CN117492043B - 一种基于shapiro时延和周期性相对论效应改正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于shapiro时延和周期性相对论效应改正方法，包括以下步骤：读入掩星观测时间；读取LEO精密星历文件，用以获取LEO的位置；读取GNSS精密星历文件，用以获取掩星和参考星的位置；修正传播延迟并重算掩星和参考性位置；根据插值得到的掩星和参考星的位置，分别计算掩星和参考星到地心之间的几何距离；由引力时延公式计算出shapiro时延误差；模型公式计算周期性相对论效应误差；计算得到相对论效应改正量。本发明有益效果：引入shapiro时延和周期性相对论效应误差改正算法，提升掩星大气弯曲角、折射率、温度、湿度、压强等廓线产品精度，保证其质量满足数值预报精度要求。

Description

一种基于shapiro时延和周期性相对论效应改正方法

技术领域

本发明属于掩星探测技术领域，尤其是涉及一种基于shapiro时延和周期性相对论效应改正方法。

背景技术

GNSS无线电大气掩星探测技术是一种利用GNSS信号穿过中性大气层因为不同高度上大气密度不同而发生折射的现象进行地球周边大气弯曲角、折射率、温度、湿度、压强进行探测的方法。GNSS掩星数据处理过程中采用掩星和参考星的载波相位观测量进行单差处理，掩星和参考星中shapiro时延和周期性相对论效应分别可引起0.2m和15m左右的误差，其中shapiro时延与几何距离相关，周期性相对论效应与钟差相关，15m左右的误差对中性大气掩星反演有较大影响。

因此，在GNSS掩星探测中，需要对shapiro时延误差和周期性相对论效应误差进行改正。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于shapiro时延和周期性相对论效应改正方法，引入shapiro时延和周期性相对论效应误差改正算法，提升掩星大气弯曲角、折射率、温度、湿度、压强等廓线产品精度，保证其质量满足数值预报精度要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于shapiro时延和周期性相对论效应改正方法，包括以下步骤：

S1、读入掩星观测时间；

S2、读取LEO精密星历文件，用以获取LEO的位置；

S3、读取GNSS精密星历文件，用以获取掩星和参考星的位置；

S4、计算出掩星和参考星到LEO的信号传播延时，根据信号传播延时对S1中提及的掩星观测时间修正得到掩星和参考星信号的发射时间，通过发射时间在LEO精密星历文件和GNSS精密星历文件中插值得到掩星和参考星的位置；

S5、根据步骤S4中插值得到的掩星和参考星的位置，分别计算掩星和参考星到地心之间的几何距离；

S6、由引力时延公式计算出shapiro时延误差；

S7、模型公式计算周期性相对论效应误差；

S8、计算得到相对论效应改正量。

进一步的，在步骤S1中，具体包括：

解码掩星观测数据，读取掩星接收时间tr、掩星载波相位、信噪比、开环信息、掩星星号Nocc、参考星载波相位、参考星信噪比、参考星星号Nref信息。

进一步的，在步骤S2中，读取LEO精密定轨文件中的时间LeoT、LEO各时间历元X轴坐标LeoPx、LEO各时间历元Y轴坐标LeoPy、LEO各时间历元Z轴坐标LeoPz序列、时间序列LeoT长度n；

从LeoT序列中采用二分查找法查找离时间t_r最近的脚标i，采用三次样条插值算法从LeoPx、LeoPy和LeoPz序列中分别插值出LEO在t_r时刻三轴坐标xLeo、yLeo、zLeo；

三次样条插值函数如公式（1）所示，令三个轴的坐标分别为：（x₁,y₁），（x₂,y₂），…，（x_n,y_n）：

（1）；

上式中，

j=i-4,i-3,i-2,i-1,i,i+1,i+2,i+3,i+4,i+5；

b、c、d分别为三次函数S(x)的一次项、二次项和三次项系数；

三轴均按照公式进行插值，计算各自的系数，最后求出LEO在t_r时刻的三轴位置xLeo、yLeo、zLeo。

进一步的，在步骤S3中，具体包括：

读取GNSS精密星历文件中的时间GnssT、GNSS各卫星各时间历元X轴坐标GnssPx、GNSS各卫星各时间历元Y轴坐标GnssPy、GNSS各卫星各时间历元Z轴坐标GnssPz序列，及时间序列GnssT长度m；

采用公式（1）分别计算出掩星位置xOcc、yOcc、zOcc及速度vxOcc、vyOcc、vzOcc和参考星位置xRef、yRef、zRef。

进一步的，在步骤S4中，还需要计算信号传播延迟：

掩星和参考星的GNSS信号由掩星和参考星发射，被LEO卫星载GNSS掩星探测仪接收，期间存在信号传播延迟τ，通过距离迭代的方法进行计算，每次迭代均更新几何距离和传播延迟τ，当掩星与LEO几何距离、参考星与LEO几何距离变化小于设定距离则结束迭代，此刻得到信号传播延迟τ。

进一步的，在步骤S4中，具体包括：

掩星和参考星均对应GNSS信号发射时刻，需要将掩星观测数据接收时刻t_r减去信号传播延迟τ得到信号发射时刻t_s；

利用通过公式（1）插值出最近时间的掩星和参考星位置xOcc1、yOcc1、zOcc1及速度vxOcc1、vyOcc1、vzOcc1和参考星位置xRef1、yRef1、zRef1及速度vxRef1、vyRef1、vzRef1。

进一步的，在步骤S5中，具体包括：

利用空间两点之间几何距离计算公式（2）至公式（6）分别计算出LEO与地心之间几何距离P_leo，掩星与地心之间几何距离P_occ和参考星与地心之间的几何距离P_ref,掩星与LEO之间几何距离P_lg，参考星与LEO之间几何距离P_lr：

（2）；

（3）；

（4）；

（5）；

（6）。

进一步的，在步骤S6中，具体包括：

shapiro时延是由于信号发射机与信号接收机之间引力延迟造成，该误差与牛顿引力常数G、光在空气中传播速度c、地球质量M_E、LEO位置和掩星及参考星位置有关，掩星shapiro时延δ_ρo计算如公式（7）所示，参考星shapiro时延δ_ρr计算如公式（8）所示：

（7）；

（8）。

进一步的，在步骤S7中，具体包括：

周期性相对论效应与掩星和参考星的位置、速度有关，掩星周期性相对论效应δ_to计算如公式（9）所示，参考星shapiro时延δ_tr计算如公式（10）所示：

（9）；

（10）。

进一步的，在步骤S8中，具体包括：

掩星相对论效应δ_o和参考星相对论效应δ_r分别由各自的shapiro时延和周期性相对论效应之和组成，具体如公式（11）和公式（12）所示：

（11）；

（12）；

在GNSS掩星反演数据处理过程中对掩星和参考星的载波相位观测量分别剔除δ_o和δ_r分别的影响，以提升掩星反演产品精度。

进一步的，本方案公开了一种电子设备，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，所述处理器用于执行一种基于shapiro时延和周期性相对论效应改正方法。

进一步的，本方案公开了一种服务器，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一种基于shapiro时延和周期性相对论效应改正方法。

进一步的，本方案公开了一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时一种基于shapiro时延和周期性相对论效应改正方法。

相对于现有技术，本发明所述的一种基于shapiro时延和周期性相对论效应改正方法具有以下有益效果：

本发明所述的一种基于shapiro时延和周期性相对论效应改正方法，引入shapiro时延和周期性相对论效应误差改正算法，提升掩星大气弯曲角、折射率、温度、湿度、压强等廓线产品精度，保证其质量满足数值预报精度要求。

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GNSS载波相位观测方程误差组成示意图；

图2为本发明实施例所述的技术路线图示意图。

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。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

GNSS载波相位观测方程误差组成如图1所示，主要包括：低地球轨道（LowEarthOrbit,LEO）卫星钟差、掩星和参考星钟差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、整周模糊度、相对论效应误差、天线相位中心误差、地球自转误差、接收机热噪声误差。其中低地球轨道（LowEarthOrbit,LEO）卫星钟差是由于LEO上时钟存在误差，掩星反演数据处理是在gps时间系统下进行，LEO与标准的gps时间之间存在差异从而造成误差；掩星和参考星钟差是由于GNSS卫星（掩星和参考星均为GNSS导航卫星）上时钟存在误差，与标准gps时间的误差；电离层延迟误差是GNSS信号经过电离层时发射折射相比几何距离的误差；对流层延迟误差是GNSS信号经过中性大气层时发生折射相比几何距离的误差；整周模糊度是发生遮挡、干扰等因素时载波相位整周计数发生跳变造成的误差；相对论效应误差包括shapiro时延和周期性相对论效应两种，shapiro时延属于广义相对论效应范畴，是发射机与接收机之间的引力延迟。周期性相对论效应是由于非圆轨道的相对运动造成的掩星和参考星与标准gps之间误差；天线相位中心误差是GNSS精密星历、LEO精密星历均为卫星质心处坐标，而掩星、参考星、LEO卫星载波相位是其各自天线相位中心接收的，故需要对天线相位中心进行改正；地球自转误差是GNSS信号从掩星和参考星发射到被LEO接收时地球已经发生了一定角度的旋转，该地球自转误差在地固系坐标中必须进行改正；接收机热噪声误差是GNSS掩星探测仪在工作过程中因为发热导致的一种随机游走的噪声。shapiro时延和周期性相对论效应会对掩星和参考星造成15m左右误差，在掩星反演过程中需要进行改正。

如图2所示为方法技术路线图：

读入掩星观测时间，分别读取LEO精密星历文件、GNSS精密星历文件，分别插值出在掩星时间处LEO、掩星和参考星的位置。LEO掩星观测时间是掩星和参考星发射的信号经过传播延时后得到，分别计算出掩星和参考星到LEO的信号传播延时，对LEO掩星观测时间修正传播延时得到掩星和参考星信号的发射时间，通过发射时间在读取的LEO和GNSS精密星历中插值出掩星和参考星位置。根据插值出的LEO、掩星和参考星位置分别计算掩星和参考星到地心之间的几何距离，由引力时延公式计算出shapiro时延误差，由模型公式计算周期性相对论效应误差，最后得到相对论效应改正量。具体过程如下：

a)读入掩星时间

解码掩星观测数据，读取掩星接收时间t_r、掩星载波相位、信噪比、开环信息、掩星星号N_occ、参考星载波相位、参考星信噪比、参考星星号N_ref等信息。

b)三次样条插值计算LEO位置

读取LEO精密定轨文件中的时间LeoT、LEO各时间历元X轴坐标LeoPx、LEO各时间历元Y轴坐标LeoPy、LEO各时间历元Z轴坐标LeoPz序列，及时间序列LeoT长度n。三次样条插值具有简洁、复杂度低、稳定性好、收敛性好的优点，从LeoT序列中采用二分查找法查找离时间t_r最近的脚标i，采用三次样条插值算法从LeoPx、LeoPy和LeoPz序列中分别插值出LEO在t_r时刻三轴坐标xLeo、yLeo、zLeo。三次样条插值函数如公式（1）所示，令三个轴的坐标分别为：（x₁,y₁），（x₂,y₂），…，（x_n,y_n）。

（1）；

上式中，j=i-4,i-3,i-2,i-1,i,i+1,i+2,i+3,i+4,i+5。b、c、d分别为三次函数S(x)的一次项、二次项和三次项系数，三轴均按照公式进行插值，计算各自的系数，最后可求出LEO在t_r时刻的三轴位置xLeo、yLeo、zLeo。

c)三次样条插值计算掩星和参考星位置

读取GNSS精密星历文件中的时间GnssT、GNSS各卫星各时间历元X轴坐标GnssPx、GNSS各卫星各时间历元Y轴坐标GnssPy、GNSS各卫星各时间历元Z轴坐标GnssPz序列，及时间序列GnssT长度m。同上采用公式（1）可分别计算出掩星位置xOcc、yOcc、zOcc及速度vxOcc、vyOcc、vzOcc和参考星位置xRef、yRef、zRef。

d)计算信号传播延迟

掩星和参考星的GNSS信号由掩星和参考星发射，被LEO卫星载GNSS掩星探测仪接收，期间存在信号传播延迟τ，通过距离迭代的方法进行计算，每次迭代均更新几何距离和传播延迟τ，当掩星与LEO几何距离、参考星与LEO几何距离变化小于0.01m则结束迭代，此刻得到信号传播延迟τ。

e)修正传播延迟并计算掩星和参考星位置

掩星和参考星均对应GNSS信号发射时刻，故需要将掩星观测数据接收时刻t_r减去信号传播延迟τ得到信号发射时刻t_s。利用通过公式（1）插值出最近时间的掩星和参考星位置xOcc1、yOcc1、zOcc1及速度vxOcc1、vyOcc1、vzOcc1和参考星位置xRef1、yRef1、zRef1及速度vxRef1、vyRef1、vzRef1。

f)分别计算掩星和参考星与地心之间距离

利用空间两点之间几何距离计算公式（2）~公式（6）分别计算出LEO与地心之间几何距离P_leo，掩星与地心之间几何距离P_occ和参考星与地心之间的几何距离P_ref,掩星与LEO之间几何距离P_lg，参考星与LEO之间几何距离P_lr。

（2）；

（3）；

（4）；

（5）；

（6）。

g)计算shapiro时延误差

shapiro时延是由于信号发射机与信号接收机之间引力延迟造成，该误差与牛顿引力常数G、光在空气中传播速度c、地球质量M_E、LEO位置和掩星及参考星位置有关，掩星shapiro时延δ_ρo计算如公式（7）所示，参考星shapiro时延δ_ρr计算如公式（8）所示。

（7）；

（8）。

h)计算周期性相对论效应误差

周期性相对论效应与掩星和参考星的位置、速度有关，掩星周期性相对论效应δ_to计算如公式（9）所示，参考星shapiro时延δ_tr计算如公式（10）所示。

（9）；

（10）。

i)计算相对论效应改正量

掩星相对论效应δ_o和参考星相对论效应δ_r分别由各自的shapiro时延和周期性相对论效应之和组成，具体如公式（11）和公式（12）所示。

（11）；

（12）；

在GNSS掩星反演数据处理过程中对掩星和参考星的载波相位观测量分别剔除δ_o和δ_r分别的影响，可提升掩星反演产品精度。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

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)

1.一种基于shapiro时延和周期性相对论效应改正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、读入掩星观测时间；

S2、读取LEO精密星历文件，用以获取LEO的位置；

S3、读取GNSS精密星历文件，用以获取掩星和参考星的位置；

S4、计算出掩星和参考星到LEO的信号传播延时，根据信号传播延时对S1中提及的掩星观测时间修正得到掩星和参考星信号的发射时间，通过发射时间在LEO精密星历文件和GNSS精密星历文件中插值得到掩星和参考星的位置；

S5、根据步骤S4中插值得到的掩星和参考星的位置，分别计算掩星和参考星到地心之间的几何距离；

S6、由引力时延公式计算出shapiro时延误差；

S7、利用模型公式计算周期性相对论效应误差；

S8、计算得到相对论效应改正量；

在步骤S2中，读取LEO精密定轨文件中的时间LeoT、LEO各时间历元X轴坐标LeoPx、LEO各时间历元Y轴坐标LeoPy、LEO各时间历元Z轴坐标LeoPz序列、时间序列LeoT长度n；

从LeoT序列中采用二分查找法查找离时间t_r最近的脚标i，采用三次样条插值算法从LeoPx、LeoPy和LeoPz序列中分别插值出LEO在t_r时刻三轴坐标xLeo、yLeo、zLeo；

三次样条插值函数如公式(1)所示，令三个轴的坐标分别为：(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，…，(x_n,y_n)：

S_j(x)＝y_j+b_j(x-x_j)+c_j(x-x_j)²+d_j(x-x_j)³(1)；

上式中，

j＝i-4,i-3,i-2,i-1,i,i+1,i+2,i+3,i+4.i+5；

b、c、d分别为三次函数S(x)的一次项、二次项和三次项系数；

三轴均按照公式进行插值，计算各自的系数，最后求出LEO在t_r时刻的三轴位置xLeo、yLeo、zLeo；

在步骤S3中，具体包括：

读取GNSS精密星历文件中的时间GnssT、GNSS各卫星各时间历元X轴坐标GnssPx、GNSS各卫星各时间历元Y轴坐标GnssPy、GNSS各卫星各时间历元Z轴坐标GnssPz序列，及时间序列GnssT长度m；

采用公式(1)分别计算出掩星位置xOcc、yOcc、zOcc及速度vxOcc、vyOcc、vzOcc和参考星位置xRef、yRef、zRef；

在步骤S4中，具体包括：

掩星和参考星均对应GNSS信号发射时刻，需要将掩星观测数据接收时刻t_r减去信号传播延迟τ得到信号发射时刻t_s；

利用通过公式(1)插值出最近时间的掩星和参考星位置xOcc1、yOcc1、zOcc1及速度vxOcc1、vyOcc1、vzOcc1和参考星位置xRef1、yRef1、zRef1及速度vxRef1、vyRef1、vzRef1；

在步骤S5中，所述利用模型公式计算周期性相对论效应误差包括：

利用空间两点之间几何距离计算公式(2)至公式(6)分别计算出LEO与地心之间几何距离P_leo，掩星与地心之间几何距离P_occ和参考星与地心之间的几何距离P_ref,掩星与LEO之间几何距离P_lg，参考星与LEO之间几何距离P_lr：

在步骤S6中，所述由引力时延公式计算出shapiro时延误差包括：

shapiro时延是由于信号发射机与信号接收机之间引力延迟造成，该误差与牛顿引力常数G、地球质量M_E、LEO位置和掩星及参考星位置有关，掩星shapiro时延δ_ρo计算如公式(7)所示，参考星shapiro时延δ_ρr计算如公式(8)所示：

在步骤S7中，具体包括：

周期性相对论效应与掩星和参考星的位置、速度有关，掩星周期性相对论效应δ_to计算如公式(9)所示，参考星shapiro时延δ_tr计算如公式(10)所示：

2.根据权利要求1所述的一种基于shapiro时延和周期性相对论效应改正方法，其特征在于，在步骤S1中，具体包括：

解码掩星观测数据，读取掩星接收时间tr、掩星载波相位、信噪比、开环信息、掩星星号Nocc、参考星载波相位、参考星信噪比、参考星星号Nref信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于shapiro时延和周期性相对论效应改正方法，其特征在于，在步骤S4中，还需要计算信号传播延迟：

掩星和参考星的GNSS信号由掩星和参考星发射，被LEO卫星载GNSS掩星探测仪接收，期间存在信号传播延迟τ，通过距离迭代的方法进行计算，每次迭代均更新几何距离和传播延迟τ，当掩星与LEO几何距离、参考星与LEO几何距离变化小于设定距离则结束迭代，此刻得到信号传播延迟τ。

4.根据权利要求1所述的一种基于shapiro时延和周期性相对论效应改正方法，其特征在于，在步骤S8中，具体包括：

掩星相对论效应δ_o和参考星相对论效应δ_r分别由各自的shapiro时延和周期性相对论效应之和组成，具体如公式(11)和公式(12)所示：

δ_o＝δ_ρo+δ_to (11)；

δ_r＝δ_ρr+δ_tr (12)；

在GNSS掩星反演数据处理过程中对掩星和参考星的载波相位观测量分别剔除δ_o和δ_r分别的影响，以提升掩星反演产品精度。