CN115598675B - 利用北斗三频相位转化提取电离层延迟的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用北斗三频相位转化提取电离层延迟的方法及装置，所述方法包括获取北斗三频原始观测数据，包括相位观测值和伪距观测值；基于所述原始观测数据构建消电离层无几何相位伪距组合，确定宽巷模糊度的固定整数值；建立三频无几何相位观测方程，基于所述宽巷模糊度的固定整数值建立宽巷模糊度到三频基本频点模糊度的转换模型，并利用所述转换模型更新所述三频无几何相位观测方程；基于更新后的三频无几何相位观测方程建立卡尔曼滤波模型，利用所述卡尔曼滤波模型估计电离层延迟。本发明不要求提供精密轨道和钟差，实施条件简单便利；低精度伪距观测数据不参与最终电离层延迟估计，从而保障了高精度电离层延迟估计。

Description

利用北斗三频相位转化提取电离层延迟的方法及装置

技术领域

本发明涉及导航卫星系统电离层建模技术领域，尤其涉及一种利用北斗三频相位转化提取电离层延迟的方法及装置。

背景技术

分布在地球上空50-1000km的大气层，处于部分电离或者完全电离状态，称为地球电离层区域。电离层内存在大量电子和离子，将对无线电信号产生折射、反射、散射影响，从而改变无线电信号的传播速度。卫星导航信号穿过电离层时，导航信号会受到电离层延迟影响。电离层延迟与信号传播路径电子总量成正比，与载波相位频率二次方成反比。利用多频卫星导航信号可提取电离层延迟，用于全球和区域电子总量时空分布建模和理论分析。简便实用高精度的电离层延迟提取，是电离层建模的基础工作，在导航卫星系统(GNSS)定位增强和空间天气监测预报等领域具有重要意义。

利用GNSS观测数据，可完成电离层延迟提取，通常采用多历元伪距平滑相位，计算电离层延迟。虽然相位伪距平滑法计算简便，但获取的电离层延迟精度较低。已有研究利用宽巷相位和宽巷模糊度进行电离层延迟计算，由于宽巷相位乘以宽巷波长后观测噪声被大幅放大，导致宽巷相位计算的电离层延迟精度仍然较低。为了获取高精度电离层延迟量，当前主要利用非差非组合精密单点定位模型(PPP)估计电离层延迟。PPP模型可以精确估计电离层延迟。然而，PPP依赖于精密轨道和钟差。PPP估计法必须首先获得精密轨道和钟差，才能进行电离层延迟估计。

因此，为克服PPP估计法对精密轨道和钟差的依赖，本领域亟需提供一种简便实用的高精度电离层延迟提取方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用北斗三频相位转化提取电离层延迟的方法及装置，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种利用北斗三频相位转化提取电离层延迟的方法，所述方法包括：

获取北斗三频原始观测数据，包括相位观测值和伪距观测值；

基于所述原始观测数据构建消电离层无几何相位伪距组合，确定宽巷模糊度的固定整数值；

建立三频无几何相位观测方程，基于所述宽巷模糊度的固定整数值建立宽巷模糊度到基本频点模糊度的转换模型，并利用所述转换模型更新所述三频无几何相位观测方程；

基于更新后的三频无几何相位观测方程建立卡尔曼滤波模型，利用所述卡尔曼滤波模型估计电离层延迟。

优选的，所述消电离层无几何相位伪距组合为：

其中，m_i,j为相位组合系数，n_i,j为伪距组合系数，φ_j为相位观测值，p_j为伪距观测值，φ_6,i为组合相位，p_6,i为组合伪距，i为同类组合的序号，j为频点的序号。

优选的，所述宽巷模糊度的固定整数值的计算过程具体为：

根据所述消电离层无几何相位伪距组合，针对多历元连续观测数据计算宽巷模糊度的浮点值；将所述宽巷模糊度的浮点值进行平滑后得到宽巷模糊度的平滑值，将所述宽巷模糊度的平滑值取整后得到所述宽巷模糊度的固定整数值；

其中，宽巷模糊度的计算方法为：

式中，λ_6,i为相位组合波长，N_6,i为宽巷模糊度。

优选的，所述三频无几何相位观测方程为：

其中，iono₁为第1频点上的电离层延迟；ε₁和ε₂为组合噪声，f₁、f₂和f₃为北斗导航卫星系统三频点载波频率，λ₁、λ₂和λ₃为三频点波长，N₁为第1频点基本模糊度，N₂为第2频点基本模糊度，N₃为第3频点基本模糊度。

优选的，所述转换模型是基于两个所述宽巷模糊度的固定整数值，以第3频点基本模糊度为自变量，表达第1频点基本模糊度和第2频点基本模糊度；

所述转换模型具体为：

其中，N_6，1和N_6，2为两个不同的宽巷模糊度。

优选的，将所述转换模型代入至所述三频无几何相位观测方程中得到更新后的三频无几何相位观测方程为：

相应的，本发明还提供了一种利用北斗三频相位转化提取电离层延迟的装置，包括：

数据获取模块，用于获取北斗三频原始观测数据，包括相位观测值和伪距观测值；

宽巷模糊度计算模块，用于基于所述原始观测数据构建消电离层无几何相位伪距组合，计算得到宽巷模糊度的固定整数值；

建模处理模块，用于建立三频无几何相位观测方程，基于所述宽巷模糊度的固定整数值建立宽巷模糊度到基本频点模糊度的转换模型，并利用所述转换模型更新所述三频无几何相位观测方程；

电离层延迟估计模块，用于基于更新后的三频无几何相位观测方程建立卡尔曼滤波模型，利用所述卡尔曼滤波模型估计电离层延迟。

相应的，本发明还提供了一种利用北斗三频相位转化提取电离层延迟的设备，所述设备包括处理器和存储器，其中：所述存储器中存储有计算机指令；所述处理器执行所述计算机指令，以实现如上任一项所述的方法。

相应的，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行如上任一项所述的方法。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种利用北斗三频相位转化提取电离层延迟的方法及装置，本发明仅使用北斗三频相位和伪距观测数据，不要求提供精密轨道和钟差，实施条件简单便利。本发明在电离层延迟的观测方程和估计模型中，未使用低精度伪距观测数据。本发明使用组合精度更高的三频无几何相位进行电离层延迟估计，组建了三频无几何相位观测方程，保证了电离层延迟估计精度。本发明建立了宽巷模糊度到基本频点模糊度的转换模型，将宽巷模糊度转换模型应用于三频无几何相位观测方程中，充分利用了已知宽巷模糊度的条件，压缩了北斗三频无几何相位观测方程未知模糊度参数个数，保证了高精度电离层延迟估计的可行性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的利用北斗三频相位转化提取电离层延迟的方法的流程示意图。

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，以下结合附图，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方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种利用北斗三频相位转化提取电离层延迟的方法，所述方法包括：

S101，获取北斗三频原始观测数据。

北斗导航卫星系统在B1/B2/B3频点的载波频率为f_j(j为频点的序号，j＝1,2,3)。波长为λ_j＝c/f_j，c为光速，相位观测值为φ_j，整周模糊度为N_j，伪距观测值为p_j。

S102，基于所述原始观测数据构建消电离层无几何相位伪距组合，确定宽巷模糊度的固定整数值。

对不同频点的相位进行组合，可得到以周为单位的组合相位φ_c,i和以米为单位的组合相位L_c,i，下标c代表组合类型，i代表同类组合的序号。同样的，不同频点的伪距进行组合，可得到组合伪距p_c,i。在多频观测组合中，对于具有消电离层无几何特性的相位伪距组合，设定代表其组合类型的下标值为6；对于具有无几何特性的相位组合，设定代表其组合类型的下标值为4。利用北斗三频相位和伪距，可形成消电离层无几何相位伪距组合：

其中，m_i,j为相位组合系数，n_i,j为伪距组合系数。根据三频相位组合系数和三频相位组合公式，其组合模糊度可表示为：

对于具有消电离层无几何特性的相位伪距组合，其相位组合系数见表1，其伪距组合系数见表2。N_6,i为相位组合的模糊度，即宽巷模糊度。

表1北斗三频消电离层无几何组合中宽巷相位组合

表2北斗三频消电离层无几何组合中的伪距组合

表1中，m_i,j为相位组合系数，根据该相位组合系数，还可计算得到下列参数：λ_6,i为相位组合波长，

为宽巷模糊度计算中误差。

表2中，n_i,j为伪距组合系数，根据该伪距组合系数，还可计算得到下列参数：ISF_6,i为相位伪距组合相对B1频点以周为单位的电离层延迟放大系数。

利用消电离层无几何相位伪距组合(2.1)并基于宽巷模糊度(2.2)式，求解宽巷模糊度：

根据表1和表2提供的北斗三频消电离层无几何相位伪距组合系数，利用(2.3)式可计算得到宽巷模糊度浮点解；对多历元连续观测数据计算得到的宽巷模糊度浮点解进行平滑，得到宽巷模糊度平滑值；将宽巷模糊度平滑值取整，得到宽巷模糊度固定整数值(N_6，1和N_6，2)。

S103，建立三频无几何相位观测方程，基于所述宽巷模糊度的固定整数值建立宽巷模糊度到基本频点模糊度的转换模型，并利用所述转换模型更新所述三频无几何相位观测方程。

现有北斗三频相位可组成2个三频无几何相位：

对于2个三频无几何相位组合(2.4)，可建立三频无几何相位观测方程：

其中，iono₁为B1频点上的电离层延迟，单位为米；ε₁和ε₂为组合噪声，N₁为B1频点基本模糊度，N₂为B2频点基本模糊度，N₃为B3频点基本模糊度。

由于北斗三频无几何相位观测方程(2.5)存在3个基本模糊度和1个电离层延迟待估参数，无法直接估计电离层延迟。本实施例为此建立了建立宽巷模糊度到基本频点模糊度的转换模型，所述转换模型是基于2个所述宽巷模糊度的固定整数值(N_6，1和N_6，2)，以B3频点基本模糊度为自变量，表达B1频点基本模糊度和B2频点基本模糊度。

所述转换模型具体为：

将(2.6)式代入(2.5)式，更新三频无几何相位观测方程为：

本实施例利用宽巷模糊度转换模型，将2个三频无几何相位中的待估参数从4个压缩为2个，未知参数仅包括B1频点电离层延迟iono₁和B3频点基本模糊度N₃，从而保证了仅利用相位进行高精度电离层延迟估计的可行性。

S104，基于更新后的三频无几何相位观测方程建立卡尔曼滤波模型，利用所述卡尔曼滤波模型估计电离层延迟。

对于t_k时刻的状态向量X_k和观测向量Z_k，卡尔曼滤波的状态方程和观测方程为：

其中，Φ_k为状态转移矩阵，W_k为状态噪声，H_k为观测设计矩阵，V_k为观测噪声。

在卡尔曼滤波估计电离层延迟模型(2.8)中，状态方程和状态参数具体设置如下：根据式(2.7)中的未知参数，得到卡尔曼滤波模型(2.8)中滤波方程的状态向量为B1频点电离层延迟iono₁和B3频点基本模糊度N₃。B3频点基本模糊度N₃为时不变常数。B1频点电离层延迟iono₁为时变参数，其状态噪声中误差为0.0001m/s。根据上述状态参数的特性，建立状态转移矩阵Φ_k，设置状态噪声协方差矩阵。

在卡尔曼滤波估计电离层延迟模型(2.8)中，观测方程和噪声矩阵具体设置如下：根据式(2.7)建立观测方程，滤波观测值为2个北斗三频无几何组合相位。根据北斗三频无几何相位的组合中误差，设置观测噪声协方差矩阵。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明提供了一种利用北斗三频相位转化提取电离层延迟的方法及装置，本发明仅使用北斗三频相位和伪距观测数据，不要求提供精密轨道和钟差，实施条件简单便利。本发明的电离层延迟观测方程和估计模型中，未使用低精度伪距观测值。本发明使用组合精度更高的三频无几何相位进行电离层延迟估计，组建了三频无几何相位观测方程，保证了电离层延迟估计精度。本发明建立了宽巷模糊度到基本频点模糊度的转换模型，将宽巷模糊度转换模型应用于三频无几何相位观测方程中，充分利用了宽巷模糊度已知的条件，压缩了北斗三频无几何相位观测方程未知模糊度参数个数，保证了高精度电离层延迟估计的可行性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种利用北斗三频相位转化提取电离层延迟的方法，其特征在于，所述方法包括：

获取北斗三频原始观测数据，包括相位观测值和伪距观测值；

基于所述原始观测数据构建消电离层无几何相位伪距组合，确定宽巷模糊度的固定整数值；

建立三频无几何相位观测方程，基于所述宽巷模糊度的固定整数值建立宽巷模糊度到基本频点模糊度的转换模型，并利用所述转换模型更新所述三频无几何相位观测方程；

基于更新后的三频无几何相位观测方程建立卡尔曼滤波模型，利用所述卡尔曼滤波模型估计电离层延迟；

所述消电离层无几何相位伪距组合为：

其中，m_i,j为相位组合系数，n_i,j为伪距组合系数，φ_j为相位观测值，p_j为伪距观测值，φ_6,i为组合相位，p_6,i为组合伪距，i为同类组合的序号，j为频点的序号；

所述宽巷模糊度的固定整数值的计算过程具体为：

根据所述消电离层无几何相位伪距组合，针对多历元连续观测数据计算宽巷模糊度的浮点值；将所述宽巷模糊度的浮点值进行平滑后得到宽巷模糊度的平滑值，将所述宽巷模糊度的平滑值取整后得到所述宽巷模糊度的固定整数值；

其中，宽巷模糊度的计算方法为：

式中，λ_6,i为相位组合波长，N_6,i为宽巷模糊度；

所述三频无几何相位观测方程为：

其中，iono₁为第1频点上的电离层延迟；ε₁和ε₂为组合噪声，f₁、f₂和f₃为北斗系统三频点载波频率，λ₁、λ₂和λ₃为三频点波长，N₁为第1频点基本模糊度，N₂为第2频点基本模糊度，N₃为第3频点基本模糊度；

所述转换模型是基于两个所述宽巷模糊度的固定整数值，以第3频点基本模糊度为自变量，表达第1频点基本模糊度和第2频点基本模糊度；

所述转换模型具体为：

其中，N_6，1和N_6，2为两个不同的宽巷模糊度；

将所述转换模型代入至所述三频无几何相位观测方程中得到更新后的三频无几何相位观测方程为：

2.一种利用北斗三频相位转化提取电离层延迟的装置，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取北斗三频原始观测数据，包括相位观测值和伪距观测值；

宽巷模糊度计算模块，用于基于所述原始观测数据构建消电离层无几何相位伪距组合，计算得到宽巷模糊度的固定整数值；

建模处理模块，用于建立三频无几何相位观测方程，基于所述宽巷模糊度的固定整数值建立宽巷模糊度到基本频点模糊度的转换模型，并利用所述转换模型更新所述三频无几何相位观测方程；

电离层延迟估计模块，用于基于更新后的三频无几何相位观测方程建立卡尔曼滤波模型，利用所述卡尔曼滤波模型估计电离层延迟；

所述消电离层无几何相位伪距组合为：

其中，m_i,j为相位组合系数，n_i,j为伪距组合系数，φ_j为相位观测值，p_j为伪距观测值，φ_6,i为组合相位，p_6,i为组合伪距，i为同类组合的序号，j为频点的序号；

所述宽巷模糊度的固定整数值的计算过程具体为：

根据所述消电离层无几何相位伪距组合，针对多历元连续观测数据计算宽巷模糊度的浮点值；将所述宽巷模糊度的浮点值进行平滑后得到宽巷模糊度的平滑值，将所述宽巷模糊度的平滑值取整后得到所述宽巷模糊度的固定整数值；

其中，宽巷模糊度的计算方法为：

式中，λ_6,i为相位组合波长，N_6,i为宽巷模糊度；

所述三频无几何相位观测方程为：

其中，iono₁为第1频点上的电离层延迟；ε₁和ε₂为组合噪声，f₁、f₂和f₃为北斗系统三频点载波频率，λ₁、λ₂和λ₃为三频点波长，N₁为第1频点基本模糊度，N₂为第2频点基本模糊度，N₃为第3频点基本模糊度；

所述转换模型是基于两个所述宽巷模糊度的固定整数值，以第3频点基本模糊度为自变量，表达第1频点基本模糊度和第2频点基本模糊度；

所述转换模型具体为：

其中，N_6，1和N_6，2为两个不同的宽巷模糊度；

将所述转换模型代入至所述三频无几何相位观测方程中得到更新后的三频无几何相位观测方程为：

3.一种利用北斗三频相位转化提取电离层延迟的设备，其特征在于，所述设备包括处理器和存储器，其中：所述存储器中存储有计算机指令；所述处理器执行所述计算机指令，以实现如权利要求1中所述的方法。

4.一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存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1所述的方法。

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