基于GNSS和GEO卫星的电离层投影函数建模方法

摘要

本发明属于GNSS精密数据处理技术领域，公开了一种基于GNSS和GEO卫星的电离层投影函数建模方法，采用GEO卫星的VTEC数据对利用IRI/NeQuick模型得到的VTEC值进行校正及全球拟合校正；获取全球分布的电离层并置点电离层STEC与VTEC的比值；得到用于电离层投影函数建模的数据集；统计分析得到的电离层投影值的时空分布与变化规律，并结合电离层物理结构和经验模型，参数化各影响因素并采用最小二乘法对求解各参数。本发明联合GNSS MEO卫星和北斗GEO卫星的电离层投影函数误差分析与建模方法，以提高电离层投影函数模型精度、电离层建模精度及GNSS单频用户的定位精度。

说明书

技术领域

本发明属于GNSS精密数据处理技术领域，尤其涉及一种基于GNSS和GEO卫星的电离层投影函数建模方法。

背景技术

目前，基于薄层假设的二维电离层格网模型已经成为当前全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)导航定位用户及电离层应用研究的重要数据源。建立二维电离层格网模型主要包括以下三步：(1)利用GNSS观测数据提取倾斜路径上(卫星-接收机)电离层总电子含量(Slant Total Electron Content，STEC)；(2)利用电离层投影函数将STEC转换至某一单层高度的垂直方向电离层总电子含量(Vertical TotalElectron Content，VTEC)；(3)利用一定的数学模型拟合电离层VTEC的时空分布。相反，当GNSS单频定位或非差精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)用户在使用这类电离层模型进行电离层时延误差修正时，需要利用投影函数将电离层模型给出的VTEC转换为STEC。因此，电离层投影函数是影响电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)建模精度与GNSS导航定位精度的关键因素之一。

目前的电离层投影函数主要存在两方面的问题：(1)投影精度较差，特别是在电离层活跃的时期和地区，更为明显。以常用的余弦投影函数为例，在电离层层暴期间，其在倾斜方向会出现最大12～18TECu(1TECu等效距离约为L1频率上0.16m的电离层延迟)的投影误差；即使在电离层活动平静期，也可引起最大8TECu的投影误差。(2)不同投影函数在低卫星高度角时投影差异较大。虽然在卫星高度角40°以上时，不同投影函数的投影精度基本相当；但是在40°以下的低卫星高度角时，不同投影函数的投影差异较大。造成这种结果的主要原因是：上述投影函数模型仅考虑了卫星高度角对电离层TEC的影响，忽略了不同时间、不同空间方位上电离层TEC的差异。

此外，建立高精度电离层投影函数模型的前提是准确分析投影函误差随时间、经纬度、高度角、方位角等信息的变化规律，然后根据其变化规律建立投影函数值与自变量的映射关系，进而实现各项参数的模型化。针对电离层投影函数误差分析方法的研究，主要分为两类：(1)基于GNSS电离层TEC实测数据的电离层投影函数误差分析方法，即利用密集GNSS监测网获取同一时刻相同电离层穿刺点处不同视线方向的电离层STEC，并将其通过投影函数转化至天顶方向的VTEC，通过分析VTEC之间的差异，达到分析电离层投影函数误差的目的；(2)基于NeQuick模型的电离层投影函数误差分析方法，即利用NeQuick同时计算得到的天顶方向VTEC和视线方向STEC，分析投影函数值随空间方位角的变化规律。上述两种方法存在如下问题：(1)无论前者还是后者，提取的电离层TEC观测值精度均有限。前者基于GNSS实测数据提取电离层TEC目前仍主要采用传统的相位平滑伪距法，但伪距观测噪声、平滑弧段的长度及平滑误差等均影响电离层TEC提取精度导致提取误差较大，使得其最大误差可达±8.8TECu；后者基于NeQuick模型提取的电离层TEC与GNSS实测电离层TEC相比，存在4.7～14.9TECu的差异；(2)第一种方法由于仅能得到视线方向的STEC，无法同时获取相同穿刺点处的VTEC真值，因此仅能分析已知投影函数的投影精度。第二种方法虽然能同时获取STEC和VTEC，计算分析电离层投影函数值随时空变化规律，但因为是采用经验模型来提取电离层TEC，制约了提取的电离层TEC精度，导致分析结果的可靠性不足。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术基于GNSS实测数据提取电离层TEC提取误差较大。

(2)现有技术基于IRI/NeQuick模型的电离层投影函数误差分析方法计算分析电离层投影函数值随时空变化规律，但是提取的电离层TEC精度有限，从而导致分析结果的可靠性不足。

解决上述技术问题的难度：

由于IRI/NeQuick模型均为经验电离层模型，获得的电离层精度有限，无法很好地用于电离层投影函数的变化特性分析及GNSS单频用户的电离层延迟改正。此外，现阶段没有可靠的途径来获取电离层VTEC值，对IRI/NeQuick模型进行精化以提高模型精度。

解决上述技术问题的意义：

建立顾及时空变化特性的高精度电离层投影函数，可以减少电离层投影函数的投影误差，从而提高电离层建模精度及GNSS单频用户的导航定位精度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于GNSS和GEO卫星的电离层投影函数建模方法。本发明的GNSS MEO卫星为GNSS(Global Navigation Satellite System全球卫星导航系统)MEO(Medium Earth Orbit中高地球轨道)卫星；北斗GEO卫星为Geostationary Orbit北斗地球静止轨道卫星。

本发明是这样实现的，一种基于GNSS MEO卫星和北斗GEO卫星的电离层投影函数模型的误差数据分析方法，包括以下步骤：

第一步，采用GNSS非差模糊度整数解相位观测值提取高精度电离层斜延迟(SlantElectron Content,STEC)值、GEO卫星的高精度电离层垂延迟(Vertical ElectronContent,VTEC)值；

第二步，利用GEO卫星得到的高精度VTEC对利用IRI/NeQuick模型得到的VTEC值进行校正及全球拟合校正，得到校正后的VTEC值；

第三步，搜索相同或相近电离层穿刺点(Ionospheric Pierce Point,IPP)处GNSS计算的STEC值和IRI/NeQuick模型得到的校正VTEC值，获取全球分布的电离层并置点电离层STEC与VTEC观测值；

第四步，计算全球分布的并置点STEC与VTEC的比值，即电离层投影函数值，得到用于电离层投影函数建模的数据集；

第五步，统计分析第四步得到的电离层投影值的时空分布与变化规律，包括：时间、经纬度、高度角、方位角；参数化各影响因素，并采用从粗到细的建模思路，逐步精化电离层投影函数。

进一步，所述第一步选取的观测数据采样率为30s；处理时，卫星截止高度角为10°。

进一步，所述第一步的高精度STEC观测值获取方法包括：

a)对GNSS观测网以及各区域CORS网各测站进行逐站标准无电离层组合的PPP定位解算，求解获得各测站各卫星的无电离层组合模糊度；

b)基于所述观测网原始观测数据获得MW组合观测值，利用直接取平均后取整的方式获取并固定宽巷整数模糊度；

c)利用步骤a)获得的所述无电离层组合模糊度和步骤b)获得的宽巷整数模糊度计算得到窄巷实数模糊度，并建立窄巷小数偏差估计方程，求解窄巷小数偏差值，利用LAMBDA方法固定窄巷整数模糊度；

d)将固定后的所述宽巷整数模糊度和固定后的所述窄巷整数模糊度代入无几何距离相位组合观测值中，提取得到高精度电离层TEC信息。

进一步，所述第一步VTEC值的确定方法为：地面接收机和卫星的坐标分别为和电离层穿刺点处的纬度、经度及大地高为穿刺点不同视线方向TEC的高度角和方位角分别为Z和A，测站至卫星的距离为S，卫星高为H，N(h)和N(s)分别代表穿刺点处垂直方向的电子密度和视线方向上的电子密度，利用IRI/NeQuick模型计算VTEC值：

进一步，所述第二步的VTEC值校正方法为：利用北斗及其他GEO卫星观测数据提取的电离层TEC值作为参考值，并辅助IRI/NeQuick模型等电离层电子密度模型，计算电离层不同时空位置的电离层投影值，统计分析电离层投影值的时空分布规律；利用计算得到的GEO卫星的高精度VTEC数据，对IRI/NeQuick模型提供的VTEC进行校正，然后进行全球拟合。

进一步，所述第三步具体包括：

(1)筛选全球范围内的IPP并置点，穿刺点IPP₁与IPP₂的经纬度分别为和如果两个IPP为并置点，则它们应满足下列条件：

(2)求解全球范围内并置点处电离层投影函数值，求解方法为：

式中，MF为电离层投影函数值；STEC为采用GNSS非差模糊度整数解相位观测值提取的IPP处的高精度STEC值；VTEC为利用GEO卫星得到的高精度VTEC值对IRI/NeQuick模型得到的VTEC值进行校正及全球拟合后得到的IPP处的VTEC值。

进一步，所述第四步以IRI/NeQuick模型作为电离层电子密度的背景场，采用射线跟踪法求得全球任意穿刺点上并置的斜向和垂向电离层延迟。按经纬度、高度角和方位角划分格网，获取格网点上的电离层投影函数值，建立全球粗略的电离层投影格网模型。

进一步，所述第五步选取密集的CORS网区域，根据获得的全球分布的并置点的电离层投影函数值，全面、详细分析电离层投影值随经纬度、时间变化、卫星方位角影响因素的变化特征和规律；

依据分析得到的时空变化特征与规律，结合电离层的物理结构和相关电离层经验模型，对各参数进行模型化和参数化；对每个并置点电离层投影函数值即可形成相应观测方程，通过最小二乘估计法解算相关未知参数，构建一种顾及时空变化信息的电离层投影函数模型。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于GNSS MEO卫星和北斗GEO卫星的电离层投影函数模型的误差数据分析方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于GNSS MEO卫星和北斗GEO卫星的电离层投影函数模型的误差数据分析方法。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于GNSS MEO卫星和北斗GEO卫星的电离层投影函数模型的误差数据分析方法的基于GNSS MEO卫星和北斗GEO卫星的电离层投影函数模型的误差数据分析系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明给出了联合GNSS MEO卫星和北斗GEO卫星的电离层投影函数误差而分析与建模方法，以提高电离层投影函数模型精度、电离层建模精度及GNSS单频用户的定位精度。

与现有技术相比，本发明还具有如下优点：

1)以北斗导航系统与其他区域导航系统GEO卫星提取的高精度VTEC作为参考，对IRI/NeQuick模型提取的VTEC值进行校正及全球拟合，提高IRI/NeQuick模型提取的VTEC值精度。

2)采用GNSS实测数据提取的电离层STEC值及IRI/NeQuick模型获得的VTEC校正值，计算电离层投影比值，分析全球范围内电离层投影函数投影误差随时间、经纬度、高度角、方位角等的变化规律。

3)利用分析获得的电离层投影函数投影误差的变化规律，构建一种顾及时空变化信息的电离层投影函数模型，并采用最小二乘法求解模型参数。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于GNSS和GEO的电离层投影函数模型的误差数据分析方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于GNSS和GEO的电离层投影函数模型的误差数据分析方法实现流程图。

图3是本发明实施例提供的基电离层投影误差分析及投影函数计算示意图。

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。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于GNSS和GEO的电离层投影函数模型的误差数据分析方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于GNSS和GEO的电离层投影函数模型的误差数据分析方法包括以下步骤：

S101：采用GNSS非差模糊度整数解相位观测值提取IPP出的高精度STEC值、GEO卫星的高精度VTEC值。

S102：利用GEO卫星得到的高精度VTEC对利用IRI/NeQuick模型得到的VTEC值进行校正及全球拟合校正，得到校正后的VTEC值。

S103：搜索相同或相近IPP处GNSS计算的STEC值和IRI/NeQuick模型得到的校正VTEC值，从而获取全球分布的电离层“并置点”电离层STEC与VTEC观测值。

S104：计算全球分布的“并置点”STEC与VTEC的比值，即电离层投影函数值，得到用于电离层投影函数建模的数据集。

S105：统计分析步骤S104得到的电离层投影值的时空分布与变化规律，包括：时间、经纬度、高度角、方位角等；参数化各影响因素，并采用从粗到细的建模思路，逐步精化电离层投影函数。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例提供的基于GNSS和GEO的电离层投影函数模型的误差数据分析方法包括以下步骤：

步骤一，选取全球密集GNSS监测网观测数据以及各区域CORS网的中轨倾斜卫星(MEO)观测数据。下载并整理GNSS精密单点定位所需要的轨道、钟差、天线等文件。选取的测站应尽可能全球分布均匀且数量多，以便提高电离层建模精度。选取的观测数据采样率为30s。处理时，卫星截止高度角设为10°。

步骤二，输入GNSS原始观测数据、IGS精密轨道、钟差、天线等信息，对观测数据进行数据预处理，采用TurboEdit方法，准确探测并标记周跳发生的位置，并记录连续未发生周跳的弧段信息。

步骤三，基于GNSS非差模糊度整数解提取全球分布的高精度STEC值及GEO卫星的VTEC值，借鉴已有的PPP模糊度固定方法，在模糊度域上组成宽巷和窄巷，采用整体解的方法估计生成相位小数周偏差，将生成的小数周偏差产品回代入整体解方程中固定整周模糊度。基于GNSS非差模糊度整数解提取的电离层延迟观测值包含非差相位偏差，借鉴电离层建模的方法，使用球谐函数对VTEC进行描述，分离电离层观测值中相位偏差部分，获取绝对的高精度STEC观测值。具体步骤如下：

a)对GNSS观测网以及各区域CORS网各测站进行逐站标准无电离层组合的PPP定位解算，求解获得各测站各卫星的无电离层组合模糊度。

b)基于所述观测网原始观测数据获得MW组合观测值，利用直接取平均后取整的方式获取并固定宽巷整数模糊度。

c)利用步骤a)获得的所述无电离层组合模糊度和步骤b)获得的所述宽巷整数模糊度计算得到窄巷实数模糊度，并建立窄巷小数偏差估计方程，求解窄巷小数偏差值，利用LAMBDA方法固定窄巷整数模糊度。

d)将固定后的所述宽巷整数模糊度和固定后的所述窄巷整数模糊度代入无几何距离相位组合观测值中，提取得到高精度电离层TEC信息。

步骤四，如图3所示，假设地面接收机和卫星的坐标分别为和电离层穿刺点处的纬度、经度及大地高为穿刺点不同视线方向TEC的高度角和方位角分别为Z和A，测站至卫星的距离为S，卫星高为H，N(h)和N(s)分别代表穿刺点处垂直方向的电子密度和视线方向上的电子密度，利用IRI/NeQuick模型计算VTEC值，如公式(1)所示：

步骤五，利用北斗及其他GEO卫星观测数据提取的电离层TEC值作为参考值，并辅助IRI/NeQuick模型等电离层电子密度模型，计算电离层不同时空位置的电离层投影值，统计分析电离层投影值的时空分布规律。然而，由于采用IRI/NeQuick模型计算获得的VTEC值精度较低，因此，利用步骤三计算得到的GEO卫星的高精度VTEC数据，对IRI/NeQuick模型提供的VTEC数据进行校正，然后进行全球拟合。

步骤六，筛选全球范围内的IPP“并置点”。假设穿刺点IPP₁与IPP₂的经纬度分别为和如果两个IPP为“并置点”，则它们应满足下列条件：

步骤七，求解全球范围内“并置点”处电离层投影函数值，求解方法为：

式中，MF为电离层投影函数值；STEC为采用GNSS非差模糊度整数解相位观测值提取的IPP处的高精度STEC值；VTEC为利用GEO卫星得到的高精度VTEC值对IRI/NeQuick模型得到的VTEC值进行校正及全球拟合后得到的IPP处的VTEC值。

步骤八，以IRI/NeQuick模型作为电离层电子密度的背景场，采用射线跟踪法求得全球任意穿刺点上并置的斜向和垂向电离层延迟。按经纬度、高度角和方位角划分格网，获取格网点上的电离层投影函数值，建立全球粗略的电离层投影格网模型。

步骤九，选取密集的CORS网区域，根据步骤七的获得的全球分布的“并置点”的电离层投影函数值，全面、详细分析这些电离层投影值随经纬度、时间变化(长期、短期)、卫星方位角等影响因素的变化特征和规律。

步骤十，依据步骤九分析得到的时空变化特征与规律(如：时间、经纬度、高度角、方位角等)，结合电离层的物理结构和相关电离层经验模型，对各参数进行模型化和参数化。对每个“并置点”电离层投影函数值即可形成相应观测方程，通过最小二乘估计法解算相关未知参数，构建一种顾及时空变化信息的电离层投影函数模型。

下面结合积极效果对本发明作进一步描述。

本发明采用GNSS非差模糊度整数解相位观测值提取电离层穿刺点(IonosphericPierce Point,IPP)处的高精度电离层斜延迟(Slant Electron Content,STEC)值、GEO卫星的高精度电离层垂延迟(Vertical Electron Content,VTEC)值；同时采用GEO卫星的VTEC数据对利用IRI/NeQuick模型得到的VTEC值进行校正及全球拟合校正，得到校正后的VTEC值；获取全球分布的电离层并置点电离层STEC与VTEC的比值；得到用于电离层投影函数建模的数据集；统计分析得到的电离层投影值的时空分布与变化规律，并结合电离层物理结构和经验模型，参数化各影响因素并采用最小二乘法对求解各参数。本发明给出了联合GNSS MEO卫星和北斗GEO卫星的电离层投影函数误差分析与建模方法，以提高电离层投影函数模型精度、电离层建模精度及GNSS单频用户的定位精度。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

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。