一种GNSS全球与区域电离层延迟无缝融合表达和改正方法

摘要

本发明提供一种GNSS全球与区域电离层延迟无缝融合表达和改正方法，将区域上空的电离层延迟表达为一系列的卫星-测站对基本单元表达电离层延迟，对于新增的测站或卫星提供的新的电离层延迟量，将其作为独立单元直接加入序列尾部，实现了任意范围电离层延迟的无缝融合表达；单个测站-卫星对单元内部表达为卫星号+穿刺点方位角+穿刺点高度角+斜路径电离层延迟+斜路径电离层延迟精度，用户收到斜路径电离层延迟对序列，根据卫星号，穿刺点方位角以及穿刺点高度角选择最匹配的若干斜路径电离层延迟对，内插该用户自身电离层延迟改正量，本发明最大限度的保留了电离层延迟表达与改正精度，实现了全球范围电离层表达与改正模型的无缝融合。

说明书

技术领域

本发明属于全球导航系统领域，特别涉及一种GNSS全球与区域电离层延迟 无缝融合表达和改正方法。

背景技术

导航卫星观测站网络为电离层监测提供了有效的手段，传统的由导航卫星系 统建立的电离层延迟模型都通过规则格网的形式进行表达，如国际导航卫星服务 组织（IGS）提供的I文件就以规则格网点的形式提供电离层模型，用户利用I 文件提供的规则格网上的延迟值，内插其自身穿刺点处的电离层延迟，这一方法 的特点是数据结构简单，便于管理，方便制作立体图进行研究与分析；其缺点是 这种表达方式需要首先将斜路径的电离层延迟投影至天顶方向，然后将其内插至 规则格网点处，无论是投影或是内插都会损失模型精度；另一方面，观测站布设 与卫星图形结构决定了穿刺点的分布不可能均匀，然而由于整个电离层建模范围 内的格网大小固定不变，因此格网过大会损失穿刺点密集区域的细节特征，格网 过小，则在穿刺点稀疏区域会存在大量冗余数据；最后，利用不同参考站网络建 立的电离层格网图模型难以实现无缝融合，用户由两个相邻电离层格网图内插获 得的电离层延迟值，实际上存在一定的不连续。

综上所述，目前广泛采用的规则格网的描述方法并不适用于高精度的电离层 延迟表达，也不适合跨区域的电离层改正连续无缝服务；然而导航用户定位精度 以及其收敛速度很大程度上依赖于电离层延迟改正的效果，因此随着卫星导航技 术的推广，构建更为合适的电离层延迟表达方法是提高其改正精度的重要手段。 发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种GNSS全球与区域电离层延迟无 缝融合表达和改正方法，该方法可以避免投影函数及空间内插带来的精度损失， 而且可以实现多处理中心的电离层延迟数据共享与服务的无缝切换。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种GNSS全球与区域电离层延迟无缝融合表达和改正方法，包括以下步骤，

步骤1、提取服务端各斜路径电离层延迟；

利用参考站双频原始观测值建立观测方程，将电离层合理参数化，建立单站 电离层模型，得到电离层函数，将电离层函数的参数与位置参数同时求解，求得 各斜路径电离层延迟；

所述观测方程如下：

$\left(\begin{array}{c}{P}_r^s={\rho }_r^s+{\mathrm{cdT}}_r+{\mathrm{dTrop}}_r^s+F_{\mathrm{ion}}\left(E\right){(a}_0+a_1\mathrm{dL}+a_2{\mathrm{dL}}^2+a_3\mathrm{dB}\\ +a_4{\mathrm{dB}}^2+r_r^s\left(t\right))+{\Delta }_P\\ {\Phi }_r^s={\rho }_r^s+{\mathrm{cdT}}_r+{\mathrm{dTrop}}_r^s-\frac{c}{f_1}{N}_r^s-F_{\mathrm{ion}}\left(E\right){(a}_0+a_1\mathrm{dL}+a_2{\mathrm{dL}}^2\\ +a_3\mathrm{dB}+a_4{\mathrm{dB}}^2+r_r^s\left(t\right))+{\Delta }_{\Phi }\\ L_{\mathrm{dion},r}^s=a_0+a_1\mathrm{dL}+a_2{\mathrm{dL}}^2+a_3\mathrm{dB}+a_4{\mathrm{dB}}^2+r_r^s\left(t\right)+{\Delta }_{\mathrm{dion}}\end{array}\right)$

所述电离层函数为2阶多项式模型，其公式为：

${\mathrm{dIon}}_r^s=F_{\mathrm{ion}}\left(E\right)(a_0+a_1\mathrm{dL}+a_2{\mathrm{dL}}^2+a_3\mathrm{dB}+a_4{\mathrm{dB}}^2)$

其中：c为真空中光的速度，f₁为载波L1的频率，为卫星s与用户r之间 的整周模糊度参数，为卫星s与用户r之间的伪距观测值，为卫星s与用 户r之间的载波相位观测值，为卫星s与用户r之间的GPS卫星与接收机的真 实距离，dT_r为卫星钟差和接收机钟差的综合影响，为卫星s与用户r之间 的对流层Trop延迟改正，为卫星s与用户r之间的真实电离层延迟dion， $F_{\mathrm{ion}}\left(E\right)(a_0+a_1\mathrm{dL}+a_2{\mathrm{dL}}^2+a_3\mathrm{dB}+a_4{\mathrm{dB}}^2+r_r^s\left(t\right))$为电离层延迟改正的函数表示，其 中F_ion(E)表示电离层ion延迟的函数，E是函数符号，L、B是指经度、纬度， a₀、a₁、a₂、a₃、a₄是系数参数，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄的估值由卡尔曼滤波求得， 为误差项，Δ_P、Δ_Φ、Δ_dion分为别伪距观测值、载波相位观测值的测量噪声 和电离层延迟改正的误差；

步骤2：将区域电离层延迟模型表示为以斜路径电离层延迟为基本单元的集 合，将区域电离层延迟模型发送给用户端；

以斜路径电离层延迟为基本单元，将区域电离层表达为这一基本单元的集 合，在集合中，包括卫星号、穿刺点方位角、穿刺点高度角、斜路径电离层延迟 以及斜路径电离层延迟精度信息；

步骤3：用户端电离层延迟改正；

根据服务端提供的区域电离层延迟模型，用户依据历元时间、卫星号、穿刺 点方位角以及穿刺点高度角筛选最匹配的2至6个斜路径电离层延迟参考值，筛 选原则是选取同一历元同一卫星时穿刺点方位角、高度角最为接近的数据，然后 结合斜路径电离层延迟精度信息加权内插得到用户所需的电离层延迟改正量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明直接利用了原始的参考站至导航卫星的斜路径电离层延迟，避免 了传统表达方法中，各离散电离层延迟投影至天顶方向，以及天顶电离层延迟内 插至规则格网所带来的精度损失，本发明采用斜路径电离层延迟集合的表达方 式，不仅可以避免因投影函数不准，以及空间内插带来的精度损失，而且可以从 分利用密集穿刺点区域的信息，提高电离层的表达精度，最大限度的保留了电离 层延迟表达与改正精度。

2、本发明摒弃了传统规则格网电离层模型的表示策略，采用集合的形式表 达，可以实现多处理中心的数据共享与服务的无缝切换，卫星-测站对电离层延 迟相互独立，因此与卫星个数、测站个数无关，实现了全球大尺度到区域小范围 的电离层表达与改正模型的无缝切换。

附图说明

图1为根据本发明获得的2010年4月1号ALGO站和KOUR站24小时电离 层延迟序列图。

图2为欧洲定轨中心CODG提供的根据传统方法获得的2012年11月1号的 I文件CODG3360.12I部分截图。

图3为根据本发明获得的2012年11月1日斜路径电离层延迟集合文件部 分截图。

图4为根据历元时间、卫星号信息初步筛选获得的斜路径电离层延迟参考 值。

图5为对初步筛选出的斜路径电离层延迟参考值按照穿刺点方位角排序。

图6为最终根据穿刺点高度角筛选获得的斜路径电离层延迟参考值。

图7为与图2相对应的由CODG提供的根据传统方法获得的I文件内插用户 电离层延迟值序列。

图8为与图3相对应的根据本发明获得的由斜路径电离层延迟集合文件内插 用户电离层延迟值序列。

图9为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图9所示，一种GNSS全球与区域电离层延迟无缝融合表达和改正方法， 包括以下步骤，

步骤1、提取服务端各斜路径电离层延迟；提取高精度的斜路径电离层延迟 值是进行电离层延迟表达与改正的基础；

实现方法为：利用参考站双频原始观测值（参考站观测数据）建立观测方程， 将电离层合理参数化，建立单站电离层模型，得到电离层函数，将电离层函数的 参数与位置参数同时求解，求得各斜路径电离层延迟，如图1所示；

观测方程如下：

$\left(\begin{array}{c}{P}_r^s={\rho }_r^s+{\mathrm{cdT}}_r+{\mathrm{dTrop}}_r^s+F_{\mathrm{ion}}\left(E\right){(a}_0+a_1\mathrm{dL}+a_2{\mathrm{dL}}^2+a_3\mathrm{dB}\\ +a_4{\mathrm{dB}}^2+r_r^s\left(t\right))+{\Delta }_P\\ {\Phi }_r^s={\rho }_r^s+{\mathrm{cdT}}_r+{\mathrm{dTrop}}_r^s-\frac{c}{f_1}{N}_r^s-F_{\mathrm{ion}}\left(E\right){(a}_0+a_1\mathrm{dL}+a_2{\mathrm{dL}}^2\\ +a_3\mathrm{dB}+a_4{\mathrm{dB}}^2+r_r^s\left(t\right))+{\Delta }_{\Phi }\\ L_{\mathrm{dion},r}^s=a_0+a_1\mathrm{dL}+a_2{\mathrm{dL}}^2+a_3\mathrm{dB}+a_4{\mathrm{dB}}^2+r_r^s\left(t\right)+{\Delta }_{\mathrm{dion}}\end{array}\right)$

电离层函数（单站电离层延迟模型）为2阶多项式模型，其公式为：

${\mathrm{dIon}}_r^s=F_{\mathrm{ion}}\left(E\right)(a_0+a_1\mathrm{dL}+a_2{\mathrm{dL}}^2+a_3\mathrm{dB}+a_4{\mathrm{dB}}^2)$

其中：c为真空中光的速度，f₁为载波L1的频率，为卫星s与用户r之间 的整周模糊度参数，为卫星s与用户r之间的伪距观测值，为卫星s与用 户r之间的载波相位观测值，为卫星s与用户r之间的GPS卫星与接收机的真 实距离，为卫星钟差和接收机钟差的综合影响，为卫星s与用户r之间 的对流层Trop延迟改正，为卫星s与用户r之间的真实电离层延迟dion， $F_{\mathrm{ion}}\left(E\right)(a_0+a_1\mathrm{dL}+a_2{\mathrm{dL}}^2+a_3\mathrm{dB}+a_4{\mathrm{dB}}^2+r_r^s\left(t\right))$为电离层延迟改正的函数表示，其 中F_ion(E)表示电离层ion延迟的函数，E是函数符号，L、B是指经度、纬度， a₀、a₁、a₂、a₃、a₄是系数参数，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄的估值由卡尔曼滤波求得， 为误差项，Δ_P、Δ_Φ、Δ_dion分为别伪距观测值、载波相位观测值的测量噪声 和电离层延迟改正的误差；

步骤2：将区域电离层延迟模型表示为以斜路径电离层延迟为基本单元的集 合，将区域电离层延迟模型发送给用户端；

实现方法为：以斜路径电离层延迟为基本单元，将区域电离层表达为这一基 本单元的集合，在集合中，包括卫星号、穿刺点方位角、穿刺点高度角、斜路径 电离层延迟以及斜路径电离层延迟精度信息，提供给用户改正使用；

对比图2和图3，传统的I文件中将各穿刺点电离层延迟归化至规则的格 网点处，本方法中，各历元都表达为一系列斜路径电离层延迟单元的集合；

步骤3：用户端（终端）电离层延迟改正；

根据服务端提供的区域电离层延迟模型，用户依据历元时间、卫星号、穿刺 点方位角以及穿刺点高度角筛选最匹配的2至6个斜路径电离层延迟参考值，如 图4所示，用户依据历元时间、卫星号初步筛选最匹配的5个斜路径电离层延迟 参考值，筛选原则是选取同一历元同一卫星时穿刺点方位角、高度角最为接近的 数据，如图5、图6所示，然后结合斜路径电离层延迟精度信息加权内插得到用 户所需的电离层延迟改正量；图7和图8为根据本发明获得的分别与图2和图3 对应的用户电离层延迟值序列。