CN115015981A - 一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法及系统 - Google Patents

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刘俊
谭理庆
唐帅
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Abstract

本发明公开了一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法及系统，获取GNSS观测数据与低轨卫星观测数据；采用球谐函数分别对GNSS观测数据与低轨卫星观测数据进行处理，获得第一GNSS电离层格网与第一低轨卫星电离层格网；对第一GNSS电离层格网的网格点与第一低轨卫星电离层格网的网格点进行拟合处理，获得拟合模型；采用球谐函数对低轨卫星观测数据进行处理，获得第二低轨卫星电离层格网；通过拟合模型，将第二低轨卫星电离层格网加密到第一GNSS电离层格网中，获得电离层格网模型。本发明的有益效果为构建处理精度更小，更新速度更高的电离层格网模型，能够达到PPP‑PTK定位技术中的精度以及更新速度的应用需求。

Description

一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法及系统
技术领域
本发明涉及电离层格网构建的技术领域，具体而言，涉及一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法及系统。
背景技术
电离层对人类航天、导航、通信等方面都会一定影响，在卫星导航定位领域，电离层是影响GNSS导航服务性能最棘手的误差源之一，为满足人类生产活动对导航定位快速性、高精度性、低成本性的日益增强的需求，不断推动着导航定位技术的迭代更新。目前PPP-RTK定位技术是导航定位领域的前沿热点研究方向之一，PPP-RTK技术通过播发GNSS精密轨道/钟差、电离层改正信息、对流层改正信息、相位硬件延迟(UPD)以及测距码硬件延迟(DCB)等信息，辅助用户快速实现模糊度固定解，获得高精度定位结果。电离层改正信息的精细化程度以及更新速率是PPP-RTK定位技术有效应用的至关重要条件。目前主要的全球电离层格网产品是通过解算地面GNSS跟踪站观测数据进行制作经度5°，纬度2.5°大小的电离层产品，其最快更新速度为24小时之内，精度更高的电离层格网产品更新速度是以周为单位，并且最快速的全球电离层格网产品都具有一天时间左右的延迟特性；但是在现有技术中对电离层格网划分的精度中，直接采用GNSS跟踪站观测的数据划分的网格精度中，无法实现在PPP-PTK定位技术中的精度以及更新速度的应用需求。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术采用GNSS观测数据构建的电离层格网，法实现在PPP-PTK定位技术中的精度以及更新速度的应用需求，目的在于提供一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法及系统，实现了对电离层格网更细的精度划分，能够满足在PPP-PTK定位技术中的精度以及更新速度的应用需求。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法，方法步骤包括：
获取GNSS观测数据与低轨卫星观测数据；
采用球谐函数分别对所述GNSS观测数据与所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第一GNSS电离层格网与第一低轨卫星电离层格网；
对所述第一GNSS电离层格网的网格点与所述第一低轨卫星电离层格网的网格点进行拟合处理，获得拟合模型；
采用球谐函数对所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第二低轨卫星电离层格网，且所述第二低轨卫星电离层格网的网格点精度小于所述第一低轨卫星电离层格网的网格点精度；
通过拟合模型，将所述第二低轨卫星电离层格网加密到所述第一GNSS电离层格网中，获得电离层格网模型。
传统的电离层格网构建的方法中，通常都是通过单一的GNSS观测数据，来制作不同精度的电离层格网模型，但是在采用这种方法对电离层格网模型构建的时候，制作的精度最小就在经度5°，纬度2.5°，无法实现更小精度的电离层格网模型的构建，从而无法实现PPP-PTK定位技术中的精度以及更新速度的应用需求；本发明提供了一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法，通过将采集到低轨卫星观测数据与GNSS观测数据相互结合的方式，构建处理精度更小，更新速度更高的电离层格网模型，能够达到PPP-PTK定位技术中的精度以及更新速度的应用需求。
优选地，所述采用球谐函数分别对所述GNSS观测数据与所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第一GNSS电离层格网与第一低轨卫星电离层格网具体为：
根据所述GNSS观测数据反演电离层穿刺点TEC值，通过15×15阶次球谐函数对所述GNSS观测数据进行处理，获得所述第一GNSS电离层格网；
根据所述低轨卫星观测数据反演电离层穿刺点TEC值，通过15×15阶次球谐函数对所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第一低轨卫星电离层格网。
优选地，所述拟合模型获得的具体方法包括：
将所述第一GNSS电离层格网各网格点的电子含量TEC值与所述第一低轨卫星电离层格网各网格点的电子含量TEC值做差值运算，并统计该残差结果；
根据所述第一GNSS电离层格网各网格点的参数以及所述第一低轨卫星电离层格网各网点的参数，将残差结果作为拟合结果项，采用高阶多项式进行拟合，获得拟合模型。
优选地，所述拟合模型中，拟合方程具体为：
RMS＝a1L+a2B+a3LB+a4L2+a5B2+a6L2B2+…
RMS为残差结果，L网格点精度，B网格点纬度，a为参数。
优选地，所述GNSS观测数据为GNSS的L频段载波数据以及GNSS的测距码数据。
优选地，所述低轨卫星观测数据为低轨卫星的L频段载波数据以及低轨卫星的测距码数据。
优选地，所述第一GNSS电离层格网与所述第一低轨卫星电离层格网划分的网格精度均为经度5°，纬度2.5°。
优选地，所述第二低轨卫星电离层格网网格点的精度为经度2.5°，纬度2.5°。
优选地，所述电离层格网模型获得的具体子步骤包括：
通过拟合模型，采用所述第二低轨卫星电离层格网划分的网格精度将所述第一GNSS电离层格网的精度划分为经度2.5°，纬度2.5°；
将划分后得到的网格点进行整合，获得电离层格网模型。
本发明还提供了一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建系统，系统包括数据获取模块、第一数据处理模块、拟合模块、第二数据处理模块以及加密模块；
所述数据获取模块，用于获取GNSS观测数据与低轨卫星观测数据；
所述第一数据处理模块，用于采用球谐函数分别对所述GNSS观测数据与所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第一GNSS电离层格网与第一低轨卫星电离层格网；
所述拟合模块，用于对所述第一GNSS电离层格网的网格点与所述第一低轨卫星电离层格网的网格点进行拟合处理，获得拟合模型；
所述第二数据处理模块，用于采用球谐函数对所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第二低轨卫星电离层格网，且所述第二低轨卫星电离层格网的网格点精度小于所述第一低轨卫星电离层格网的网格点精度；
所述加密模块，用于通过拟合模型，将所述第二低轨卫星电离层格网加密到所述第一GNSS电离层格网中，获得电离层格网模型。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明实施例提供的一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法及系统，通过将采集到低轨卫星观测数据与GNSS观测数据相互结合的方式，构建处理精度更小，更新速度更高的电离层格网模型，能够达到PPP-PTK定位技术中的精度以及更新速度的应用需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为方法流程示意图
图2为系统示意图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例一
本实施例公开了一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法，本实施例主要是通过同时获取低轨卫星的观测数据与GNSS观测数据，因为低轨卫星的观测数据可以更为直接的构建精度更小的电离层格网产品，本实施例是通过将低轨卫星划分的更细更小精度的电离层格网加密到GNSS观测数据建立的电离层格网模型中，能够获得更为精确的电离层格网模型，如图1所示，方法步骤包括：
S1：获取GNSS观测数据与低轨卫星观测数据；
在步骤S1中，主要是获取两种类型的观测数据，观测数据主要是指的各种类型数据对应的导航卫星，低轨卫星发射的测距信号，因此所述GNSS观测数据为GNSS的L频段载波数据以及GNSS的测距码数据；所述低轨卫星观测数据为低轨卫星的L频段载波数据以及低轨卫星的测距码数据，使用GNSS接收机，低轨卫星接收机实现长时间GNSS卫星，低轨卫星跟踪，并接受载波和测距码观测数据。
S2：采用球谐函数分别对所述GNSS观测数据与所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第一GNSS电离层格网与第一低轨卫星电离层格网；
所述采用球谐函数分别对所述GNSS观测数据与所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第一GNSS电离层格网与第一低轨卫星电离层格网具体为：
根据所述GNSS观测数据反演电离层穿刺点TEC值，通过15×15阶次球谐函数对所述GNSS观测数据进行处理，获得所述第一GNSS电离层格网；
根据所述低轨卫星观测数据反演电离层穿刺点TEC值，通过15×15阶次球谐函数对所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第一低轨卫星电离层格网。
所述第一GNSS电离层格网与所述第一低轨卫星电离层格网划分的网格精度均为经度5°，纬度2.5°。
在步骤S2，主要是通过球谐函数模型制作对应精度的电离层格网模型，在步骤S2中，构建的第一GNSS电离层格网与第一低轨卫星电离层格网的精度均为经度5°，纬度2.5°，即构建的精度是以单独GNSS观测数据构建的最小精度为准，来建立更小精度的电离层格网模型。
S3：对所述第一GNSS电离层格网的网格点与所述第一低轨卫星电离层格网的网格点进行拟合处理，获得拟合模型；
所述拟合模型获得的具体方法包括：
将所述第一GNSS电离层格网各网格点的电子含量TEC值与所述第一低轨卫星电离层格网各网格点的电子含量TEC值做差值运算，并统计该残差结果；
根据所述第一GNSS电离层格网各网格点的参数以及所述第一低轨卫星电离层格网各网点的参数，将残差结果作为拟合结果项，采用高阶多项式进行拟合，获得拟合模型。
所述拟合模型中，拟合方程具体为：
RMS＝a1L+a2B+a3LB+a4L2+a5B2+a6L2B2+…
RMS为残差结果，L网格点精度，B网格点纬度，a为参数。
通过拟合两种不同类型的电离层网格参数，构建拟合模型，能够对最终构建的电离层格网模型进行实时更新，同时能够提高构建的电离层格网模型的精度。
S4：采用球谐函数对所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第二低轨卫星电离层格网，且所述第二低轨卫星电离层格网的网格点精度小于所述第一低轨卫星电离层格网的网格点精度；利用低轨卫星观测数据反演电离层穿刺点TEC值，并采用15×15阶次球谐函数模型制作第二低轨卫星电离层格网，穿刺点是指，卫星发出的载波测距信号视为连续的射线，将电离层压缩为一个球面，射线经过球面时的交点为穿刺点。
本实施例中，构建的第二低轨卫星电离层格网网格点的精度为经度2.5°，纬度2.5°，但是只要构建的第二低轨卫星电离层格网的精度小于经度5°，纬度2.5°，不做具体限定。
S5：通过拟合模型，将所述第二低轨卫星电离层格网加密到所述第一GNSS电离层格网中，获得电离层格网模型。
所述电离层格网模型获得的具体子步骤包括：
通过拟合模型，采用所述第二低轨卫星电离层格网划分的网格精度将所述第一GNSS电离层格网的精度划分为经度2.5°，纬度2.5°；
将划分后得到的网格点进行整合，获得电离层格网模型。
利用多项式拟合模型将第二低轨卫星电离层格网(经度2.5°，纬度2.5°)归算到第一GNSS电离层格网(经度5°，纬度2.5°)上，实现对第一GNSS电离层格网进行加密。加密最终结果是指实现将第一GNSS电离层格网(经度5°，纬度2.5°)，利用第二低轨卫星电离层格网(经度2.5°，纬度2.5°)将第一GNSS电离层格网划分为(经度2.5°，纬度2.5°)，利用GNSS全球电离层格网划分规则，将格网加密点与远点进行整合形成新的GNSS全球电离层格网产品(经度2.5°，纬度2.5°)，从新实现GNSS全球电离层格网产品精细化以及快速更新效果。
本实施例公开的一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法，利用低轨卫星全球电离层观测数据建立精细化的、高更新速率的全球电离层格网产品，利用拟合模型可以将低轨卫星电离层产品归算到GNSS原有的电离层格网产品，实现GNSS原有电离层产品的精细化以及快速更新速率；能够满足PPP-RTK定位技术应用的需求，快速辅助实现定位中模糊的固定，提高定位精度与收敛时间；此方法弥补了地面站数量有限情况下，全球电离层格网产品制作手段的单一的缺陷。
实施例二
本实施例公开了一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建系统，本实施例是为了实现如实施例一中的构建方法，如图2所示，系统包括数据获取模块、第一数据处理模块、拟合模块、第二数据处理模块以及加密模块；
所述数据获取模块，用于获取GNSS观测数据与低轨卫星观测数据；
所述第一数据处理模块，用于采用球谐函数分别对所述GNSS观测数据与所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第一GNSS电离层格网与第一低轨卫星电离层格网；
所述拟合模块，用于对所述第一GNSS电离层格网的网格点与所述第一低轨卫星电离层格网的网格点进行拟合处理，获得拟合模型；
所述第二数据处理模块，用于采用球谐函数对所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第二低轨卫星电离层格网，且所述第二低轨卫星电离层格网的网格点精度小于所述第一低轨卫星电离层格网的网格点精度；
所述加密模块，用于通过拟合模型，将所述第二低轨卫星电离层格网加密到所述第一GNSS电离层格网中，获得电离层格网模型。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，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 (10)

1.一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法，其特征在于，方法步骤包括：
获取GNSS观测数据与低轨卫星观测数据；
采用球谐函数分别对所述GNSS观测数据与所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第一GNSS电离层格网与第一低轨卫星电离层格网；
对所述第一GNSS电离层格网的网格点与所述第一低轨卫星电离层格网的网格点进行拟合处理，获得拟合模型；
采用球谐函数对所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第二低轨卫星电离层格网，且所述第二低轨卫星电离层格网的网格点精度小于所述第一低轨卫星电离层格网的网格点精度；
通过拟合模型，将所述第二低轨卫星电离层格网加密到所述第一GNSS电离层格网中，获得电离层格网模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法，其特征在于，所述采用球谐函数分别对所述GNSS观测数据与所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第一GNSS电离层格网与第一低轨卫星电离层格网具体为：
根据所述GNSS观测数据反演电离层穿刺点TEC值，通过15×15阶次球谐函数对所述GNSS观测数据进行处理，获得所述第一GNSS电离层格网；
根据所述低轨卫星观测数据反演电离层穿刺点TEC值，通过15×15阶次球谐函数对所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第一低轨卫星电离层格网。
3.根据权利要求2所述的一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法，其特征在于，所述拟合模型获得的具体方法包括：
将所述第一GNSS电离层格网各网格点的电子含量TEC值与所述第一低轨卫星电离层格网各网格点的电子含量TEC值做差值运算，并统计该残差结果；
根据所述第一GNSS电离层格网各网格点的参数以及所述第一低轨卫星电离层格网各网点的参数，将残差结果作为拟合结果项，采用高阶多项式进行拟合，获得拟合模型。
4.根据权利要求3所述的一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法，其特征在于，所述拟合模型中，拟合方程具体为：
RMS＝a1L+a2B+a3LB+a4L2+a5B2+a6L2B2+…
RMS为残差结果，L网格点精度，B网格点纬度，a为参数。
5.根据权利要求1所述的一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法，其特征在于，所述GNSS观测数据为GNSS的L频段载波数据以及GNSS的测距码数据。
6.根据权利要求1所述的一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法，其特征在于，所述低轨卫星观测数据为低轨卫星的L频段载波数据以及低轨卫星的测距码数据。
7.根据权利要求1所述的一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法，其特征在于，所述第一GNSS电离层格网与所述第一低轨卫星电离层格网划分的网格精度均为经度5°，纬度2.5°。
8.根据权利要求7所述的一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法，其特征在于，所述第二低轨卫星电离层格网网格点的精度为经度2.5°，纬度2.5°。
9.根据权利要求8所述的一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建方法，其特征在于，所述电离层格网模型获得的具体子步骤包括：
通过拟合模型，采用所述第二低轨卫星电离层格网划分的网格精度将所述第一GNSS电离层格网的精度划分为经度2.5°，纬度2.5°；
将划分后得到的网格点进行整合，获得电离层格网模型。
10.一种基于低轨卫星星座的电离层格网模型构建系统，其特征在于，系统包括数据获取模块、第一数据处理模块、拟合模块、第二数据处理模块以及加密模块；
所述数据获取模块，用于获取GNSS观测数据与低轨卫星观测数据；
所述第一数据处理模块，用于采用球谐函数分别对所述GNSS观测数据与所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第一GNSS电离层格网与第一低轨卫星电离层格网；
所述拟合模块，用于对所述第一GNSS电离层格网的网格点与所述第一低轨卫星电离层格网的网格点进行拟合处理，获得拟合模型；
所述第二数据处理模块，用于采用球谐函数对所述低轨卫星观测数据进行处理，获得第二低轨卫星电离层格网，且所述第二低轨卫星电离层格网的网格点精度小于所述第一低轨卫星电离层格网的网格点精度；
所述加密模块，用于通过拟合模型，将所述第二低轨卫星电离层格网加密到所述第一GNSS电离层格网中，获得电离层格网模型。
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