CN113985454B - 一种顾及方位角的电离层投影函数模型的建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于GNSS精密数据处理技术领域，具体公开了一种顾及方位角的电离层投影函数模型的建模方法，基于GNSS相位观测值使用非差模糊度解法提取电离层穿刺点处倾斜路上的高精度电离层延迟值及垂直方向的电离层延迟值；同时搜索与高卫星高度角IPP构成“并置点”IPP；随后，将高卫星高度角IPP处的VTEC值作为参考，将其低卫星高度角IPP处的VTEC值做差从而获得全球分布的电离层投影函数建模数据集，之后通过分析差值与时间、经度、纬度、卫星高度角、方位角等的变化规律，参数化各影响因素，构建顾及方位角的电离层投影函数并采用最小二乘法对求解各参数。采用本发明可提高电离层投影函数模型精度、电离层建模精度及GNSS单频用户的定位精度。
Description
技术领域
本发明属于GNSS精密数据处理技术领域，具体涉及了一种顾及方位角的电离层投影函数模型的建模方法。
背景技术
现阶段，基于电离层单层模型假设并构建二维电离层模型已经成为当前全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)导航定位用户及电离层应用研究的重要数据源。通常，构建二维电离层模型主要包括以下三个步骤：首先是利用GNSS观测数据提取倾斜路径上(即：卫星-接收机视线方向)电离层总电子含量(Slant Total ElectronContent，STEC)；随后使用电离层投影函数将STEC转换至某一单层高度的垂直路径上的电离层总电子含量(Vertical Total Electron Content，VTEC)；最后是使用特定的数学模型对求解得到的VTEC数据进行拟合以表征电离层的全球时空变化特性。另一方面，GNSS单频定位或非差精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)用户在使用构建得到的电离层模型对电离层延迟进行校正时，需要使用电离层投影函数将从电离层模型提取得到的VTEC转换成STEC。因此，电离层投影函数是影响电离层总电子含量(Total ElectronContent,TEC)建模精度与GNSS导航定位精度的关键因素之一。
目前的电离层投影函数主要存在两方面的问题：(1)投影精度较差。在电离层层暴期间，余弦电离层投影函数在倾斜方向上会出现最大12～18TECU的投影误差；即使在电离层活动平静期，也可引起最大8TECU的投影误差。(2)不同投影函数在低卫星高度角时投影差异较大。虽然在卫星高度角40°以上时，不同投影函数的投影精度基本相当；但是在40°以下的低卫星高度角时，不同投影函数的投影差异较大。
此外，建立高精度电离层投影函数模型的前提是准确分析投影函误差随时间、经纬度、高度角、方位角等的变化规律，然后根据其变化规律构建投影函数值与自变量的映射关系，进而实现各项参数的模型化。现阶段，电离层投影函数误差分析方法的研究主要可以分为以下两类：(1)基于GNSS电离层TEC实测数据的电离层投影函数误差分析方法，即利用密集GNSS监测网获取同一时刻相同电离层穿刺点处不同视线方向的STEC值，并将其通过投影函数转化为VTEC，通过分析VTEC之间的差异，达到分析电离层投影函数误差的目的；(2)基于三维电离层电子模型(如：NeQuick模型)的电离层投影函数误差分析方法，即利用NeQuick同时计算得到的天顶方向VTEC和视线方向STEC，分析投影函数值随空间方位角的变化规律。上述两种方法存在如下问题：(1)无论前者还是后者，提取的电离层TEC观测值精度均有限；(2)第一种方法由于仅能得到视线方向的STEC，无法同时获取相同穿刺点处的VTEC真值，因此仅能分析已知投影函数的投影精度。第二种方法虽然能同时获取STEC和VTEC并可用来计算分析电离层投影函数值随时空变化规律，但因为是经验模型的精度较差制约了提取的电离层TEC精度，导致分析结果的可靠性不足。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有技术基于GNSS实测数据提取电离层TEC提取误差较大。
(2)现有技术虽然可以基于NeQuick模型分析电离层投影函数误差及电离层投影函数值随时空变化规律，但是提取的电离层TEC精度有限，从而导致分析结果的可靠性不足。
而解决上述技术问题的难度在于，由于NeQuick模型为电离层经验模型，获得的电离层精度有限，无法很好地用于电离层投影函数的变化特性分析及GNSS单频用户的电离层延迟改正。此外，现阶段没有可靠的途径来获取电离层VTEC值，对NeQuick模型进行精化以提高模型精度。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种顾及方位角的电离层投影函数模型的建模方法，以解决由于NeQuick模型为电离层经验模型，获得的电离层精度有限，无法很好地用于电离层投影函数的变化特性分析及GNSS单频用户的电离层延迟改正。
为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种顾及方位角的电离层投影函数模型的建模方法，包括以下步骤：
第一步，基于GNSS的相位观测值，使用非差模糊度整数解法提取高精度倾斜路径电离层延迟值及垂直路径电离层延迟值；
第二步，高卫星高度角电离层穿刺点为中心，搜索与其构成“并置点”的低卫星高度角的穿刺点；
第三步，以高卫星高度角穿刺点处提取的电离层垂直路径电离层延迟作为参考，计算低卫星高度角垂直路径电离层延迟及其与高卫星高度角的垂直路径电离层延迟差值；
第四步，通过分析差值与时间、经度、纬度、卫星高度角、方位角等的变化规律，参数化各影响因素，构建顾及方位角的电离层投影函数。
进一步，所述第一步选取的观测数据采样率为30s；处理时，卫星截止高度角为10°。
进一步，所述第一步的高精度倾斜路径电离层延迟观测值获取方法，包括以下步骤：
a)对全球GNSS观测网以及各区域CORS网的各测站进行逐站标准无电离层组合的PPP定位解算，求解得到各测站各卫星的无电离层组合模糊度；
b)基于所述全球GNSS观测网及区域CORS网原始观测数据获得MW组合观测值，利用直接取平均后取整的方式获取并固定宽巷整数模糊度；
c)利用步骤a)获得的所述无电离层组合模糊度和步骤b)获得的宽巷整数模糊度计算得到窄巷实数模糊度，并建立窄巷小数偏差估计方程，求解窄巷小数偏差值，利用LAMBDA方法固定窄巷整数模糊度；
d)将固定后的所述宽巷整数模糊度和固定后的所述窄巷整数模糊度代入无几何距离相位组合观测值中，提取得到高精度电离层倾斜路径电离层延迟信息。
进一步，所述第二步的筛选全球范围内的穿刺点并置点，设定穿刺点IPP1与IPP2的经纬度分别为和如果两个穿刺点IPP1与IPP2为并置点，则它们应满足下列条件：
进一步，所述第三步以高卫星高度角求解得到的电离层天顶延迟VTEC1作为参考值，计算其与低卫星高度角构成“并置点”的VTEC2，之后，计算两个穿刺点之间的VTEC差值dVTEC，具体如下：
dTEC＝VTEC1-VTEC2。
进一步，所述第四步根据第一步计算使用的全球GNSS观测网以及各区域CORS网，根据获得的全球分布的并置点的电离层投影函数值，分析电离层投影值随经纬度、时间变化、卫星方位角影响因素的变化特征和规律。
进一步，所述第四步根据第一步计算使用的全球GNSS观测网以及各区域CORS网，根据获得的全球分布的并置点的电离层投影函数值，全面、详细分析电离层投影值随经纬度、时间变化、卫星方位角影响因素的变化特征和规律，具体模型表达形式如下所示：
MF＝MFVertical+MFHorizon+ε
式中，MFVertical表示电离层投影函数天顶分量；Z表示电离层穿刺点处的天顶距；MFHorizon表示电离层投影函数水平分量；Plat表示电离层投影函数受到的纬度影响权重；Plon表示电离层投影函数受到的经度影响权重；NPart表示电离层投影函数南北方向的转换因子；EPart表示电离层投影函数东西方向的转换因子；azim表示卫星方位角；ε表示电离层投影函数的噪声因子。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述顾及方位角的GNSS卫星的电离层投影函数模型的误差数据分析与建模方法的信息数据处理终端。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：顾及方位角的GNSS卫星的电离层投影函数模型的误差数据分析与建模方法，以提高电离层投影函数模型精度、电离层建模精度及GNSS单频用户的定位精度。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)基于高卫星高度角的“并置点”分析投影函数投影误差的变化规律。
本发明提出采用现有的电离层投影函数将高高度角(如：卫星高度角大于75°)的STEC转换为VTEC，并将其作为参考值。分析在低高度角VTEC与高高度角VTEC的差值与时间、纬度、经度、高度角、方位角之间的关系，为电离层投影函数的建立提供依据。
2)建立一种顾及时空变化信息的高精度电离层投影函数模型。
本发明顾及卫星方位角、经纬度对电离层投影函数的影响，根据分析得到的电离层投影函数与方位角、高度角之间的关系，建立高精度电离层投影函数。
附图说明
图1是本发明一种顾及方位角的电离层投影函数模型的建模方法实施例提供的流程图。
图2是本发明一种顾及方位角的电离层投影函数模型的建模方法实施例提供的实现流程图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种顾及方位角的高精度电离层投影函数模型的建模方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
实施例基本如图1所示，一种顾及方位角的电离层投影函数模型的建模方法，包括以下步骤：
S101：基于GNSS的相位观测值，使用非差模糊度整数解法提取高精度倾斜路径电离层延迟(Slant Electron Content,STEC)值及垂直路径电离层延迟(Vertical ElectronContent,VTEC)值；
S102，搜索以高卫星高度角(如：卫星高度角大于75°)电离层穿刺点(IonosphericPierce Point,IPP)其构成“并置点”的低卫星高度角的IPP；
S103，以高卫星高度角IPP处提取的电离层VTEC作为参考，计算低卫星高度角VTEC及其与高卫星高度角的VTEC差值；
S104：通过分析差值与时间、经度、纬度、卫星高度角、方位角等的变化规律，参数化各影响因素，构建顾及方位角的电离层投影函数。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图2所示，本发明实施例提供的一种顾及方位角的高精度电离层投影函数模型的建模方法包括以下步骤：
步骤一，选取全球GNSS观测网以及各区域CORS网的中GNSS观测数据。下载并整理GNSS精密单点定位所需要的轨道、钟差、天线等文件。选取的测站应尽可能全球分布均匀且数量多，以便提高电离层建模精度。选取的观测数据采样率为30s。处理时，卫星截止高度角设为10°。
步骤二，输入GNSS原始观测数据、IGS精密轨道、钟差、天线等信息，对观测数据进行数据预处理，采用TurboEdit方法，准确探测并标记周跳发生的位置，并记录连续未发生周跳的弧段信息。
步骤三，基于GNSS非差模糊度整数解提取全球分布的高精度STEC及VTEC，借鉴已有的PPP模糊度固定方法，在模糊度域上组成宽巷和窄巷，采用整体解的方法估计生成相位小数周偏差，将生成的小数周偏差产品回代入整体解方程中固定整周模糊度。基于GNSS非差模糊度整数解提取的电离层延迟观测值包含非差相位偏差，借鉴电离层建模的方法，使用球谐函数对VTEC进行描述，分离电离层观测值中相位偏差部分，获取绝对的高精度STEC观测值。具体步骤如下：
a)对全球GNSS观测网以及各区域CORS网的各测站进行逐站标准无电离层组合的PPP定位解算，求解得到各测站各卫星的无电离层组合模糊度；
b)基于所述全球GNSS观测网及区域CORS网原始观测数据获得MW组合观测值，利用直接取平均后取整的方式获取并固定宽巷整数模糊度；
c)利用步骤a)获得的所述无电离层组合模糊度和步骤b)获得的宽巷整数模糊度计算得到窄巷实数模糊度，并建立窄巷小数偏差估计方程，求解窄巷小数偏差值，利用LAMBDA方法固定窄巷整数模糊度；
d)将固定后的所述宽巷整数模糊度和固定后的所述窄巷整数模糊度代入无几何距离相位组合观测值中，提取得到高精度电离层TEC信息。
步骤四，筛选全球范围内的IPP并置点，穿刺点IPP1与IPP2的经纬度分别为和如果两个IPP为并置点，则它们应满足下列条件：
步骤五，以高卫星高度角(如：卫星高度角大于75°)求解得到的电离层天顶延迟VTEC1作为参考值，计算其与低卫星高度角构成“并置点”的VTEC2。之后，计算两个穿刺点之间的VTEC差值dVTEC，具体如下：
dTEC＝VTEC1-VTEC2。
步骤六，根据第一步计算使用的全球GNSS观测网以及各区域CORS网，根据获得的全球分布的并置点的电离层投影函数值，全面、详细分析电离层投影值随经纬度、时间变化、卫星方位角影响因素的变化特征和规律；
步骤七，依据分析得到的时空变化特征与规律，结合电离层的物理结构和相关电离层经验模型，对各参数进行模型化和参数化；对每个并置点电离层投影函数值即可形成相应观测方程，通过最小二乘估计法解算相关未知参数，构建一种顾及方位角的电离层投影函数模型。具体模型表达形式如下所示：
MF＝MFVertical+MFHorizon+ε
式中，MFVertical表示电离层投影函数天顶分量；Z表示电离层穿刺点处的天顶距；MFHorizon表示电离层投影函数水平分量；Plat表示电离层投影函数受到的纬度影响权重；Plon表示电离层投影函数受到的经度影响权重；NPart表示电离层投影函数南北方向的转换因子；EPart表示电离层投影函数东西方向的转换因子；azim表示卫星方位角；ε表示电离层投影函数的噪声因子。
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。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种顾及方位角的电离层投影函数模型的建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，基于GNSS的相位观测值，使用非差模糊度整数解法提取高精度倾斜路径电离层延迟值及垂直路径电离层延迟值；
第二步，以高卫星高度角电离层穿刺点为中心，搜索与其构成“并置点”的低卫星高度角的穿刺点；设定穿刺点IPP1与IPP2的经纬度分别为和如果两个穿刺点IPP1与IPP2满足下列条件则为并置点：
第三步，以高卫星高度角穿刺点处提取的电离层垂直路径电离层延迟作为参考，计算低卫星高度角垂直路径电离层延迟及其与高卫星高度角的垂直路径电离层延迟差值；
第四步，通过分析差值与时间、经度、纬度、卫星高度角、方位角的变化规律，参数化各影响因素，构建顾及方位角的电离层投影函数，电离层投影函数模型如下：
MF＝MFVertical+MFHorizon+ε
式中，MFVertical表示电离层投影函数天顶分量；Z表示电离层穿刺点处的天顶距；MFHorizon表示电离层投影函数水平分量；Plat表示电离层投影函数受到的纬度影响权重；Plon表示电离层投影函数受到的经度影响权重；NPart表示电离层投影函数南北方向的转换因子；EPart表示电离层投影函数东西方向的转换因子；azim表示卫星方位角；ε表示电离层投影函数的噪声因子。
2.根据权利要求1所述的一种顾及方位角的电离层投影函数模型的建模方法，其特征在于：所述第一步选取的观测数据采样率为30s；处理时，卫星截止高度角为10°。
3.根据权利要求1所述的一种顾及方位角的电离层投影函数模型的建模方法，其特征在于：所述第一步的高精度倾斜路径电离层延迟观测值获取方法，包括以下步骤：
a)对全球GNSS观测网以及各区域CORS网的各测站进行逐站标准无电离层组合的PPP定位解算，求解得到各测站各卫星的无电离层组合模糊度；
b)基于所述全球GNSS观测网及区域CORS网原始观测数据获得MW组合观测值，利用直接取平均后取整的方式获取并固定宽巷整数模糊度；
c)利用步骤a)获得的所述无电离层组合模糊度和步骤b)获得的宽巷整数模糊度计算得到窄巷实数模糊度，并建立窄巷小数偏差估计方程，求解窄巷小数偏差值，利用LAMBDA方法固定窄巷整数模糊度；
d)将固定后的所述宽巷整数模糊度和固定后的所述窄巷整数模糊度代入无几何距离相位组合观测值中，提取得到高精度电离层倾斜路径电离层延迟信息。
4.根据权利要求3所述的一种顾及方位角的电离层投影函数模型的建模方法，其特征在于：所述第四步根据第一步计算使用的全球GNSS观测网以及各区域CORS网，根据获得的全球分布的并置点的电离层投影函数值，分析电离层投影值随经纬度、时间变化、卫星方位角影响因素的变化特征和规律。
5.一种应用权利要求1～4任意一项所述顾及方位角的电离层投影函数模型的建模方法的信息数据处理终端。
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