CN115639579B - 多源电离层观测数据构建二维垂直电子总量模型方法 - Google Patents

多源电离层观测数据构建二维垂直电子总量模型方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多源电离层观测数据构建二维垂直电子总量模型方法，包括以下步骤：解算低轨卫星DCB参数及低轨卫星天顶垂直电子总量；积分获得掩星廓线垂直电子总量；匹配低轨卫星天顶垂直电子总量及掩星廓线垂直电子总量；利用球谐函数数据融合构造二维垂直电子总量融合模型。本发明有益效果：引入星载电离层观测数据改善海洋区域电离层观测缺失问题，通过多源GNSS电离层观测数据构建高精度二维垂直电子总量模型。

Description

多源电离层观测数据构建二维垂直电子总量模型方法
技术领域
本发明属于电离层模型技术领域，尤其是涉及一种多源电离层观测数据构建二维垂直电子总量模型方法。
背景技术
复杂的大气层及电离层构成的空间环境是无线电通讯影响的重要因素。特别地，海上空间环境由于观测数据较少，实时准确的电离层环境对于航空航海信息通讯、灾情援助等具有重大意义。星载全球卫星导航系统（GNSS）观测数据具有全天候、全球覆盖、高垂直分辨率等特点，现有技术中存在以下问题：地基GNSS电离层观测海洋区域观测数据缺失致使垂直电子总量模型在海洋区域精度偏低甚至建模异常的问题。本申请可结合地基GNSS电离层观测，应用于地球电离层建模改进现有电离层经验模型，构建高精度二维垂直电子总量融合模型。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种多源电离层观测数据构建二维垂直电子总量模型方法，以解决地基GNSS电离层观测海洋区域观测数据缺失致使垂直电子总量模型在海洋区域精度偏低甚至建模异常的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种多源电离层观测数据构建二维垂直电子总量模型方法，包括以下步骤：
S1、解算低轨卫星DCB参数及低轨卫星天顶垂直电子总量；
S2、积分获得掩星廓线垂直电子总量；
S3、匹配低轨卫星天顶垂直电子总量及掩星廓线垂直电子总量；
S4、利用球谐函数数据融合构造二维垂直电子总量融合模型。
进一步的，在步骤S1中的解算低轨卫星DCB参数及低轨卫星天顶垂直电子总量包括以下步骤：
S11、基于地基垂直电子总量产品解算获得低轨卫星DCB参数及掩星观测数据数据；
S12、假定低轨卫星天顶电离层电子集中在等离子体层穿刺点
Figure 422894DEST_PATH_IMAGE001
；
S13、利用电离层单层球壳映射解算低轨卫星DCB参数及低轨卫星天顶垂直电子总量；
S14、将低轨卫星天顶垂直电子总量记为
Figure 995826DEST_PATH_IMAGE002
。
进一步的，在步骤S2中的积分获得掩星廓线垂直电子总量包括以下步骤：
S21、对掩星廓线沿切点曲线高度进行，得到掩星廓线上的电子总量；
S22、假定掩星廓线的电子集中在掩星廓线电子密度最大位置，则积分获得电子总 量为峰值密度位置
Figure 168706DEST_PATH_IMAGE003
处的垂直电子总量；
S23、将峰值密度位置
Figure 704861DEST_PATH_IMAGE003
处的垂直电子总量记为
Figure 175025DEST_PATH_IMAGE004
。
进一步的，在步骤S3中的匹配低轨卫星天顶垂直电子总量及掩星廓线垂直电子总 量中，将低轨卫星天顶垂直电子总量与掩星廓线垂直电子总量的匹配范围设为：等离子体 层穿刺点
Figure 653280DEST_PATH_IMAGE005
与峰值密度位置
Figure 841685DEST_PATH_IMAGE006
水平距离：500km以内；低轨卫星天顶垂直 电子总量及掩星廓线垂直电子总量时间间隔：1h以内。
进一步的，在步骤S4中的利用球谐函数数据融合构造二维垂直电子总量融合模型，包括以下步骤：
S41、二维垂直电子总量的垂直电子总量假定包括电离层穿刺点
Figure 447110DEST_PATH_IMAGE007
处地面 到GNSS卫星的电离层电子数；记为
Figure 774710DEST_PATH_IMAGE008
；
S42、低轨卫星天顶垂直电子总量包括低轨卫星轨道高度到GNSS卫星高度范围的电子数，掩星廓线垂直电子总量包括地面到低轨卫星轨道高度电子数；
S43、将低轨卫星天顶垂直电子总量及掩星廓线垂直电子总量进行融合；
融合观测方程如下：
Figure 423866DEST_PATH_IMAGE009
(1)
其中，
Figure 833988DEST_PATH_IMAGE010
为球谐函数阶数，
Figure 977525DEST_PATH_IMAGE011
为归一化后的连带勒让德系数，
Figure 156702DEST_PATH_IMAGE012
分别为球谐建模中的经纬度参数，
Figure 510847DEST_PATH_IMAGE013
及
Figure 158998DEST_PATH_IMAGE014
为待估参数，
Figure 89913DEST_PATH_IMAGE015
为低轨卫星天顶垂直电子总量，
Figure 389177DEST_PATH_IMAGE016
为峰值密度位置处的垂直电子总量，
Figure 380135DEST_PATH_IMAGE017
为电离层穿刺点
Figure 781161DEST_PATH_IMAGE018
处地面到GNSS卫星的电离层电子数，n为带球谐阶数，m为田球谐阶数；
对于地基垂直电子总量数据
Figure 241399DEST_PATH_IMAGE019
；对于低轨卫星数据
Figure 660748DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 88187DEST_PATH_IMAGE021
；
其中，
Figure 445350DEST_PATH_IMAGE002
为低轨卫星天顶垂直电子总量，
Figure 249227DEST_PATH_IMAGE022
为等离子体 层穿刺点，
Figure 260433DEST_PATH_IMAGE016
为峰值密度位置处的垂直电子总量，
Figure 609506DEST_PATH_IMAGE023
为峰值密度位 置，
Figure 703233DEST_PATH_IMAGE024
分别为球谐建模中的经纬度参数。
相对于现有技术，本发明所述的多源电离层观测数据构建二维垂直电子总量模型方法具有以下优势：
本发明所述的多源电离层观测数据构建二维垂直电子总量模型方法，引入星载电离层观测数据改善海洋区域电离层观测缺失问题，通过多源GNSS电离层观测数据构建高精度二维垂直电子总量模型。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的整体方法技术路线示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，多源电离层观测数据构建二维垂直电子总量模型方法，包括以下步骤：
电离层垂直电子总量融合的数据可以采用电离层单层球壳映射解的垂直电子总量产品、来自低轨卫星电离层的掩星数据产品“电子密度廓线”及其天顶斜电子总量观测数据产品“pod电子总量”。具体过程如下：
a）解算低轨卫星DCB参数及天顶垂直电子总量
基于地基垂直电子总量产品解算获得GNSS卫星DCB参数及掩星观测数据数据，假 定低轨卫星天顶电离层电子集中在等离子体层穿刺点
Figure 45221DEST_PATH_IMAGE025
，利用“电离层单层球壳 映射”解算低轨卫星DCB参数及天顶垂直电子总量，记为
Figure 908004DEST_PATH_IMAGE002
。
b）积分获得掩星廓线垂直电子总量
低轨掩星卫星电离层的掩星数据产品“电子密度廓线”是一个掩星事件中GNSS/掩 星连线切点路径上的电子密度序列。沿切点曲线高度进行，可以得到该路径上的电子总量。 假定密度曲线的电子主要集中在该廓线电子密度最大位置，则积分获得电子总量可以认为 是峰值密度位置
Figure 427978DEST_PATH_IMAGE026
处的垂直电子总量，记为
Figure 11931DEST_PATH_IMAGE004
。
c）匹配低轨卫星天顶垂直电子总量及掩星廓线垂直电子总量
电离层天顶垂直电子总量与掩星廓线垂直电子总量的匹配范围可以设为：等离子 体层穿刺点
Figure 157610DEST_PATH_IMAGE005
与峰值密度位置
Figure 609320DEST_PATH_IMAGE023
水平距离：500km以内；天顶垂直电子总 量及掩星廓线垂直电子总量时间间隔：1h以内。
d）利用球谐函数数据融合构造二维垂直电子总量融合模型
二维垂直电子总量的垂直电子总量假定包含了电离层穿刺点
Figure 300195DEST_PATH_IMAGE027
处地面到 GNSS卫星的电离层电子数，记为
Figure 368514DEST_PATH_IMAGE008
。低轨卫星天顶垂直电子总量包含的是低 轨卫星轨道高度到GNSS卫星高度范围的电子数，掩星廓线垂直电子总量则包含了地面到低 轨卫星轨道高度电子数。将低轨卫星天顶垂直电子总量及掩星廓线垂直电子总量进行组合 可以解决他们的电离层探测高度与地基GNSS电离层垂直电子总量探测高度范围不一致问 题，进而改善原地基二维垂直电子总量海洋数据缺失问题，提高二维垂直电子总量的建模 精度。
融合观测方程如下：
Figure 55235DEST_PATH_IMAGE028
(1)
其中，
Figure 892610DEST_PATH_IMAGE010
为球谐函数阶数，
Figure 488808DEST_PATH_IMAGE029
为归一化后的连带勒让德系数，
Figure 44423DEST_PATH_IMAGE024
分别为球谐建模中的经纬度参数，
Figure 266325DEST_PATH_IMAGE013
及
Figure 504014DEST_PATH_IMAGE014
为待估参数，
Figure 271113DEST_PATH_IMAGE002
为低轨卫星天顶垂直电子总量，
Figure 314024DEST_PATH_IMAGE016
为峰值密度位置处的垂直电子总量，
Figure 605197DEST_PATH_IMAGE030
为电离层穿刺点
Figure 902317DEST_PATH_IMAGE027
处地面到GNSS卫星的电离层电子数，n为带球谐阶数，m为田球谐阶数。
对于地基垂直电子总量数据
Figure 355164DEST_PATH_IMAGE031
；对于低轨卫星数据
Figure 622722DEST_PATH_IMAGE032
；
Figure 452006DEST_PATH_IMAGE021
；
其中，
Figure 869212DEST_PATH_IMAGE002
为低轨卫星天顶垂直电子总量，
Figure 492961DEST_PATH_IMAGE022
为等离子体 层穿刺点，
Figure 244885DEST_PATH_IMAGE016
为峰值密度位置处的垂直电子总量，
Figure 880790DEST_PATH_IMAGE023
为峰值密度位 置，
Figure 152502DEST_PATH_IMAGE024
分别为球谐建模中的经纬度参数。
本发明的优势：引入星载电离层观测数据改善海洋区域电离层观测缺失问题，通过多源GNSS电离层观测数据构建高精度二维垂直电子总量模型。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.多源电离层观测数据构建二维垂直电子总量模型方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、解算低轨卫星DCB参数及低轨卫星天顶垂直电子总量；
S2、积分获得掩星廓线垂直电子总量；
S3、匹配低轨卫星天顶垂直电子总量及掩星廓线垂直电子总量；
S4、利用球谐函数数据融合构造二维垂直电子总量融合模型；
在步骤S1中的解算低轨卫星DCB参数及低轨卫星天顶垂直电子总量包括以下步骤：
S11、基于地基垂直电子总量产品解算获得低轨卫星DCB参数及掩星观测数据数据；
S12、假定低轨卫星天顶电离层电子集中在等离子体层穿刺点(λppp，φppp)；
S13、利用电离层单层球壳映射解算低轨卫星DCB参数及低轨卫星天顶垂直电子总量；
S14、将低轨卫星天顶垂直电子总量记为vTECtop(λppp，φppp)；
在步骤S2中的积分获得掩星廓线垂直电子总量包括以下步骤：
S21、对掩星廓线沿切点曲线高度进行，得到掩星廓线上的电子总量；
S22、假定掩星廓线的电子集中在掩星廓线电子密度最大位置，则积分获得电子总量为峰值密度位置(λocc，φocc)处的垂直电子总量；
S23、将峰值密度位置(λocc，φocc)处的垂直电子总量记为vTECocc(λocc，φocc)；
在步骤S3中的匹配低轨卫星天顶垂直电子总量及掩星廓线垂直电子总量中，将低轨卫星天顶垂直电子总量与掩星廓线垂直电子总量的匹配范围设为：等离子体层穿刺点(λppp，φppp)与峰值密度位置(λocc，φocc)水平距离：500km以内；低轨卫星天顶垂直电子总量及掩星廓线垂直电子总量时间间隔：1h以内；
在步骤S4中的利用球谐函数数据融合构造二维垂直电子总量融合模型，包括以下步骤：
S41、二维垂直电子总量的垂直电子总量假定包括电离层穿刺点(λipp，φipp)处地面到GNSS卫星的电离层电子数；记为vTECGIM(λipp，φipp)；
S42、低轨卫星天顶垂直电子总量包括低轨卫星轨道高度到GNSS卫星高度范围的电子数，掩星廓线垂直电子总量包括地面到低轨卫星轨道高度电子数；
S43、将低轨卫星天顶垂直电子总量及掩星廓线垂直电子总量进行融合；
融合观测方程如下：
Figure FDA0004058190690000021
其中，Nmax为球谐函数阶数，
Figure FDA0004058190690000022
为归一化后的连带勒让德系数，φ，λ分别为球谐建模中的经纬度参数，Cn，m及Cn，m为待估参数，vTECtop(λppp，φppp)为低轨卫星天顶垂直电子总量，vTECocc(λocc，φocc)为峰值密度位置处的垂直电子总量，vTECGIM(λipp，φipp)为电离层穿刺点(λipp，φipp)处地面到GNSS卫星的电离层电子数，n为带球谐阶数，m为田球谐阶数；
对于地基垂直电子总量数据(λ，φ)＝(λipp，φipp)；对于低轨卫星数据
Figure FDA0004058190690000031
Figure FDA0004058190690000032
其中，vTECtop(λppp，φppp)为低轨卫星天顶垂直电子总量，(λppp，φppp)为等离子体层穿刺点，vTECocc(λocc，φocc)为峰值密度位置处的垂直电子总量，(λocc，φocc)为峰值密度位置，φ，λ分别为球谐建模中的经纬度参数。
2.一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，其特征在于：所述处理器用于执行上述权利要求1所述的多源电离层观测数据构建二维垂直电子总量模型方法。
3.一种服务器，其特征在于：包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如权利要求1所述的多源电离层观测数据构建二维垂直电子总量模型方法。
4.一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述的多源电离层观测数据构建二维垂直电子总量模型方法。
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