算结果，本申请实施例预先设定ROTI地图的经纬度网格地图信息，将每一个GNSS监测站的ROTI数据映射到电离层穿刺点高度所在的薄层球壳上，对每一个地图网格单元内的ROTI数据进行去误差化计算得到目标ROTI，将目标ROTI作为每一个经纬度网格地图内的取值，从而构建出ROTI地图。基于本申请实施例构建的ROTI地图，其空间分辨率可达0.1度(经度)×0.1度(纬度)×10～15秒。本申请实施例还可根据ROTI地图每一个网格内的目标ROTI，判定该网格内的电离层闪烁强弱程度信息，基于该电离层闪烁强弱程度信息即可采取不同的策略来处理不同的电离层的目标ROTI，进而降低电离层闪烁影响较大的目标区域对GNSS定位的影响，在定位时优先采用电离层闪烁影响较小的目标区域来参与高精度定位解算。
下面首先对本申请实施例所提供的电离层实时地图的构建方法进行介绍。
图1示出了本申请一个实施例提供的电离层实时地图的构建方法的流程示意图。如图1所示，该方法可以包括以下步骤：
S100，实时获取多个监测站监测到的多个卫星的多个穿刺点经纬度信息、多个倾斜路径电离层总电子含量STEC、以及多个穿刺点仰角。
多个卫星的多个穿刺点经纬度信息、多个倾斜路径电离层总电子含量STEC(SlantTEC)、以及多个穿刺点仰角是利用全国密集分布的监测站实时数据流，在实时的精密轨道计算、精密钟差计算和精密单点定位(precise point positioning，PPP)解算的基础上获取到的。
S102，根据多个STEC、以及多个穿刺点仰角计算多个真实电离层电子总含量的变化率指数ROTI。
在一种实施例中，S102可以包括：
根据多个卫星的STEC，以及多个卫星的穿刺点仰角计算多个垂直路径电离层总电子含量VTEC(Vertical TEC)。
在一种实施例中，VTEC可以通过如下公式计算：
Figure BDA0002857278250000091
Figure BDA0002857278250000092
其中，ti表示当前时刻，pn表示卫星，rm表示监测站，
Figure BDA0002857278250000093
表示第m个监测站的第n颗卫星在ti时刻的穿刺点仰角，VTEC单位为TECU(1TECU＝1×1016个电子/m2)。
基于多个VTEC计算多个真实ROTI。
在一种实施例中，真实ROTI可以通过如下公式计算：
Figure BDA0002857278250000094
Figure BDA0002857278250000101
其中，
Figure BDA0002857278250000102
表示真实ROTI，rm表示监测站，pn表示卫星，ti表示当前时刻，ti-j表示当前时刻之前j个历元的时刻，ti-1表示当前时刻之前一个历元的历史时刻，J为正整数，<>表示求平均值运算，ROT表示VTEC的时间变化率，单位一般采用TECU/分钟。
在实时的高采样条件下，一般选择当前时刻之前30秒内的ROT数据进行计算，得到的结果作为当前历元的真实ROTI。
S104，根据真实ROTI对应的穿刺点经纬度信息，将各个真实ROTI划分进预先设置的经纬度网格地图的多个网格。
预先设置的经纬度网格地图，如图2所示，水平方向和垂直方向分别表示地理经度和地理纬度。该预先设置的经纬度网格地图分辨率可以依据获取到的数据精度进行相应调整，基于本申请实施例计算得到的计算精度，可将该预先设置的经纬度网格地图分辨率设置为10km×10km。
S106，根据经纬度网格地图中的网格中的多个真实ROTI确定经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI根据经纬度网格地图中的网格中的多个真实ROTI确定经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI，得到电离层ROTI实时地图。
在一种实施例中，S106，可以包括：
计算网格中的多个真实ROTI的第一平均值，将第一平均值确定为对应网格的目标ROTI。
在一种实施例中，第一平均值
Figure BDA0002857278250000103
可以通过如下公式计算：
Figure BDA0002857278250000104
在一种实施例中，S106，还可以包括：
确定网格中的多个真实ROTI的中位数，将中位数确定为对应网格的目标ROTI。
在一种实施例中，中位数
Figure BDA0002857278250000105
通过如下公式确定：
Figure BDA0002857278250000111
在一种实施例中，S106，还可以包括：
根据网格中的多个真实ROTI分别对应的卫星的穿刺点仰角分别确定多个真实ROTI的相应权重，并将多个真实ROTI基于权重加权后计算第二平均值，将第二平均值确定为对应网格的目标ROTI。
在一种实施例中，第二平均值
Figure BDA0002857278250000112
通过如下公式计算：
Figure BDA0002857278250000113
Figure BDA0002857278250000114
其中，
Figure BDA0002857278250000115
表示真实ROTI，rm表示监测站，m＝1,…,M，pn表示卫星，n＝1,…,N，igrid表示经纬度网格地图中的网格编号，目标ROTI表示目标ROTI，ti表示当前时刻，
Figure BDA0002857278250000116
表示第m个监测站的第n颗卫星在ti时刻的权重，
Figure BDA0002857278250000117
表示穿刺点仰角。
基于上述确定目标ROTI的几种实施例，可以减小异常数据对目标ROTI的影响，增加冗余保护。
在一种实施例中，在S106之前，该方法还可以包括：
筛选穿刺点仰角大于预设截止仰角的可见卫星对应的真实ROTI。
基于预设截止仰角筛选可见卫星，避免了低仰角造成的多路径效应。例如，若预设截止仰角设为30度，则穿刺点仰角低于30度的观测数据不参与后续计算；若截止仰角设为15度，则穿刺点仰角低于15度的观测数据不参与后续计算。只有穿刺点仰角大于预设截止仰角的观测数据，才会参与计算。
基于可见卫星对应的真实ROTI、多个监测站的数量和多个可见卫星的数量计算标准差。
筛选未超出标准差预设倍数的真实ROTI。
GNSS的相位观测中可能发生较大的周跳而没有及时修复，从而导致ROTI出现异常的极大值，需要被探测出来并标记为粗差，然后筛除。本申请实施例通过将真实ROTI与标准差比较进而确定真实ROTI中的粗差，进而筛除，可将该预设倍数设为3。
在一种实施例中，标准差
Figure BDA0002857278250000121
通过如下公式计算：
Figure BDA0002857278250000122
Figure BDA0002857278250000123
Figure BDA0002857278250000124
表示可见卫星对应的真实ROTI，rm表示监测站，m＝1,…,M，M表示在经纬度网格地图的一个网格中的多个监测站的数量，pn′表示可见卫星，n＝1,…,N，N表示在经纬度网格地图的一个网格中的多个可见卫星的数量，ti表示当前时刻，igrid表示经纬度网格地图中的网格编号。
在一种实施例中，该方法还包括：
S108，根据目标ROTI的大小为经纬度网格地图标注电离层闪烁强弱程度信息。
在一种实施例中，S108可以包括：
当目标ROTI处于第一预设阈值区间时，将电离层闪烁强弱程度信息标注为微弱闪烁或者无闪烁。
该情况下，该网格内的电离层没有发生闪烁或者闪烁程度很微弱，对定位的影响较小，穿刺点位于该网格内的GNSS观测数据可以正常使用。
当目标ROTI处于第二预设阈值区间时，将电离层闪烁强弱程度信息标注为中等强度闪烁。
该情况下，该网格内的电离层发生了中等强度的闪烁现象，足以影响定位，需要对穿刺点通过该网格内的GNSS观测数据做降权处理。
当目标ROTI处于第三预设阈值区间时，将电离层闪烁强弱程度信息标注为强闪烁。
该情况下，认为该网格内的电离层发生了强闪烁现象，对定位的影响非常严重，穿刺点通过该网格的GNSS观测数据需要作剔除处理，不参与定位解算。
第一预设阈值区间的最大值小于或者等于第二预设阈值区间的最小值，第二预设阈值区间的最大值小于或者等于第三预设阈值区间的最小值。
在一种实施例中，可将第一预设阈值区间、第二预设阈值区间、第三预设阈值区间分别设置为：0至0.3、0.3至0.5、0.5至+∞，单位TECU/min。
本申请实施例能够基于监测站实时检测到的电离层数据进行每一条卫星与监测站连线上的真实ROTI，基于真实ROTI建立电离层ROTI实时地图，由于真实ROTI是基于垂直路径电离层总电子含量计算的，故减小了不同的卫星和监测站连线的仰角差异对电离层ROTI实时地图造成的误差，并且基于截止仰角筛选可见卫星，避免了低仰角造成的多路径效应；同时，在确定目标ROTI时，通过标准差筛选处理、异常值降权处理降低了异常数据对目标ROTI的影响，使得最终确定的电离层ROTI实时地图贴近电离层的真实情况，获得的电离层ROTI实时地图精度较高。
图1-2描述了电离层实时地图的构建方法，下面结合附图3和附图4描述本申请实施例提供的装置。
图3示出了本申请一个实施例提供的电离层实时地图的构建装置的结构示意图，图3所示装置中各模块具有实现图1中各个步骤的功能，并能达到其相应技术效果。如图3所示，该装置可以包括：
获取模块300，用于实时获取多个监测站监测到的多个卫星的多个穿刺点经纬度信息、多个倾斜路径电离层总电子含量STEC、以及多个穿刺点仰角。
多个卫星的多个穿刺点经纬度信息、多个倾斜路径电离层总电子含量STEC、以及多个穿刺点仰角是利用全国密集分布的监测站实时数据流，在实时的精密轨道计算、精密钟差计算和精密单点定位(precise point positioning，PPP)解算的基础上获取到的。
计算模块302，用于根据多个STEC、以及多个穿刺点仰角计算多个真实电离层电子总含量的变化率指数ROTI。
在一种实施例中，计算模块302可以具体用于：
根据多个卫星的STEC，以及多个卫星的穿刺点仰角计算多个垂直路径电离层总电子含量VTEC。
在一种实施例中，VTEC可以通过如下公式计算：
Figure BDA0002857278250000141
Figure BDA0002857278250000142
其中，ti表示当前时刻，pn表示卫星，rm表示监测站，
Figure BDA0002857278250000143
表示第m个监测站的第n颗卫星在ti时刻的穿刺点仰角，VTEC单位为TECU(1TECU＝1×1016个电子/m2)。
基于多个VTEC计算多个真实ROTI。
在一种实施例中，真实ROTI可以通过如下公式计算：
Figure BDA0002857278250000144
Figure BDA0002857278250000145
其中，
Figure BDA0002857278250000146
表示真实ROTI，rm表示监测站，pn表示卫星，ti表示当前时刻，ti-j表示当前时刻之前j个历元的时刻，ti-1表示当前时刻之前一个历元的历史时刻，J为正整数，<>表示求平均值运算，ROT表示VTEC的时间变化率，单位一般采用TECU/分钟。
在实时的高采样条件下，一般选择当前时刻之前30秒内的ROT数据进行计算，得到的结果作为当前历元的真实ROTI。
划分模块304，用于根据真实ROTI对应的穿刺点经纬度信息，将各个真实ROTI划分进预先设置的经纬度网格地图的多个网格。
图2示出了预先设置的经纬度网格地图，其中，水平和垂直方向分别表示地理经度和地理纬度。该预先设置的经纬度网格地图分辨率可以依据获取到的数据精度进行相应调整，基于本申请实施例计算得到的计算精度，可将该预先设置的经纬度网格地图分辨率设置为10km×10km。
确定模块306，用于根据经纬度网格地图中的网格中的多个真实ROTI确定经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI根据经纬度网格地图中的网格中的多个真实ROTI确定经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI，得到电离层ROTI实时地图。
在一种实施例中，确定模块306，可以具体用于：
计算网格中的多个真实ROTI的第一平均值，将第一平均值确定为对应网格的目标ROTI。
在一种实施例中，第一平均值
Figure BDA0002857278250000151
可以通过如下公式计算：
Figure BDA0002857278250000152
在一种实施例中，确定模块306，还可以具体用于：
确定网格中的多个真实ROTI的中位数，将中位数确定为对应网格的目标ROTI。
在一种实施例中，中位数
Figure BDA0002857278250000153
通过如下公式确定：
Figure BDA0002857278250000154
在一种实施例中，确定模块306，还可以具体用于：
根据网格中的多个真实ROTI分别对应的卫星的穿刺点仰角分别确定多个真实ROTI的相应权重，并将多个真实ROTI基于权重加权后计算第二平均值，将第二平均值确定为对应网格的目标ROTI。
在一种实施例中，第二平均值
Figure BDA0002857278250000155
通过如下公式计算：
Figure BDA0002857278250000156
Figure BDA0002857278250000157
其中，
Figure BDA0002857278250000158
表示真实ROTI，rm表示监测站，m＝1,…,M，pn表示卫星，n＝1,…,N，igrid表示经纬度网格地图中的网格编号，目标ROTI表示目标ROTI，ti表示当前时刻，
Figure BDA0002857278250000159
表示第m个监测站的第n颗卫星在ti时刻的权重，
Figure BDA00028572782500001510
表示穿刺点仰角。
基于上述确定目标ROTI的几种实施例，可以减小异常数据对目标ROTI的影响，增加冗余保护。
在一种实施例中，该装置还可以包括筛选模块310，用于筛选穿刺点仰角大于预设截止仰角的可见卫星对应的真实ROTI。
基于预设截止仰角筛选可见卫星，避免了低仰角造成的多路径效应。例如，若预设截止仰角设为30度，则穿刺点仰角低于30度的观测数据不参与后续计算；若截止仰角设为15度，则穿刺点仰角低于15度的观测数据不参与后续计算。只有穿刺点仰角大于预设截止仰角的观测数据，才会参与计算。
计算模块302，还用于基于可见卫星对应的真实ROTI、多个监测站的数量和多个可见卫星的数量计算标准差。
筛选模块310，还用于筛选未超出标准差预设倍数的真实ROTI。
GNSS的相位观测中可能发生较大的周跳而没有及时修复，从而导致ROTI出现异常的极大值，需要被探测出来并标记为粗差，然后筛除。本申请实施例通过与标准差比较进而确定真实ROTI中的粗差，进而筛除，可将该预设倍数设为3。
在一种实施例中，标准差
Figure BDA0002857278250000161
通过如下公式计算：
Figure BDA0002857278250000162
Figure BDA0002857278250000163
Figure BDA0002857278250000164
表示可见卫星对应的真实ROTI，rm表示监测站，m＝1,…,M，M表示在经纬度网格地图的一个网格中的多个监测站的数量，pn′表示可见卫星，n＝1,…,N，N表示在经纬度网格地图的一个网格中的多个可见卫星的数量，ti表示当前时刻，igrid表示经纬度网格地图中的网格编号。
在一种实施例中，该装置还包括：
标注模块308，用于根据目标ROTI的大小为经纬度网格地图标注电离层闪烁强弱程度信息。
在一种实施例中，标注模块308可以具体用于：
当目标ROTI处于第一预设阈值区间时，将电离层闪烁强弱程度信息标注为微弱闪烁或者无闪烁。
该情况下，该网格内的电离层没有发生闪烁或者闪烁程度很微弱，对定位的影响较小，穿刺点位于该网格内的GNSS观测数据可以正常使用。
当目标ROTI处于第二预设阈值区间时，将电离层闪烁强弱程度信息标注为中等强度闪烁。
该情况下，该网格内的电离层发生了中等强度的闪烁现象，足以影响定位，需要对穿刺点通过该网格内的GNSS观测数据作降权处理。
当目标ROTI处于第三预设阈值区间时，将电离层闪烁强弱程度信息标注为强闪烁。
该情况下，认为该网格内的电离层发生了强闪烁现象，对定位的影响非常严重，穿刺点通过该网格的GNSS观测数据需要作剔除处理，不参与定位解算。
第一预设阈值区间的最大值小于或者等于第二预设阈值区间的最小值，第二预设阈值区间的最大值小于或者等于第三预设阈值区间的最小值。
在一种实施例中，可将第一预设阈值区间、第二预设阈值区间、第三预设阈值区间分别设置为：0至0.3、0.3至0.5、0.5至+∞，单位TECU/min。
本申请实施例能够基于监测站实时检测到的电离层数据进行每一条卫星与监测站连线上的真实ROTI，基于真实ROTI建立电离层ROTI实时地图，由于真实ROTI是基于垂直路径电离层总电子含量计算的，故减小了不同的卫星和监测站连线的仰角差异对电离层ROTI实时地图造成的误差，并且基于截止仰角筛选可见卫星，避免了低仰角造成的多路径效应；同时，在确定目标ROTI时，通过标准差筛选处理、异常值降权处理降低了异常数据对目标ROTI的影响，使得最终确定的电离层ROTI实时地图贴近电离层的真实情况，获得的电离层ROTI实时地图精度较高。
图4示出了本申请一个实施例提供的电离层实时地图的构建设备的结构示意图。如图4所示，该设备可以包括处理器401以及存储有计算机程序指令的存储器402。
具体地，上述处理器401可以包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)，或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
存储器402可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器402可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，HDD)、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在一个实例中，存储器402可以包括可移除或不可移除(或固定)的介质，或者存储器402是非易失性固态存储器。存储器402可在综合网关容灾设备的内部或外部。
在一个实例中，存储器402可以是只读存储器(Read Only Memory，ROM)。在一个实例中，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、电可擦除PROM(EEPROM)、电可改写ROM(EAROM)或闪存或者两个或更多个以上这些的组合。
处理器401通过读取并执行存储器402中存储的计算机程序指令，以实现图1所示实施例中的方法，并达到图1所示实例执行其方法达到的相应技术效果，为简洁描述在此不再赘述。
在一个示例中，该电离层实时地图的构建设备还可包括通信接口403和总线410。其中，如图4所示，处理器401、存储器402、通信接口403通过总线410连接并完成相互间的通信。
通信接口403，主要用于实现本申请实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。
总线410包括硬件、软件或两者，将在线数据流量计费设备的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线可包括加速图形端口(Accelerated Graphics Port，AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(Extended Industry Standard Architecture，EISA)总线、前端总线(Front Side Bus，FSB)、超传输(Hyper Transport，HT)互连、工业标准架构(Industry Standard Architecture，ISA)总线、无限带宽互连、低引脚数(LPC)总线、存储器总线、微信道架构(MCA)总线、外围组件互连(PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(SATA)总线、视频电子标准协会局部(VLB)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线410可包括一个或多个总线。尽管本申请实施例描述和示出了特定的总线，但本申请实施例考虑任何合适的总线或互连。
该电离层实时地图的构建设备可以执行本申请实施例中的电离层实时地图的构建方法，从而实现图1描述的电离层实时地图的构建方法的相应技术效果。
另外，结合上述实施例中的电离层实时地图的构建方法，本申请实施例可提供一种计算机存储介质来实现。该计算机存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种方法。
需要明确的是，本申请实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本申请实施例的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本申请实施例的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本申请实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(Radio Frequency，RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
还需要说明的是，本申请实施例中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本申请实施例不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
上面真实根据本申请实施例的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本申请实施例的各方面。应当理解，流程图和/或框图中的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可被提供给通用计算机、专用计算机、或其它可编程数据处理装置的处理器，以产生一种机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行的这些指令使能对流程图和/或框图的一个或多个方框中指定的功能/动作的实现。这种处理器可以是但不限于是通用处理器、专用处理器、特殊应用处理器或者现场可编程逻辑电路。还可理解，框图和/或流程图中的每个方框以及框图和/或流程图中的方框的组合，也可以由执行指定的功能或动作的专用硬件来实现，或可由专用硬件和计算机指令的组合来实现。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以真实前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本申请实施例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申请实施例揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种电离层实时地图的构建方法，其特征在于，包括：
实时获取多个监测站监测到的多个卫星的多个穿刺点经纬度信息、多个倾斜路径电离层总电子含量STEC、以及多个穿刺点仰角；
根据所述多个STEC、以及所述多个穿刺点仰角计算多个真实电离层电子总含量的变化率指数ROTI；
根据所述真实ROTI对应的穿刺点经纬度信息，将各个所述真实ROTI划分进预先设置的经纬度网格地图的多个网格；
根据所述经纬度网格地图中的网格中的多个所述真实ROTI确定所述经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI，得到所述电离层ROTI实时地图；
其中，在所述根据所述经纬度网格地图中的网格中的多个所述真实ROTI确定所述经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI之前，所述方法还包括：
筛选穿刺点仰角大于预设截止仰角的可见卫星对应的真实ROTI；
基于所述可见卫星对应的真实ROTI、所述多个监测站的数量和所述多个可见卫星的数量计算标准差；
筛选未超出所述标准差预设倍数的所述真实ROTI。
2.如权利要求1所述的电离层实时地图的构建方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述目标ROTI的大小为所述经纬度网格地图标注电离层闪烁强弱程度信息。
3.如权利要求2所述的电离层实时地图的构建方法，其特征在于，所述根据所述目标ROTI的大小为所述经纬度网格地图标注电离层闪烁强弱程度信息，包括：
当所述目标ROTI处于第一预设阈值区间时，将所述电离层闪烁强弱程度信息标注为微弱闪烁或者无闪烁；
当所述目标ROTI处于第二预设阈值区间时，将所述电离层闪烁强弱程度信息标注为中等强度闪烁；
当所述目标ROTI处于第三预设阈值区间时，将所述电离层闪烁强弱程度信息标注为强闪烁；
所述第一预设阈值区间的最大值小于或者等于所述第二预设阈值区间的最小值，所述第二预设阈值区间的最大值小于或者等于所述第三预设阈值区间的最小值。
4.如权利要求1所述的电离层实时地图的构建方法，其特征在于，所述根据所述经纬度网格地图中的网格中的多个所述真实ROTI确定所述经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI，包括：
计算所述网格中的多个所述真实ROTI的第一平均值，将所述第一平均值确定为所述对应网格的目标ROTI；或者，
确定所述网格中的多个所述真实ROTI的中位数，将所述中位数确定为所述对应网格的目标ROTI；或者，
根据所述网格中的多个所述真实ROTI分别对应的卫星的所述穿刺点仰角分别确定所述多个所述真实ROTI的相应权重，并将所述多个所述真实ROTI基于所述权重加权后计算第二平均值，将所述第二平均值确定为所述对应网格的目标ROTI。
5.如权利要求4所述的电离层实时地图的构建方法，其特征在于，所述第一平均值
Figure FDA0003752452400000021
通过如下公式计算：
Figure FDA0003752452400000022
所述中位数
Figure FDA0003752452400000023
通过如下公式确定：
Figure FDA0003752452400000024
所述第二平均值
Figure FDA0003752452400000025
通过如下公式计算：
Figure FDA0003752452400000026
Figure FDA0003752452400000027
其中，
Figure FDA0003752452400000028
表示所述真实ROTI，rm表示监测站，m＝1,…,M，M表示在所述经纬度网格地图的一个网格中的所述多个监测站的数量，pn表示卫星，n＝1,…,N，N表示在所述经纬度网格地图的一个网格中的所述多个可见卫星的数量，igrid表示所述经纬度网格地图中的网格编号，目标ROTI表示所述目标ROTI，ti表示当前时刻，
Figure FDA0003752452400000031
表示第m个监测站的第n颗卫星在ti时刻的权重，
Figure FDA0003752452400000032
表示所述穿刺点仰角。
6.如权利要求1所述的电离层实时地图的构建方法，其特征在于，所述根据所述多个STEC、以及所述多个穿刺点仰角计算多个真实电离层电子总含量的变化率指数ROTI，包括：
根据多个卫星的所述STEC，以及多个卫星的所述穿刺点仰角计算多个垂直路径电离层总电子含量VTEC；
基于所述多个VTEC计算所述多个真实ROTI。
7.如权利要求6所述的电离层实时地图的构建方法，其特征在于，所述VTEC通过如下公式计算：
Figure FDA0003752452400000033
Figure FDA0003752452400000034
其中，ti表示当前时刻，pn表示卫星，rm表示监测站，
Figure FDA0003752452400000035
表示第m个监测站的第n颗卫星在ti时刻的所述穿刺点仰角。
8.如权利要求7所述的电离层实时地图的构建方法，其特征在于，所述真实ROTI通过如下公式计算：
Figure FDA0003752452400000036
Figure FDA0003752452400000037
其中，
Figure FDA0003752452400000038
表示所述真实ROTI，rm表示监测站，pn表示卫星，ti表示当前时刻，ti-j表示当前时刻之前j个历元的时刻，ti-1表示当前时刻之前一个历元的历史时刻，J为正整数，<>表示求平均值运算，ROT表示VTEC的时间变化率。
9.如权利要求1所述的电离层实时地图的构建方法，其特征在于，所述标准差
Figure FDA0003752452400000039
通过如下公式计算：
Figure FDA0003752452400000041
Figure FDA0003752452400000042
Figure FDA0003752452400000043
表示所述可见卫星对应的真实ROTI，rm表示监测站，m＝1,…,M，M表示在所述经纬度网格地图的一个网格中的所述多个监测站的数量，pn′表示可见卫星，n＝1,…,N，N表示在所述经纬度网格地图的一个网格中的所述多个可见卫星的数量，ti表示当前时刻，igrid表示所述经纬度网格地图中的网格编号。
10.一种电离层实时地图的构建装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于实时获取多个监测站监测到的多个卫星的多个穿刺点经纬度信息、多个倾斜路径电离层总电子含量STEC、以及多个穿刺点仰角；
计算模块，用于根据所述多个STEC、以及所述多个穿刺点仰角计算多个真实电离层电子总含量的变化率指数ROTI；
划分模块，用于根据所述真实ROTI对应的穿刺点经纬度信息，将各个所述真实ROTI划分进预先设置的经纬度网格地图；
确定模块，用于根据所述经纬度网格地图中的网格中的多个所述真实ROTI确定所述经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI，得到所述电离层ROTI实时地图；
其中，所述装置还包括筛选模块，用于在所述根据所述经纬度网格地图中的网格中的多个所述真实ROTI确定所述经纬度网格地图的对应网格的目标ROTI之前，筛选穿刺点仰角大于预设截止仰角的可见卫星对应的真实ROTI；
所述计算模块，还用于基于所述可见卫星对应的真实ROTI、所述多个监测站的数量和所述多个可见卫星的数量计算标准差；
所述筛选模块，还用于筛选未超出所述标准差预设倍数的所述真实ROTI。
11.如权利要求10所述的电离层实时地图的构建装置，其特征在于，所述装置还包括：
标注模块，用于根据所述目标ROTI的大小为所述经纬度网格地图标注电离层闪烁强弱程度信息。
12.如权利要求10所述的电离层实时地图的构建装置，其特征在于，所述确定模块，具体用于：
计算所述网格中的多个所述真实ROTI的第一平均值，将所述第一平均值确定为所述对应网格的目标ROTI；或者，
确定所述网格中的多个所述真实ROTI的中位数，将所述中位数确定为所述对应网格的目标ROTI；或者，
根据所述网格中的多个所述真实ROTI分别对应的卫星的所述穿刺点仰角分别确定所述多个所述真实ROTI的相应权重，并将所述多个所述真实ROTI基于所述权重加权后计算第二平均值，将所述第二平均值确定为所述对应网格的目标ROTI。
13.如权利要求10所述的电离层实时地图的构建装置，其特征在于，所述计算模块，具体用于：
根据多个卫星的所述STEC，以及多个卫星的所述穿刺点仰角计算多个垂直路径电离层总电子含量VTEC；
基于所述多个VTEC计算所述多个真实ROTI。
14.一种电离层实时地图的构建设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至9中任一项所述的电离层实时地图的构建方法。
15.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1至9中任一项所述的电离层实时地图的构建方法。
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基于全球卫星导航系统观测网的全球总电子含量快速反演方法;王晓岚等;《上海交通大学学报》;20170228(第02期);214-223 *

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