CN1382999A - 一种用于卫星导航系统中电离层折射时延改正的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星导航系统中建立在改进的电离层薄层模型基础上的电磁波电离层折射时延改正的方法,主要是对已有的电离层薄层模型进行了改进,提出了一种允许薄层倾斜的新的电离层薄层模型。在该新模型的基础上,建立了中心控制站电波电离层折射时延改正计算的方法、中心站向用户广播电离层折射时延改正模型参数的广播参数格式、以及用户端电离层折射时延改正方法。由于本发明的对应的电波电离层折射时延的改正精度明显好于传统方法的精度并同时兼容传统方法,而需要新增的广播容量很小,计算简单,使得建立在本发明基础上的系统非常便于工程实现。

Description

一种用于卫星导航系统中电离层折射时延改正的方法

技术领域

本发明涉及一种GPS广域增强系统或GPS广域差分系统等卫星导航系统中的电磁波电离层折射时延改正的方法；具体地说，涉及一种建立在改进的电离层薄层模型基础上的电磁波电离层折射时延改正的方法。

背景技术

以卫星信标为基础的卫星导航系统，如美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统等，在军事和民用中有着重要的应用。在卫星导航系统的定位(也包括时间传递)服务中，用户地理位置的确定和时间信息在卫星到用户间传递的时延计算都是由用户到卫星的几何距离出发计算而得的。而这种几何距离的得到无一例外地是通过测量卫星发出的电磁波信标从卫星到用户间的传播时间得到的。围绕地球的电离层作为卫星信标所必需经过的媒质，它对电磁波的折射时延作用产生的信标在传播过程中额外经历的电离层附加时延(简称电离层时延)对卫星到用户间几何距离的折算有着十分显著的影响。因此，电离层折射时延改正问题从来就是各种卫星导航系统中必需解决的重要问题。

卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统是在原有的卫星导航系统(如GPS等)的基础上，以提高原有系统定位、授时(时间传递)精度为目的的系统。其中，电离层时延的改正问题是这类系统所着力解决的问题。目前，在国际上已建立了很多这类系统。在已有的这类系统中，电离层时延的改正过程主要可分为两大步骤。第一大步骤是由这类系统在服务区布设的一些基准观测站(简称基准站)和中心控制站(简称中心站)以及它们两者之间的通信信道来完成的。其工作过程是，基准站观测其到卫星间电波射线路径上的电离层时延值，并通过通信信道发送到中心站，中心站根据各基准站的实时观测值建立计算电离层时延模型的参数，并通过某种广播信道将这些模型参数广播出去。第二大步骤在用户端完成，用户首先接收中心站广播出的电离层时延模型参数，运用这些参数重构电离层时延模型，再通过模型计算用户所需的电离层时延改正值。上述处理过程的核心是建立在一种称为电离层薄层模型的基础上的，该模型将电离层简单地看成一个集中在距地面一定高度(一般取350公里到400公里间的某一高度)并与地面平行的薄层。更确切地说，在中心站由基准站观测数据计算得到的电离层时延模型广播参数是以该电离层薄层模型为依据的，在用户端根据广播参数计算用户所需的修正量也是依据该电离层模型的。

选取上述电离层薄层模型作为卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统中电离层时延改正的基础实际上是在修正精度因素和节约系统广播容量因素之间的一种综合平衡。在地磁中纬地区，选用电离层薄层模型进行电离层时延修正一般可以满足米级的定位或授时(时间传递)精度的要求；与此同时，广播电离层模型参数所占的广播容量也比较小，使得系统容易实现。

但是，上述基于电离层薄层模型的方法和系统有其严重的局限性。主要表现在，在地磁中纬度地区的修正结果比较好，在地磁中低纬度地区，特别是电离层赤道异常地区的修正结果较差，对低仰角信标卫星对应的电离层时延和中午时段的电离层改正精度较差。究其根源，主要是电离层薄层模型对上述地区和时段下真实电离层时延的描述精度相对其它地区(比如地磁中纬度地区)或时段(比如凌晨时段)要差得多。

解决上述问题的根本方法是对电离层薄层模型进行改进或提出新的模型。提出一种能够更精确描述中低纬度地区和午间电离层情况的模型本身并不困难。实际上，在电离层物理研究中已提出过很多种模型，其中很多对电离层的描述精度都比薄层模型好。但是，以这些模型作为卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统电离层时延改正的基础却仍然有很大困难。这种困难主要体现在两个方面。第一，更精确的模型往往需要更多的参数来表征，而卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统的广播容量往往不能满足广播大量电离层模型参数的需要；第二，以电离层薄层模型为电离层时延修正基础的GPS广域增强系统已经在美国等地区建设完毕并正常运行，这一系统的服务区域大多处于地磁中纬度区域，电离层时延改正的效果比较好。由于这一成功系统的示范作用等因素，新的电离层时延改正方法和系统能否在广播参数等方面与这一已有系统相兼容成为衡量新方法及其相应系统能否在工程中实现的重要因素。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述技术存在的问题和不足，提供一种新的用于卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统中的电离层折射时延改正的方法。

本发明的目的是这样实现的：

提出并采用一套新的有别于传统的电离层薄层模型，但又兼容该传统模型的新的电离层模型，并将这一新的模型用于卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统中中心控制站电离层时延的模化计算、电离层时延模型参数的广播、以及用户端从电离层时延模型到电离层时延改正值的换算。

传统的电离层薄层模型将电离层假定为一个距离地面h≈350公里～400公里左右的水平薄层，在这种假设下，有如下关系：

                TEC_⊥＝TEC_∠·sin(β)                        (1)其中，TEC_⊥为垂直方向的电离层电子浓度总含量；TEC_∠为导航卫星到地面某点(基准站或用户)斜向路径上的电离层电子浓度总含量；电子浓度总含量与电波的电离层时延线性相关，对于一定频率的电磁波而言，电离层折射时延等于电子浓度总含量与某一与频率有关的系数的乘积；β为导航卫星与地面某点连线穿越电离层薄层时的仰角。

本发明提出的新的电离层模型仍将电离层假定为一个距离地面h≈350公里～400公里左右的薄层，但该薄层不再是水平的，允许其有一定的倾斜。在取电离层穿越点处的局地坐标系x，y，z分别指向东、北和上的情况下，倾斜薄层的法线方向单位矢量可表示为： $\hat{n}=(\sin \mathrm{\γ}\·\sin \mathrm{\η},\sin \mathrm{\γ}\·\cos \mathrm{\η},\cos \mathrm{\γ})---\left(2\right)$ 其中，γ为γ为电离层倾斜的角度(或称倾斜因子，物理意义是薄层法线方向偏离垂向的角度)，η为薄层法线方向在水平面内投影偏离北向的角度。在上述同样的坐标系中，电波射线方向的单位矢量

表示为： $\hat{r}=(\cos \mathrm{\β}\·\sin \mathrm{\σ},\cos \mathrm{\β}\·\cos \mathrm{\σ},\sin \mathrm{\β})---\left(3\right)$ 其中，β为在电离层薄层处的电波射线仰角，σ是为电波射线方位角。

在这一新的电离层模型下，与(1)式对应的垂直方向上(确切地说是电离层薄层法线方向上)电离层电子浓度总含量TEC_⊥与斜向电离层电子浓度总含量TEC_∠的关系可写为： ${\mathrm{TEC}}_{\⊥}={\mathrm{TEC}}_{\∠}\·(\hat{n}\·\hat{r})={\mathrm{TEC}}_{\∠}\·[\sin \mathrm{\γ}\·\cos \mathrm{\β}\·\cos (\mathrm{\σ}-\mathrm{\η})+\cos \mathrm{\γ}\·\sin \mathrm{\β}]---\left(4\right)$ 这一表达式是本发明的基础。

考虑到实际中电离层倾斜主要是发生在地球的子午面内，同时考虑到电离层倾斜的角度一般不大，为了计算方便，(4)式可改写为：

        TEC_⊥＝TEC_∠·(γ·cosβ·cosσ+sinβ)                (5)电离层倾斜的角度(或称倾斜因子)γ用以下空间分布模型表述：其中，(θ，)为电波射线电离层穿越点的经纬度；₀为某一起算纬度值；(α_i，i＝1，2，…p)为上述表征γ值空间分布的模型系数；p为模型阶数，阶数p一般不大于5阶，因此，本发明提出的上述用于表征γ值空间分布的模型系数在个数上是很少的。

上述表达式(4)、(5)、(6)构成了本发明的基础，是本发明的重要特征之一。

立足于上述倾斜电离层薄层模型，本发明是这样实现其高精度修正目的的：

①在中心站从基准站电离层观测量出发，利用本发明提出的倾斜电离层薄层模型公式(6)式、(4)式或(5)式，计算新的电离层薄层模型对应的TEC_⊥、γ值的空间分布模型参数；

②中心站将这些模型参数通过广播信道广播出去；

③用户根据本发明提出的倾斜电离层薄层模型公式(6)式、(4)式或(5)式，和接收到的广播参数，反算其进行电离层折射时延修正所需的电离层电子浓度总含量，进行误差修正。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、由于提出了考虑倾斜因素的改进的电离层薄层模型，并将其应用到卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统的电离层折射时延改正中，因此，同等条件下，电离层折射时延改正的精度较原有的方法有明显改善；比如，实践表明，对电离层赤道异常地区中午时段低仰角导航卫星对应电离层折射时延改正精度，本发明得出的修正精度要比原有方法高2倍左右；

2、本发明立足的倾斜电离层薄层模型在本质上是原有的电离层薄层模型的改进形式，因而是兼容原有的电离层薄层模型的。因此，本发明是兼容原有的修正方法的。这体现在，在广播参数的设定中，可以方便地沿用原有方法及相应系统中的关于垂向电离层电子浓度总含量TEC_⊥的空间分布模型。因此，本发明能够完全兼容原有的卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统的电离层折射时延误差修正方式。换句话说，可以用本发明方便地改造原有系统，以提高系统性能。在改造已有的系统时，即使中心站处理方法已进行过改造，而用户仍按原有修正方式工作，用户仍能达到原有的精度水平。总之，用本发明升级已有的系统可以同时做到改善精度和新旧系统间的平稳过渡；

3、在广播参数的设定中，表示电离层倾斜角度γ空间分布的模型参数(α_i，i＝1，2，…p)所占的广播容量非常小。因此，无论是在已有的卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统基础上将其改造为新的系统，还是直接建立新的系统，增加表示电离层倾斜的广播参数(α_i，i＝1，2，…p)不会对系统的实现带来明显压力；

4、本发明主要通过计算方法上的改进来提高系统的性能，而且新的计算方法运算比较简单，因此容易实现。

附图说明

图1为本系统框图，其中：

1-基准站：或称参考站等；通常的卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统都有若干个(比如10个左右或更多)的基准站，它们分布在系统的服务区域，负责采集电离层折射时延原始数据、导航卫星到地面观测天线间的伪距、以及产生告警信息等，并将这些数据通过通讯信道传送到中心站；

2-中心站：通常的卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统都有一个(有时也设两个)中心控制站，简称中心站。中心站负责接收基准站通过通讯信道传送过来的观测量，依据这些观测量计算卫星星历、电离层模型参数、精度估计、告警信息等，并将这些参数通过广播信道向用户广播；

3-用户：配备卫星导航接收机和广播信息接收装置等，计算电离层时延误差改正量，进行定位解算等；

4-通信信道：经常采用同步卫星等手段，负责基准站观测数据向中心站的传输；

5-广播信道：经常采用同步卫星等手段，负责中心站面向用户的广播信息传送；

6-导航卫星系统：如美国的GPS导航卫星系统、俄罗斯的GLONASS系统等。

本系统由基准站1、中心站2、用户3、通信信道4、广播信道5、导航卫星系统6组成。其关系是：基准站1、中心站2、用户3分别接收导航卫星系统6所发射的信标，获得电离层折射时延、卫星到地面的伪距观测量等；基准站1和中心站2由通信信道4连通，基准站1向中心站2传送有关的观测信息；中心站2和用户3由广播信道5连通，中心站2向用户3广播各种信息。

具体实施方式

本发明主要在卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统中的以下几个环节上实施，与相应环节上传统的处理方法相比有明显不同。以下分别描述如下。描述中与传统方法进行了对比。

1、中心站2处理环节

中心站接收到基准站传送过来的电离层时延原始观测量后，在一定的电离层时延模型的基础上进行计算，并产生与电离层时延模型相对应的电离层模型参数，将这些模型参数广播出去供用户修正使用。

已有的卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统从电离层薄层模型(1)式出发，根据(1)式和基准站电离层折射时延观测值TEC_∠计算出表征电离层折射时延模式的模型参数TEC_⊥；进而，设定一定的TEC_⊥空间分布模式，进一步计算得出TEC_⊥的空间分布模型参数。对于TEC_⊥空间分布模型，目前有多种不同选择。比如，以5度或10度的间隔在服务区内设置一系(比如N个)经纬度网格点，用网格点上的垂向电离层时延(TEC_⊥(k)，k＝1，2，…N)表征TEC_⊥的空间分布。在得到上述表征TEC_⊥空间分布模型的模型参数(比如：网格点模型中的(TEC_⊥(k)，k＝1，2，…N))后，将它们广播出去，供用户计算其所需的电离层折射时延改正量用。

与上述传统方法不同，本发明从(4)式、(5)式和(6)式出发，按如下步骤进行处理：

①根据(4)式和(5)式以及基准站电离层时延原始观测量TEC_∠组成有关待解

量TEC_⊥和γ的观测方程组；

②利用(6)式的关于γ的空间分布模型，同时沿用上述已有的方法中采用的TEC_⊥空间分布模型(比如网格点模型)，从观测方程组中解算表征γ值空间分布的模型参数(α_i，i＝1，2，…p)和表征TEC_⊥值空间分布的模型参数(比如：网格点模型中的(TEC_⊥(k)，k＝1，2，…N))；

③将表征γ值空间分布的模型参数(α_i，i＝1，2，…p)和表征TEC_⊥值空间分布的模型参数(比如：网格点模型中的(TEC_⊥(k)，k＝1，2，…N))广播出去，供用户使用。

2、电离层时延改正广播参数及其格式

已有的卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统从电离层薄层模型(1)式出发，在设定了一定的垂向电离层电子浓度总含量TEC_⊥空间分布模型的基础上(比如：网格点模型)，依据电离层薄层模型广播该TEC_⊥空间分布模型对应的模型参数(比如：网格点模型中的(TEC_⊥(k)，k＝1，2，…N))。

本发明从(4)式、(5)式和(6)式出发，沿用已有的卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统中的TEC_⊥空间分布模型(比如：网格点模型)，广播该空间分布对应的TEC_⊥空间分布模型参数(比如：网格点模型中的TEC_⊥空间分布模型参数(TEC_⊥(k)，k＝1，2，…N))；同时，依据(6)式给出的电离层薄层倾斜角γ的空间分布模型，广播该模型的模型参数(α_i，i＝1，2，…p)。

3、用户3端处理环节

已有的卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统中用户算法首先根据接收到的TEC_⊥空间分布模型参数(比如：网格点模型中的参数(TEC_⊥(k)，k＝1，2，…N))计算用户对应的某空间点上的垂向电离层电子浓度总含量值TEC_⊥；然后根据(1)式的电离层模型计算用户误差修正所需的电离层斜向电子浓度总含量TEC_∠；最后应用TEC_∠进行误差修正。

本发明采用如下步骤进行用户端的误差修正：

①接收中心站通过广播信道向用户广播的TEC_⊥空间分布模型参数(比如：网格点模型中的参数(TEC_⊥(k)，k＝1，2，…N))；

②利用接收到的TEC_⊥空间分布模型参数(比如：网格点模型中的(TEC_⊥(k)，k＝1，2，…N))和TEC_⊥空间分布模型(比如：网格点模型)计算用户对应的某空间点上的垂向电离层电子浓度总含量值TEC_⊥；

③接收中心站通过广播信道向用户广播的电离层薄层倾斜角γ值的空间分布模型参数(α_i，i＝1，2，…p)；

④利用(6)式给出的关于电离层薄层倾斜角γ的空间分布模型和接收到的模型参数(α_i，i＝1，2，…p)计算用户对应的某空间点上的γ值；

⑤根据以上几步的计算结果和(5)式或(4)式计算用户进行误差修正所需的电离层斜向电子浓度总含量TEC_∠；最后应用TEC_∠进行误差修正。

Claims (4)

1、一种用于卫星导航系统中电离层折射时延改正的方法，其特征在于：

电离层模型其关系为：

       TEC_⊥＝TEC_∠·[sinγ·cosβ·cos(σ-η)+cosγ·sinβ]     (4)或

       TEC_⊥＝TEC_∠·(γ·cosβ·cosσ+sinβ)                    (5)其中，γ为电离层倾斜的角度(或称倾斜因子，物理意义是薄层法线方向偏离垂向的角度)，η为薄层法线方向在水平面内投影偏离北向的角度，σ是为电波射线方位角；电离层倾斜的角度γ用以下空间分布模型表述：其中，(θ，)为电波射线电离层穿越点的经纬度，p为模型阶数，₀为某一起算纬度值，(α_i，i＝1，2，…p)为上述表征γ值空间分布的模型系数；

具体实施步骤为：

①在中心站从基准站电离层折射时延观测量出发，利用公式(6)式、(4)式或(5)式，计算新的电离层薄层模型对应的TEC_⊥、γ值的空间分布模型参数；

②中心站将这些模型参数通过广播信道广播出去；

③用户根据倾斜电离层薄层模型公式(6)式、(4)式或(5)式，和接收到的广播参数，反算其进行电离层折射时延修正所需的电离层电离层电子浓度总含量，进行误差修正。

2、按权利要求1所述的一种用于卫星导航系统中电离层折射时延改正的方法，其特征在于，在卫星导航广域增强系统或广域差分系统的中心站，按如下步骤进行处理：

①根据(4)式和(5)式以及基准站电离层时延原始观测量TEC_∠组成有关TEC_⊥和γ的观测方程组；

②利用(6)式的关于γ的空间分布模型，同时沿用原有方法中采用的TEC_⊥空间分布模型，从观测方程组中解算表征γ值空间分布的模型参数(α_i，i＝1，2，…p)和表征TEC_⊥值空间分布的模型参数；

③将表征γ值空间分布的模型参数(α_i，i＝1，2，…p)和表征TEC_⊥值空间分布的模型参数广播出去，供用户使用。

3、按权利要求1所述的一种用于卫星导航系统中电离层折射时延改正的方法，其特征在于，在卫星导航广域增强系统或广域差分系统的电离层折射时延改正广播信息格式上，按(6)式给出的电离层薄层倾斜角γ的空间分布模型，广播该模型的模型参数(α_i，i＝1，2，…p)，以便用户接收使用。

4、按权利要求1所述的一种用于卫星导航系统中电离层折射时延改正的方法，其特征在于，在卫星导航广域增强系统或广域差分系统的用户端，采用如下步骤进行误差修正：

①利用通过广播信道接收到的TEC_⊥空间分布模型参数和TEC_⊥空间分布模型计算用户对应的某空间点上的垂向电离层电子浓度总含量值TEC_⊥；

②利用(6)式给出的关于电离层薄层倾斜角γ的空间分布模型和通过广播信道接收到的模型参数(α_i，i＝1，2，…p)计算用户对应的某空间点上的γ值；

③根据以上两步的计算结果和(5)式或(4)式计算用户进行误差修正所需的电离层斜向电子浓度总含量TEC_∠；最后应用TEC_∠进行误差修正。