CN116736353B - 一种全球-区域-局域多尺度的电离层精细化建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全球‑区域‑局域多尺度的电离层精细化建模方法，属于卫星定位大气领域，根据北斗监测站骨干网构建全球电离层模型时，结合区域监测站加密网，通过全球电离层改正和精度先验信息，建立区域尺度电离层模型，进一步进行电离层局域分区处理，在保障电离层参数一致性和连续性的前提下，构造单星非差局域电离层改正模型，从而满足用户不同尺度下电离层延迟改正需求。本发明保证在不同范围作业下对多尺度电离层延迟的精细改正，扩展了传统电离层模型的适用范围。
Description
技术领域
本发明属于卫星定位大气领域，具体涉及一种全球-区域-局域多尺度的电离层精细化建模方法。
背景技术
电离层是空间大气环境的重要组成部分，其变化不断影响着人类的生产和生活活动。全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）发射的信号穿越电离层时，电离层异常效应将引起卫星通信与导航信号的深度衰落，产生几米到几十米的误差，会严重制约北斗精准定位的载波相位模糊度固定并影响其收敛时间，进而影响终端定位用户服务的连续性和可用性。
电离层精细化监测处理是实现超高精度、超快固定北斗精准定位服务的核心。构建电离层精细化模型可为导航定位用户提供电离层延迟改正，加快导航定位收敛速度，实现对空间天气的精准监测。通过顾及全局-区域-局域等不同尺度空间状态域参数的时变特征与稳定特点，对于进一步提高电离层模型的准确性，具有巨大的现实意义。因此，有必要开展电离层梯度与闪烁效应的精细化建模。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种全球-区域-局域多尺度的电离层精细化建模方法，将全域北斗基准站进行分类，筛选出分布合理且稳定性好的基准站组成骨干网，其目的是用于精确估计全球电离层参数，然后按照定位区域和范围，充分利用区域北斗基站等组成分区加密网，分级分区计算多尺度的高精度大气参数。本发明基于全球“骨干网”及部分区域“加密网”北斗基准站的固定解电离层观测，辅以背景场电离层提供的先验信息，利用球谐函数实现全球电离层改正信息的实时精准建模，综合基准站覆盖区域及无观测区域建模精度情况，精化处理保障全球电离层改正及精度信息的精确一致，实现空间电离层建模由全球范围向区域尺度的不断趋近。
本发明实现其目的所采取的技术方案是：
一种全球-区域-局域多尺度的电离层精细化建模方法，包括如下步骤：
步骤（1）全球电离层模型采用GNSS双频伪距和载波相位观测值计算电离层总电子含量；
步骤（2）仅考虑电离层延迟的一阶项，计算电离层延迟误差；
步骤（3）将倾斜总电子含量STEC转换为垂直方向上的总电子含量VTEC；
步骤（4）选取低阶球谐函数模型，对垂直方向上的总电子含量VTEC进行建模；
步骤（5）引入全球实时电离层改正及精度先验信息，通过虚拟参考星进行约束，结合背景场电离层模型信息，构建电离层残差序列，采用滑动窗口的方法初始化基准估计，进行电离层观测基准统一；
步骤（6）以调整球谐函数为核心，对区域快速电离层进行精化，建立区域尺度下的电离层趋势项模型；
步骤（7）基于步骤（6）中的电离层趋势项模型，构建附加先验电离层约束的区域改正模型并进行迭代处理，进一步准确建立区域快速电离层精度模型；
步骤（8）利用步骤（7）中的区域快速电离层精度模型对区域尺度电离层进行处理，为局域尺度电离层建模提供实时改正及精度信息，结合区域尺度的改正信息，精细处理单星电离层趋势项与随机项，构建残差序列，对残差距离间隔进行划分，计算残差项半方差；
步骤（9）筛选变异函数进行拟合，实现单星精度指标模型的准确构建。
进一步地，上述步骤（1）中，采用GNSS定位的观测方程表达式如下：
，
，
式中，P为GNSS伪距观测值；L为GNSS相位观测值；表示卫星，/>表示接收机；/>为卫星和接收机之间的真实几何距离；/>为电离层延迟误差；/>为对流层延迟误差；为接收机钟差；/>为卫星钟差；d为卫星和接收机的差分码偏差；k为频率；b为卫星和接收机的相位超前；N为整周模糊度；ε为随机误差；/>为穿刺点的日固经度，/>为穿刺点的地理经度，/>为太阳的地磁经度。
进一步地，所述步骤（2）中的电离层延迟误差表示为：
，
式中，f为卫星载波频率；STEC为沿卫星信号路径上的倾斜总电子含量。
进一步地，所述步骤（3）中，垂直方向上的总电子含量VTEC为：
，
式中，z为卫星的高度角；R为地球的半径；H为电离层薄层高度，即电子密度峰值所在的高度，α为0.9782；为经过相位平滑处理得到的伪距差分观测量，/>和/>为卫星和接收机差分码偏差；c表示光速，/>，/>表示卫星载波频率。
进一步地，所述步骤（4）中的低阶球谐函数模型为：
，
式中，为球谐函数展开式的最高阶数，/>为n阶m次归一化缔合勒让德函数，Φ为电离层穿刺点的地理纬度或者地磁纬度，/>为穿刺点的日固经度，/>为穿刺点的地理经度，/>为太阳的地磁经度，/>和/>为待估的球谐系数。
进一步地，所述步骤（6）中，利用球冠半角确定覆盖范围，利用球冠极点确定投影变换，利用球冠阶次确定分辨率。
有益效果：
本发明针对电离层建模方法中已有的基准不统一、处理不便捷、精度不自洽等突出问题，提出了一种全球-区域-局域多尺度的电离层精细化建模方法，该方法可以保证在不同范围作业下对多尺度电离层延迟的精细改正，该技术扩展了传统电离层模型的适用范围。
附图说明
图1为本发明的一种全球-区域-局域多多尺度的电离层精细化建模方法流程示意图。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明在根据北斗监测站骨干网基准站构建全球电离层模型时，结合区域监测站加密网基准站，通过全球电离层改正和精度先验信息，建立区域尺度的电离层模型，进一步进行电离层局域分区处理，构造单星非差局域电离层改正模型，从而满足用户多尺度的电离层延迟改正需求。
如图1所示，本发明的一种全球-区域-局域多尺度的电离层精细化建模方法具体包括如下步骤：
步骤（1）全球电离层模型采用GNSS双频伪距和载波相位观测值计算电离层总电子含量（total electron content，TEC），其采用GNSS定位的观测方程表达式如下：
，
，
式中，P为GNSS伪距观测值；L为GNSS相位观测值；表示卫星，/>表示接收机；/>为卫星和接收机之间的真实几何距离；/>为电离层延迟误差；/>为对流层延迟误差；/>为接收机钟差；/>为卫星钟差；d为卫星和接收机的差分码偏差；k为频率；b为卫星和接收机的相位超前；N为整周模糊度；ε为随机误差，c表示光速；/>为穿刺点的日固经度，/>为穿刺点的地理经度，/>为太阳的地磁经度。上述参数包括星历数据和站坐标。
步骤（2）计算一阶项电离层延迟误差：
仅考虑电离层延迟的一阶项，电离层延迟误差可以表示为：
，
式中，f为卫星载波频率；STEC为沿卫星信号路径上的倾斜总电子含量。考虑到伪距观测值的噪声较大，通常采用载波相位平滑伪距的方法提高实测STEC的估计精度。
步骤（3）将倾斜总电子含量STEC转换为垂直方向上的总电子含量VTEC：
，
式中，z为卫星的高度角；R为地球的半径；H为电离层薄层高度，即电子密度峰值所在的高度，一般选取350~450km，α为0.9782；为经过相位平滑处理得到的伪距差分观测量，/>和/>为卫星和接收机差分码偏差，一天之中一般可认为其是一个常数；c表示光速，/>，/>表示卫星载波频率。
步骤（4）对垂直方向上的总电子含量VTEC进行建模，选取低阶球谐函数模型：
，
式中，为球谐函数展开式的最高阶数，/>为n阶m次归一化缔合勒让德函数，Φ为电离层穿刺点的地理纬度或者地磁纬度，/>为穿刺点的日固经度，/>为穿刺点的地理经度，/>为太阳的地磁经度，/>和/>为待估的球谐系数。
所述步骤（4）实现全球电离层谐函数精确建模。
步骤（5）引入全球实时电离层改正及精度先验信息（即先验精度驱动），通过虚拟参考星进行约束，辅以背景场电离层模型信息（即背景场信息约束），构建电离层残差序列，采用滑动窗口的方法初始化基准估计，进行电离层观测基准统一。
步骤（6）采用调整球谐函数为核心，对区域快速电离层进行精化，建立区域尺度的电离层趋势项模型，其中球冠半角确定覆盖范围，球冠极点确定投影变换，球冠阶次确定分辨率，即实现区域电离层观测基准统一与精化建模。
步骤（7）基于步骤（6）中的趋势项模型，构建附加先验电离层约束的区域改正模型并进行迭代处理，进一步准确建立区域快速电离层精度模型（即建立区域尺度电离层模型），满足大站间距条件下区域电离层的精准改正需求。
步骤（8）充分利用步骤（7）中精准改正的区域快速电离层模型对区域尺度的电离层进行处理，为局域尺度电离层建模提供实时改正及精度信息，结合区域尺度的改正信息，精细处理单星电离层趋势项与随机项（即局域单行电离层趋势项与随机项精细处理），构建残差序列，对残差距离间隔进行划分，计算残差项半方差。
步骤（9）筛选变异函数进行拟合，实现单星精度指标模型的准确构建，电离层模型精度由区域范围向局部尺度进一步趋近。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种全球-区域-局域多尺度的电离层精细化建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）全球电离层模型采用全球卫星导航系统GNSS双频伪距和载波相位观测值计算电离层总电子含量；
步骤（2）仅考虑电离层延迟的一阶项，计算电离层延迟误差；
步骤（3）将沿卫星信号路径上的倾斜总电子含量STEC转换为垂直方向上的总电子含量VTEC；
步骤（4）选取低阶球谐函数模型，对垂直方向上的总电子含量VTEC进行建模；
步骤（5）引入全球实时电离层改正及精度先验信息，通过虚拟参考星进行约束，结合背景场电离层模型信息，构建电离层残差序列，采用滑动窗口的方法初始化基准估计，统一电离层观测基准；
步骤（6）调整球谐函数，对区域快速电离层进行精化，建立区域尺度下的电离层趋势项模型；
步骤（7）基于步骤（6）中的电离层趋势项模型，构建附加先验电离层约束的区域改正模型并进行迭代处理，进一步准确建立区域快速电离层精度模型；
步骤（8）利用步骤（7）中的区域快速电离层精度模型对区域尺度电离层进行处理，为区域尺度电离层的建模提供实时改正及精度信息，结合区域尺度的改正信息，精细处理单星的电离层趋势项与随机项，构建残差序列，对残差距离间隔进行划分，计算残差项半方差；
步骤（9）筛选变异函数进行拟合，实现单星精度指标模型的准确构建。
2.根据权利要求1所述的一种全球-区域-局域多尺度的电离层精细化建模方法，其特征在于，上述步骤（1）中，采用全球卫星导航系统GNSS定位的观测方程表达式如下：
，
，
式中，P为GNSS伪距观测值；L为GNSS相位观测值；上标表示卫星，下标/>表示接收机；为卫星和接收机之间的真实几何距离；/>为电离层延迟误差；/>为对流层延迟误差；/>为接收机钟差；/>为卫星钟差；/>为卫星的差分码偏差，/>为接收机的差分码偏差；k为频率；b为卫星和接收机的相位超前；N为整周模糊度；/>为伪距随机误差，/>为相位随机误差；/>为穿刺点的日固经度，/>为穿刺点的地理经度，/>为太阳的地磁经度。
3.根据权利要求2所述的一种全球-区域-局域多尺度的电离层精细化建模方法，其特征在于，所述步骤（2）中的电离层延迟误差表示为：
，
式中，f为卫星载波频率；STEC为沿卫星信号路径上的倾斜总电子含量。
4.根据权利要求3所述的一种全球-区域-局域多尺度的电离层精细化建模方法，其特征在于，所述步骤（3）中，垂直方向上的总电子含量VTEC为：
，
式中，z为卫星的高度角；R为地球的半径；H为电离层薄层高度，即电子密度峰值所在的高度，α为0.9782；为经过相位平滑处理得到的伪距差分观测量，/>和/>为卫星差分码偏差和接收机差分码偏差；c表示光速，/>，/>表示卫星载波频率。
5.根据权利要求4所述的一种全球-区域-局域多尺度的电离层精细化建模方法，其特征在于，所述步骤（4）中的低阶球谐函数模型为：
，
式中，为球谐函数展开式的最高阶数，/>为n阶m次归一化缔合勒让德函数，Φ为电离层穿刺点的地理纬度或者地磁纬度，/>为穿刺点的日固经度，/>为穿刺点的地理经度，/>为太阳的地磁经度，/>和/>为待估的球谐系数。
6.根据权利要求5所述的一种全球-区域-局域多尺度的电离层精细化建模方法，其特征在于，所述步骤（6）中，利用球冠半角确定覆盖范围，利用球冠极点确定投影变换，利用球冠阶次确定分辨率。
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| GR01 | Patent grant | ||
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