CN113985455A - 一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法 - Google Patents

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CN113985455A CN202111236711.5A CN202111236711A CN113985455A CN 113985455 A CN113985455 A CN 113985455A CN 202111236711 A CN202111236711 A CN 202111236711A CN 113985455 A CN113985455 A CN 113985455A
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张建霞
张红月
王俊杰
田宇
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Abstract

本发明属于GNSS精密数据处理技术领域，具体公开了一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法，采用对应的方法提取电离层穿刺点处的多源实测电离层数据，随后使用对应的电离层投影函数将电离层斜延迟转换为电离层垂延迟，并使用单层“归一化”法将对多源电离层观测数据进行“归一化”处理与地基GNSS电离层数据具有相同的探测范围，随后使用赫尔默特方差分量估计法估计融合“归一化”后的多源电离层观测数据的电离层建模参数并生成的电离层格网产品。本发明给出了融合多系统GNSS及多源电离层观测数据构建高精度电离层模型的方法，以提高全球电离层模型在测站稀少地区的精度及GNSS单频用户的定位精度。

Description

一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法
技术领域
本发明属于GNSS精密数据处理技术领域，具体涉及了一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法。
背景技术
当前，地基GNSS监测站在全球范围内分布不均，导致在海洋及自然条件恶劣的地区电离层数据较少，制约模型在对应地区的精度与可靠性。为此，学者们使用不同方法提高电离层TEC模型的精度与可靠性。
第一种方法是将电离层经验模型作为背景场约束，如：国际电离层参考(International Reference Ionosphere，IRI)模型、前一天国际GNSS服务组织(International GNSS Service，IGS)提供的最终电离层格网产品(Global IonosphereMap，GIM)、Klobuchar模型和NeQuick模型等。然而，受限于经验模型的精度，该方法构建的电离层TEC模型精度提高有限。
第二种方法是联合多源电离层数据构建电离层TEC模型。由于低轨(Low EarthOrbit，LEO)科学卫星搭载了不同类型的电离层探测设备，其提供的电离层数据在一定程度上可以填补海洋及自然条件恶劣的地区电离层数据的空白。因此，通常可利用地基GNSS电离层数据、Jason海洋测高卫星电离层数据、掩星电离层数据、多普勒测量的轨道确定和无线电定位系统(Doppler Orbitography and Radiopositioning IntegratedbySatellite，DORIS)观测数据、甚长基线干涉测量数据及船载GNSS和星载GNSS数据构建电离层模型，从一定程度上提高了构建的电离层模型在海洋及自然条件恶劣地区的精度。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的研究将未探测部分的电离层TEC值视为常数的方式实现补偿。然而，若使用的多源电离层数据为LEO底部电离层数据，其与地基GNSS电离层探测范围的差异为LEO卫星轨道高度至GNSS轨道高度范围的电离层，即：等离子层；若使用的多源电离层观测数据为LEO顶部电离层数据，其与地基GNSS电离层探测范围的差异为电离层底部至LEO卫星轨道高度的电离层。对前一种情况，由于等离子层可延伸到3～5个地球半径的高度，导致其在不同时间内所占比例存在差异：在白天所占比例约10％，在夜间所占比例可达60％；对后一种情况，未探测部分包含了电离层D层、E层和F层，无论在白天还是在夜间，未探测部分的电子含量所占比例至少为40％。因此，未探测部分的电离层TEC值无论是量级还是变化幅度均不容忽视。
解决上述技术问题的难度：由于不同类型的电离层观测数据对电离层的探测范围存在差异，导致在建模时将不同类型的电离层观测数据仅进行简单的融合，使得构建的电离层模型精度提升有限。此外，不同类型的电离层观测数据存在差异，仅采用最小二乘法对建模参数进行估计，将影响待估参数的精度。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法，以解决由于不同类型的电离层观测数据对电离层的探测范围存在差异，导致在建模时将不同类型的电离层观测数据仅进行简单的融合，将使得构建的电离层模型精度提升有限。此外，不同类型的电离层观测数据存在差异，仅采用最小二乘法对建模参数进行估计，将影响待估参数的精度的问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法，包括以下步骤：
第一步，对地基GNSS观测数据进行预处理，之后提取视线方向上的电离层斜延迟；
第二步，根据卫星星历和地基GNSS测站坐标获得穿刺点位置及对应的天顶距；
第三步，根据多源观测数据获得穿刺点位置及天顶距并提取多源电离层斜延迟；之后，根据电离层数据的类型，使用对应的电离层投影函数，将其转为电离层垂延迟；
第四步，使用单层“归一化”法对多源电离层数据进行“归一化”处理，使其与地基GNSS电离层数据具有相同的探测范围；
第五步，根据转换得到的各类型电离层斜延迟数据，结合获得的穿刺点位置信息，组建构建观测方程，并根据观测方程构建法方程；
第六步，使用赫尔默特方差分量估计法估计待估参数，并生成差分码偏差文件和全球电离层格网文件。
进一步，所述第一步数据预处理包括：使用TurboEdit方法对相位的周跳进行探测与修复；处理时，卫星截止高度角为10°。
进一步，所述第一步的电离层斜延迟观测值的获取方法包括：
a)对伪距及相位观测值分别组成无几何距离组合，得到下式：
Figure BDA0003317897430000021
式中，
Figure BDA0003317897430000022
和
Figure BDA0003317897430000024
分别表示伪距和相位的无几何距离组合观测值；DPBr和DPBs分别表示接收机和卫星的差分相位偏差；γi＝(f0/fi)2，其中f0＝10.23MHz；
Figure BDA0003317897430000033
和
Figure BDA0003317897430000034
分别表示频率i上的伪距和相位观测值；
Figure BDA0003317897430000035
表示接收机r到卫星s的几何距离；c表示电磁波在真空中的传播速度；dtr和dts分别表示接收机r和卫星s的钟差；Tro表示接收机r到卫星s观测路径上的对流层延迟；
Figure BDA0003317897430000036
表示接收机r到卫星s观测路径上的电离层延迟，单位：米；Br,i和
Figure BDA0003317897430000039
分别表示接收机和卫星在频率i上的伪距硬件延迟；br,i和
Figure BDA0003317897430000038
分别表示接收机和卫星在频率i上的相位硬件延迟；λi表示频率i的波长；
Figure BDA0003317897430000037
表示频率i上的相位观测值的整周模糊度；
Figure BDA00033178974300000310
表示第j颗卫星在频率i上的多路径效应；εP和ξΦ分别表示伪距和相位观测值的观测值噪声；
b)由于一个观测弧段未发生周跳，则该弧段内的各历元的模糊度值保持不变且DCB和DPB在一天内保持稳定，可当常数来估计；因此，在一个连续弧段内，相位无几何距离观测值与伪距无几何距离观测值之间的差值可以表示为：
Figure BDA0003317897430000031
将其代入相位无几何距离组合观测值中，则可得下式：
Figure BDA0003317897430000032
式中，T表示连续弧段的时间长度；<>表示取平均操作；于是，即为使用相位平滑伪距法提取的电离层延迟，单位：m。
进一步，所述第二步选取的观测数据采样率为30s；使用的电离层单层模型高度为450km。
进一步，所述第三步的多源电离层观测数据包括：掩星电离层数据、DORIS电离层数据、LEO星载GNSS接收机提供的顶部电离层数据、Jason-2 VTEC和地基多系统GNSS电离层数据。
进一步，所述第三步多源电离层观测数据的提取方法包括：
a)掩星电离层观测数据：由“ionPrf”产品所提供，该数据产品提供了卫星上部及下部电离层观测数据以获得电离层全路径的TEC值：
VTEC＝VTECbellow+VTECup
式中，VTECbellow表示COSMIC卫星下方的VTEC值；VTECup表示COSMIC卫星上方的VTEC值，可通过外推方式获得；
b)DORIS电离层观测数据：其计算步骤包括：
1)基于DORIS地基监测站位置和LEO卫星位置，计算DORIS观测数据的穿刺点位置和穿刺点处的天顶距，并使用地基GNSS构建的电离层TEC模型计算穿刺点处的VTEC值；
2)求解每个连续弧段内DORIS含有偏差STEC值与经GIM转换得到的STEC值的偏差均值；
3)将求得的弧段内平均偏差改正到对应弧段内，即可得到校正后的STEC值；
c)Jason2 VTEC根据星载测高仪Ku波段频率的伪距电离层延迟改正数来获取，具体公式如下：
Figure BDA0003317897430000041
式中，dRKu为Ku波段电离层距离改正数；fKu为Ku波段频率，单位为GHz；由于测高仪观测噪声较大，通常可使用15～25s的窗口并结合中值滤波法提取电离层数据，平滑后的电离层数据精度优于1TECU；
d)LEO顶部电离层观测数据及地基GNSS电离层观测数据，可使用相位平滑伪距法来提取。
进一步，所述第三步所述不同类型的电离层投影函数主要包括：
a)LEO顶部电离层投影函数，其可表示成如下所示：
Figure BDA0003317897430000042
式中，Rshell＝R+hshell表示等效厚层上边界与地心之间的距离，hshell为厚层上边界的高度；Rorbit表示LEO卫星的轨道高度，R＝6378.137km，为地球平均半径；z为星载GNSS接收机与GNSS卫星方向在星载GNSS接收机处的天顶角；
b)其他类型电离层观测数据使用的电离层投影函数，其可表示成如下所示：
Figure BDA0003317897430000043
式中，Hopt＝506.7；α＝0.9782，为投影函数调整系数；R＝6378.137km，为地球平均半径，H表示电离层单层模型的高度，通常取350～450km中的某一个固定值；z为地基GNSS接收机处的天顶距。
进一步，所述第四步所用单层“归一化”法具体如下：
a)使用NeQuick2模型分别计算不同探测范围内对应电离层穿刺点处的VTEC值，计算公式如下所示：
Figure BDA0003317897430000051
式中，H1和H2分别表示不同类型电离层数据对应的探测范围；h1和h2分别表示“归一化”后的探测范围；
Figure BDA0003317897430000052
表示使用NeQuick2模型对不同类型电离层数据在穿刺点处计算得到的VTEC值；
Figure BDA0003317897430000053
表示在穿刺点处由NeQuick2模型计算“归一化”后的VTEC值；∫Ne(s)ds表示在对应观测路径上的电子密度进行积分。
b)计算t时刻不同探测范围间的尺度因子，如下式所示：
Figure BDA0003317897430000054
c)将不同视线方向提取的STEC使用对应的投影函数转换成VTEC。假设地基GNSS接收机到GNSS卫星之间的观测数据可表示为STECGNSS，低轨(Low Earth Orbit，LEO)卫星提供的底部电离层数据可表示为STECLEO-BTM，LEO卫星提供的顶部电离层数据表示为STECLEO-UP，经投影转换可分别表示为VTECGNSS、VTECLEO-BTM和VTECLEO-UP；则具体转换公式如下所示：
Figure BDA0003317897430000055
式中，mf1和mf2分别表示地基电离层投影函数和星基电离层投影函数，对应MSLM投影函数和F&K投影函数；值得注意的是，由于LEO卫星轨道高度在hmF2之上，因此LEO卫星星载GNSS接收机观测数据的截止高度角应尽可能大以削弱投影误差；
d)根据计算得到的尺度因子，对不同类型的电离层数据进行“归一化”处理；通过“归一化”即可将对应观测路径上的电离层数据(VTECObs(t))转换为“归一化”后路径上的电离层数据VTECnomalized(t)，具体计算公式如下：
Figure BDA0003317897430000056
进一步，所述第五步所构法方程形式如下：
Figure BDA0003317897430000057
式中，下标GNSS表示地基GNSS电离层数据；下标Topside表示LEO星载GNSS接收机的顶部电离层数据；下标Altimeter表示Jason-2 VTEC；下标Occultation表示LEO掩星电离层数据；下标DORIS表示DORIS电离层数据；N表示不同类型电离层数据构成的法方程矩阵；B表示不同类型电离层数据的构造矩阵；P表示不同类型电离层数据对应的权。
进一步，所述第六步赫尔默特方差分量估计法估计待估参数的具体步骤如下：
a)对不同类型的电离层数据进行验前权估计，确定不同类型电离层数据权的初值：P1，P2，……，Pn；
b)对所有观测值进行第一次平差，求得不同电离层数据的Vi TPiVi；
c)按下式进行第一次方差分量估计：
Figure BDA0003317897430000061
获得不同类型电离层数据单位权方差的第一次估值
Figure BDA0003317897430000062
再依下式定权：
Figure BDA0003317897430000063
式中，c为任意常数，一般选
Figure BDA0003317897430000064
中的某一个值；
反复进行平差及方差分量估计，直至不同电离层数据的单位权方差相等为止。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述融合多系统GNSS及多源电离层观测数据构建高精度电离层模型的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：本发明给出了一种融合多系统GNSS及多源电离层观测数据构建高精度电离层模型的方法，以提高电离层建模精度及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)使用单层“归一化”法对不同类型电离层观测数据进行“归一化”处理，使其与地基GNSS电离层数据具有相同的探测范围。
2)融合多源电离层观测数据，可有效提高海洋上空电离层观测数据的覆盖程度。
3)使用赫尔默特方差分量估计法估计待估参数，并自适应地确定不同类型观测数据的权。
附图说明
图1为本发明一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法实施例的方法流程图。
图2为本发明一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法实施例的实现流程图。
图3是本发明一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法实施例提供的DORIS观测数据校正的实现流程图。
图4是本发明一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法实施例提供不同类型电离层数据的探测范围示意图。
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，本发明提供了一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法，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，一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法，以下步骤：
S101：对地基GNSS观测数据进行预处理，之后提取视线方向上的电离层斜延迟(Slant Total Electron Content，STEC)；
S102：根据卫星星历和地基GNSS测站坐标获得穿刺点(Ionospheric PiercePoint,IPP)位置及对应的天顶距；
S103：根据多源观测数据获得穿刺点位置及天顶距并提取多源STEC。之后，根据电离层数据的类型，使用对应的电离层投影函数，将其转为电离层垂延迟(Vertical TotalElectron Content，VTEC)；
S104：使用单层“归一化”法对多源电离层数据进行“归一化”处理，使其与地基GNSS电离层数据具有相同的探测范围；
S105：根据转换得到的各类型VTEC数据，结合获得的穿刺点位置信息，组建构建观测方程，并根据观测方程构建法方程；
S106：使用赫尔默特方差分量估计法估计待估参数，并生成差分码偏差(Differential Code Bias，DCB)文件和全球电离层格网(Global Ionosphere Map，GIM)文件。
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融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法包括以下步骤：
步骤一，下载并整理不同类型的电离层观测数据并对其进行预处理。选取的地基GNSS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。数据预处理包括：使用TurboEdit方法对相位的周跳进行探测与修复；处理时，卫星截止高度角为10°。
步骤二，使用相位平滑伪距法提取电离层观测数据，具体步骤如下：
a)对伪距及相位观测值分别组成无几何距离组合，得到下式：
Figure BDA0003317897430000081
式中，
Figure BDA0003317897430000082
和
Figure BDA0003317897430000083
分别表示伪距和相位的无几何距离组合观测值；DPBr和DPBs分别表示接收机和卫星的差分相位偏差；γi＝(f0/fi)2，其中f0＝10.23MHz；
Figure BDA0003317897430000084
和
Figure BDA0003317897430000085
分别表示频率i上的伪距和相位观测值；
Figure BDA0003317897430000086
表示接收机r到卫星s的几何距离；c表示电磁波在真空中的传播速度；dtr和dts分别表示接收机r和卫星s的钟差；Tro表示接收机r到卫星s观测路径上的对流层延迟；
Figure BDA0003317897430000087
表示接收机r到卫星s观测路径上的电离层延迟，单位：米；Br,i和
Figure BDA0003317897430000088
分别表示接收机和卫星在频率i上的伪距硬件延迟；br,i和
Figure BDA0003317897430000089
分别表示接收机和卫星在频率i上的相位硬件延迟；λi表示频率i的波长；
Figure BDA00033178974300000810
表示频率i上的相位观测值的整周模糊度；
Figure BDA00033178974300000811
表示第j颗卫星在频率i上的多路径效应；εP和ξΦ分别表示伪距和相位观测值的观测值噪声。
b)由于一个观测弧段未发生周跳，则该弧段内的各历元的模糊度值保持不变且DCB和DPB在一天内保持稳定，可当常数来估计。因此，在一个连续弧段内，相位无几何距离观测值与伪距无几何距离观测值之间的差值可以表示为：
Figure BDA00033178974300000812
将其代入相位无几何距离组合观测值中，则可得下式：
Figure BDA00033178974300000813
式中，T表示连续弧段的时间长度；<>表示取平均操作。于是，即为使用相位平滑伪距法提取的电离层延迟，单位：m。
步骤三，计算得到地基GNSS观测数据的IPP位置及天顶距信息。计算时，选取的观测数据采样率为30s；使用的电离层单层模型高度为450km。
步骤四，计算多源电离层观测数据。具体方法主要包括：
a)掩星电离层观测数据。主要由“ionPrf”产品所提供，该数据产品提供了卫星上部及下部电离层观测数据以获得电离层全路径的TEC值：
VTEC＝VTECbellow+VTECup
式中，VTECbellow表示COSMIC卫星下方的VTEC值；VTECup表示COSMIC卫星上方的VTEC值，可通过外推方式获得。
b)DORIS电离层观测数据。其计算流程如图3所示，具体步骤主要包括：
1)基于DORIS地基监测站位置和LEO卫星位置，计算DORIS观测数据的穿刺点位置和穿刺点处的天顶距，并使用地基GNSS构建的电离层TEC模型计算穿刺点处的VTEC值。
2)求解每个连续弧段内DORIS含有偏差STEC值与经GIM转换得到的STEC值的偏差均值。
3)将求得的弧段内平均偏差改正到对应弧段内，即可得到校正后的STEC值。
c)通常，Jason2 VTEC可根据星载测高仪Ku波段频率的伪距电离层延迟改正数来获取，具体公式如下：
Figure BDA0003317897430000091
式中，dRKu为Ku波段电离层距离改正数；fKu为Ku波段频率，单位为GHz。由于测高仪观测噪声较大，通常可使用15～25s的窗口并结合中值滤波法提取电离层数据，平滑后的电离层数据精度优于1TECU。
d)LEO顶部电离层观测数据及地基GNSS电离层观测数据，可使用相位平滑伪距法来提取。
步骤五，使用对应的电离层投影函数，将不同类型的STEC转换为VTEC。具体的电离层投影函数主要包括：
a)LEO顶部电离层投影函数，其可表示成如下所示：
Figure BDA0003317897430000092
式中，Rshell＝R+hshell表示等效厚层上边界与地心之间的距离，hshell为厚层上边界的高度；Rorbit表示LEO卫星的轨道高度，R＝6378.137km，为地球平均半径；z为星载GNSS接收机与GNSS卫星方向在星载GNSS接收机处的天顶角。
b)其他类型电离层观测数据使用的电离层投影函数，其可表示成如下所示：
Figure BDA0003317897430000093
式中，Hopt＝506.7；α＝0.9782，为投影函数调整系数；R＝6378.137km，为地球平均半径，H表示电离层单层模型的高度，通常取350～450km中的某一个固定值；z为地基GNSS接收机处的天顶距。
步骤六，如图4所示，使用单层“归一化”法具体流程如下：
a)使用NeQuick2模型分别计算不同探测范围内对应电离层穿刺点处的VTEC值，计算公式如下所示：
Figure BDA0003317897430000101
式中，H1和H2分别表示不同类型电离层数据对应的探测范围；h1和h2分别表示“归一化”后的探测范围；
Figure BDA0003317897430000102
表示使用NeQuick2模型对不同类型电离层数据在穿刺点处计算得到的VTEC值；
Figure BDA0003317897430000103
表示在穿刺点处由NeQuick2模型计算“归一化”后的VTEC值；∫Ne(s)ds表示在对应观测路径上的电子密度进行积分。
b)计算t时刻不同探测范围间的尺度因子，如下式所示：
Figure BDA0003317897430000104
c)将不同视线方向提取的STEC使用对应的投影函数转换成VTEC。假设地基GNSS接收机到GNSS卫星之间的观测数据可表示为STECGNSS，低轨(Low Earth Orbit，LEO)卫星提供的底部电离层数据可表示为STECLEO-BTM，LEO卫星提供的顶部电离层数据表示为STECLEO-UP，经投影转换可分别表示为VTECGNSS、VTECLEO-BTM和VTECLEO-UP。则具体转换公式如下所示：
Figure BDA0003317897430000105
式中，mf1和mf2分别表示地基电离层投影函数和星基电离层投影函数，对应MSLM投影函数和F&K投影函数。值得注意的是，由于LEO卫星轨道高度在hmF2之上，因此LEO卫星星载GNSS接收机观测数据的截止高度角应尽可能大以削弱投影误差。
d)根据计算得到的尺度因子，对不同类型的电离层数据进行“归一化”处理。通过“归一化”即可将对应观测路径上的电离层数据(VTECObs(t))转换为“归一化”后路径上的电离层数据VTECnomalized(t)，具体计算公式如下：
Figure BDA0003317897430000106
步骤七，在构建全球电离层模型时得到的法方程形式如下所示：
Figure BDA0003317897430000111
式中，下标GNSS表示地基GNSS电离层数据；下标Topside表示LEO星载GNSS接收机的顶部电离层数据；下标Altimeter表示Jason-2 VTEC；下标Occultation表示LEO掩星电离层数据；下标DORIS表示DORIS电离层数据；N表示不同类型电离层数据构成的法方程矩阵；B表示不同类型电离层数据的构造矩阵；P表示不同类型电离层数据对应的权。随后，使用赫尔默特方差分量估计法估计待估参数，其具体步骤如下：
a)对不同类型的电离层数据进行验前权估计，确定不同类型电离层数据权的初值：P1，P2，……，Pn；
b)对所有观测值进行第一次平差，求得不同电离层数据的Vi TPiVi；
c)按下式进行第一次方差分量估计：
Figure BDA0003317897430000112
获得不同类型电离层数据单位权方差的第一次估值
Figure BDA0003317897430000113
再依下式定权：
Figure BDA0003317897430000114
式中，c为任意常数，一般选
Figure BDA0003317897430000115
中的某一个值。
反复进行平差及方差分量估计，直至不同电离层数据的单位权方差相等为止。
需要说明的是，在本文中，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 (10)

1.一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，对地基GNSS观测数据进行预处理，之后提取视线方向上的电离层斜延迟；
第二步，根据卫星星历和地基GNSS测站坐标获得穿刺点位置及对应的天顶距；
第三步，根据多源观测数据获得穿刺点位置及天顶距并提取多源电离层斜延迟；之后，根据电离层数据的类型，使用对应的电离层投影函数，将其转为电离层垂延迟；
第四步，使用单层“归一化”法对多源电离层数据进行“归一化”处理，使其与地基GNSS电离层数据具有相同的探测范围；
第五步，根据转换得到的各类型电离层斜延迟数据，结合获得的穿刺点位置信息，组建构建观测方程，并根据观测方程构建法方程；
第六步，使用赫尔默特方差分量估计法估计待估参数，并生成差分码偏差文件和全球电离层格网文件。
2.根据权利要求1所述的一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法，其特征在于：所述第一步数据预处理包括：使用TurboEdit方法对相位的周跳进行探测与修复；处理时，卫星截止高度角为10°。
3.根据权利要求1所述的一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法，其特征在于：所述第一步的电离层斜延迟观测值的获取方法包括：
a)对伪距及相位观测值分别组成无几何距离组合，得到下式：
Figure FDA0003317897420000011
式中，
Figure FDA0003317897420000012
和
Figure FDA0003317897420000013
分别表示伪距和相位的无几何距离组合观测值；DPBr和DPBs分别表示接收机和卫星的差分相位偏差；γi＝(f0/fi)2，其中f0＝10.23MHz；
Figure FDA0003317897420000014
和
Figure FDA0003317897420000015
分别表示频率i上的伪距和相位观测值；
Figure FDA0003317897420000016
表示接收机r到卫星s的几何距离；c表示电磁波在真空中的传播速度；dtr和dts分别表示接收机r和卫星s的钟差；Tro表示接收机r到卫星s观测路径上的对流层延迟；
Figure FDA0003317897420000017
表示接收机r到卫星s观测路径上的电离层延迟，单位：米；Br,i和
Figure FDA0003317897420000018
分别表示接收机和卫星在频率i上的伪距硬件延迟；br,i和
Figure FDA0003317897420000019
分别表示接收机和卫星在频率i上的相位硬件延迟；λi表示频率i的波长；
Figure FDA0003317897420000021
表示频率i上的相位观测值的整周模糊度；
Figure FDA0003317897420000022
表示第j颗卫星在频率i上的多路径效应；εP和ξΦ分别表示伪距和相位观测值的观测值噪声；
b)由于一个观测弧段未发生周跳，则该弧段内的各历元的模糊度值保持不变且DCB和DPB在一天内保持稳定，可当常数来估计；因此，在一个连续弧段内，相位无几何距离观测值与伪距无几何距离观测值之间的差值可以表示为：
Figure FDA0003317897420000023
将其代入相位无几何距离组合观测值中，则可得下式：
Figure FDA0003317897420000024
式中，T表示连续弧段的时间长度；<>表示取平均操作；于是，即为使用相位平滑伪距法提取的电离层延迟，单位：m。
4.根据权利要求1所述的一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法，其特征在于：所述第二步选取的观测数据采样率为30s；使用的电离层单层模型高度为450km。
5.根据权利要求1所述的一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法，其特征在于：所述第三步的多源电离层观测数据包括：掩星电离层数据、DORIS电离层数据、LEO星载GNSS接收机提供的顶部电离层数据、Jason-2 VTEC和地基多系统GNSS电离层数据。
6.根据权利要求1所述的一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法，其特征在于：所述第三步多源电离层观测数据的提取方法包括：
a)掩星电离层观测数据：由“ionPrf”产品所提供，该数据产品提供了卫星上部及下部电离层观测数据以获得电离层全路径的TEC值：
VTEC＝VTECbellow+VTECup
式中，VTECbellow表示COSMIC卫星下方的VTEC值；VTECup表示COSMIC卫星上方的VTEC值，可通过外推方式获得；
b)DORIS电离层观测数据：其计算步骤包括：
1)基于DORIS地基监测站位置和LEO卫星位置，计算DORIS观测数据的穿刺点位置和穿刺点处的天顶距，并使用地基GNSS构建的电离层TEC模型计算穿刺点处的VTEC值；
2)求解每个连续弧段内DORIS含有偏差STEC值与经GIM转换得到的STEC值的偏差均值；
3)将求得的弧段内平均偏差改正到对应弧段内，即可得到校正后的STEC值；
c)Jason2 VTEC根据星载测高仪Ku波段频率的伪距电离层延迟改正数来获取，具体公式如下：
Figure FDA0003317897420000031
式中，dRKu为Ku波段电离层距离改正数；fKu为Ku波段频率，单位为GHz；由于测高仪观测噪声较大，通常可使用15～25s的窗口并结合中值滤波法提取电离层数据，平滑后的电离层数据精度优于1TECU；
d)LEO顶部电离层观测数据及地基GNSS电离层观测数据，可使用相位平滑伪距法来提取。
7.根据权利要求6所述的一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法，其特征在于：所述第三步不同类型的电离层投影函数主要包括：
a)LEO顶部电离层投影函数，其可表示成如下所示：
Figure FDA0003317897420000032
式中，Rshell＝R+hshell表示等效厚层上边界与地心之间的距离，hshell为厚层上边界的高度；Rorbit表示LEO卫星的轨道高度，R＝6378.137km，为地球平均半径；z为星载GNSS接收机与GNSS卫星方向在星载GNSS接收机处的天顶角；
b)其他类型电离层观测数据使用的电离层投影函数，其可表示成如下所示：
Figure FDA0003317897420000033
式中，Hopt＝506.7；α＝0.9782，为投影函数调整系数；R＝6378.137km，为地球平均半径，H表示电离层单层模型的高度，通常取350～450km中的某一个固定值；z为地基GNSS接收机处的天顶距。
8.根据权利要求7所述的一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法，其特征在于：所述第四步所用单层“归一化”法具体如下：
a)使用NeQuick2模型分别计算不同探测范围内对应电离层穿刺点处的VTEC值，计算公式如下所示：
Figure FDA0003317897420000041
式中，H1和H2分别表示不同类型电离层数据对应的探测范围；h1和h2分别表示“归一化”后的探测范围；
Figure FDA0003317897420000042
表示使用NeQuick2模型对不同类型电离层数据在穿刺点处计算得到的VTEC值；
Figure FDA0003317897420000043
表示在穿刺点处由NeQuick2模型计算“归一化”后的VTEC值；∫Ne(s)ds表示在对应观测路径上的电子密度进行积分。
b)计算t时刻不同探测范围间的尺度因子，如下式所示：
Figure FDA0003317897420000044
c)将不同视线方向提取的STEC使用对应的投影函数转换成VTEC。假设地基GNSS接收机到GNSS卫星之间的观测数据可表示为STECGNSS，低轨(Low Earth Orbit，LEO)卫星提供的底部电离层数据可表示为STECLEO-BTM，LEO卫星提供的顶部电离层数据表示为STECLEO-UP，经投影转换可分别表示为VTECGNSS、VTECLEO-BTM和VTECLEO-UP；则具体转换公式如下所示：
Figure FDA0003317897420000045
式中，mf1和mf2分别表示地基电离层投影函数和星基电离层投影函数，对应MSLM投影函数和F&K投影函数；值得注意的是，由于LEO卫星轨道高度在hmF2之上，因此LEO卫星星载GNSS接收机观测数据的截止高度角应尽可能大以削弱投影误差；
d)根据计算得到的尺度因子，对不同类型的电离层数据进行“归一化”处理；通过“归一化”即可将对应观测路径上的电离层数据(VTECObs(t))转换为“归一化”后路径上的电离层数据VTECnomalized(t)，具体计算公式如下：
Figure FDA0003317897420000046
9.根据权利要求8所述的一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法，其特征在于：所述第五步所构法方程形式如下：
Figure FDA0003317897420000047
式中，下标GNSS表示地基GNSS电离层数据；下标Topside表示LEO星载GNSS接收机的顶部电离层数据；下标Altimeter表示Jason-2 VTEC；下标Occultation表示LEO掩星电离层数据；下标DORIS表示DORIS电离层数据；N表示不同类型电离层数据构成的法方程矩阵；B表示不同类型电离层数据的构造矩阵；P表示不同类型电离层数据对应的权。
10.根据权利要求9所述的一种融合多源电离层观测数据的高精度电离层建模方法，其特征在于：所述第六步赫尔默特方差分量估计法估计待估参数的具体步骤如下：
a)对不同类型的电离层数据进行验前权估计，确定不同类型电离层数据权的初值：P1，P2，……，Pn；
b)对所有观测值进行第一次平差，求得不同电离层数据的
Figure FDA0003317897420000051
c)按下式进行第一次方差分量估计：
Figure FDA0003317897420000052
获得不同类型电离层数据单位权方差的第一次估值
Figure FDA0003317897420000053
再依下式定权：
Figure FDA0003317897420000054
式中，c为任意常数，一般选
Figure FDA0003317897420000055
中的某一个值；
反复进行平差及方差分量估计，直至不同电离层数据的单位权方差相等为止。
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