基于背景模型和实测数据的电离层延迟误差修正方法技术

本发明专利技术公开了一种基于背景模型和实测数据的电离层延迟误差修正方法，能够有效消除地基GNSS基准站分布情况和实测数据质量对修正精度的影响，提高电离层延迟误差修正精度。本发明专利技术所述方法通过比例因子综合利用了电离层背景模型和GNSS实测数据，用户端借助STEC比例因子格网点图对电离层斜向总电子含量进行估计，兼顾了在不同时间尺度和空间范围内的电离层综合修正效果，有效消除地基GNSS基准站分布情况和数据质量对电离层模型修正精度的影响；对电离层斜向总电子含量进行直接建模，突破了传统电离层GNSS实测模型在电离层总电子含量建模过程中的多次STEC/VTEC互相转换模式和由此带来的精度损失，提高了电离层延迟误差修正精度。 1

Ionospheric delay error correction method based on background model and measured data

The invention discloses an ionospheric delay error correction method based on the background model and the measured data, which can effectively eliminate the influence of the distribution of the foundation GNSS datum station and the measured data quality to the correction precision, and improve the correction precision of the ionosphere delay error. In this method, the ionospheric background model and the GNSS measured data are synthetically utilized by the proportion factor. The user side is used to estimate the ionospheric oblique total electron content with the aid of the STEC proportional factor lattice graph, and the comprehensive correction effect of the ionosphere in different time scale and space range is taken into consideration, and the foundation GNSS datum can be effectively eliminated. The influence of station distribution and data quality on the correction accuracy of the ionosphere model; direct modeling of the ionospheric oblique total electron content, breaking through the multiple STEC/VTEC conversion modes of the ionospheric GNSS model in the Ionospheric Total Electron Content modeling process and the resulting precision loss, and improving the ionosphere extension. Correction accuracy of late error. One

【技术实现步骤摘要】
基于背景模型和实测数据的电离层延迟误差修正方法
本专利技术属于空间电离层延迟误差修正
，具体涉及一种基于背景模型和实测数据的电离层延迟误差修正方法。
技术介绍
GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem，全球导航卫星系统)所播发的无线电信号在从卫星端到达用户端的空间段传播过程中，会受到一系列误差源的影响，其中电离层延迟误差是不容忽视的重要误差源之一。在天顶方向上，由于电离层延迟所造成的测距误差可达几十米。由此不难看出，电离层延迟误差的修正效果将直接影响GNSS系统导航、定位、授时服务的可用性、精度及完好性等核心性能指标。根据对电离层物理结构和活动机理的研究可知，由于电离层内部大量自由电子的色散作用，电磁波信号在穿过电离层时传播速度会发生变化，传播路径也会发生弯曲，从而产生延迟误差。电离层延迟误差主要取决于电离层中信号传播路径上的电子密度和电磁波的信号频率。以GPS系统为例，在忽略电离层延迟误差高阶项影响的情况下，由电离层延迟带来的测距误差可以直接通过式(1)，根据信号频率和传播路径上的总电子含量(TotalElectronContent，TEC)计算得到：其中，(Vion)G为伪距观测值对应的电离层延迟测距误差，单位为米；而(Vion)P为载波相位观测值对应的电离层延迟测距误差，单位为米；f为相应的的信号频率，单位为赫兹。可见，确定GNSS电离层延迟误差的关键就是确定用户至卫星间信号传播路径上的总电子含量。对同一电离层而言，从某一测站至各卫星方向上的TEC值是不同的。一般来说，随着卫星高度角的降低，GNSS信号在电离层中的传播路径越长，TEC的值就越大。在该站所有的TEC值中有一个最小值，即天顶方向总电子含量(VerticalTotalElectronContent，VTEC)，天顶方向高度角为90度。VTEC与高程和卫星高度角均脱离了关系，因而被广泛用于反映测站上空电离层的总体特征。然而在实际观测中，卫星恰好位于测站天顶方向的情况较为少见，在大多数情况下，卫星和测站之间的视线连线均为斜向，故卫星与测站之间信号传播路径上的总电子含量一般均用斜向总电子含量(SlantTotalElectronContent,STEC)来表示。在相对定位、双频及多频修正、以及模型修正等一系列GNSS电离层延迟的常用修正方法中。其中，利用GNSS电离层延迟模型修正是非常重要的一类电离层误差消除及削弱方法，利用高精度的电离层延迟修正模型，不仅可以为单频用户提供实时电离层修正信息以提高其GNSS导航定位授时服务性能，还可有效辅助双频/多频用户实现快速精密定位，同时也能够保证卫星导航系统的完好性监测。在利用GNSS电离层延迟修正模型的修正方法中，通过建立电离层TEC随时间、空间、高度等因素分布和变化规律的模型，用户可以直接计算得到观测历元所对应的电离层总电子含量的模型估计值和相应的电离层延迟误差，从而对GNSS实测数据进行电离层延迟误差修正。从电离层TEC建模所用的数据资料和建模方法的角度来看，GNSS电离层延迟修正模型可以分为电离层经验修正模型和电离层GNSS实测模型两大类。其中，电离层经验修正模型(例如：Bent模型、Klobuchar模型、IRI模型、NeQuick模型等)通常是利用长期的大量多源历史观测资料建立的覆盖全球的电离层修正模型，用户可以根据相应的输入参数和理论公式计算得到电离层相关参数及TEC等信息；而电离层GNSS实测模型通常是利用区域或全球GNSS基准站的实测双频观测数据，反演解算得到电离层TEC的实测值，然后采用一定的先验解析函数通过数学拟合从而建立的GNSS基准站网覆盖范围内的电离层TEC模型。这两类GNSS电离层延迟修正模型各有优缺点：电离层经验修正模型由于融合了大量历史和多源观测数据，并且在建模过程中考虑了电离层本身的物理结构、分布特点及活动机理等内在特征和规律，因而能够很好地反应电离层在长期和大尺度上的分布和变化特点，但是在电离层局部特征、突发现象和异常活动等细节特点上的反应能力较为有限，影响修正精度。电离层GNSS实测模型依赖于来自地基GNSS基准站的GNSS实测数据，能够有效反映出基准站附近区域内电离层的实际分布和变化情况等小尺度细节特征，然而由于该模型对地基GNSS实测数据的分布情况和数据质量依赖性较大，故在布站受限等因素导致地基GNSS基准站缺乏的地区，以及实测GNSS数据出现中断、缺失、遗落以及错误等情况下，电离层GNSS实测模型的精度、可用性及可靠性等性能指标将受到极大的影响。另外，在电离层GNSS实测模型的建模过程中，通常采用电离层单层模型(SingleLayerModel)，通过引入一个投影函数将斜向总电子含量(SlantTotalElectronContent,STEC)以简单的投影关系(一般仅依赖于仰角)归算到垂直方向，然后对垂向总电子含量(VerticalTotalElectronContent,VTEC)采用一定的数学解析函数进行平面和时间上的三维建模，并发播模型参数或格网电离层延迟修正产品供用户使用；而用户在使用该电离层修正产品的过程中，需要将按照所播发的模型修正产品进行拟合或插值直接计算得到相应的垂向总电子含量VTEC，再一次利用投影关系推算出实际的STEC，从而完成电离层延迟误差修正。在此过程中，需要进行垂向总电子含量VTEC与STEC之间的两次转换，将不可避免地引入系统误差，从而降低用户总电子含量的估计精度及准确度。随着目前多GNSS系统以及密集基准站的建设，在15度以上高度角和一定密度的基准站分布条件下，现有的GNSS电离层延迟模型修正方法的修正精度不能满足要求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于背景模型和实测数据的电离层延迟误差修正方法，能够有效消除地基GNSS基准站分布情况和实测数据质量对修正精度的影响，提高电离层延迟误差修正精度。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：步骤1，根据GNSS基准参考站得到服务器端各观测历元的STEC实际观测值STECobs，根据电离层背景模型得到所述服务器端各观测历元对应的STEC模型理论值STECmodel；将STECmodel与STECobs之间的比值作为比例因子STECratio；步骤2，将所述比例因子STECratio拟合，得到拟合模型，作为电离层延迟误差修正模型；将电离层延迟误差修正模型传输至用户端；步骤3，用户端根据电离层延迟误差修正模型，计算得到各观测历元对应的STEC比例因子，作为STEC比例因子估计值RatioFactor_user；根据电离层背景模型得到用户端各观测历元的STEC模型理论值STECuser_model，基于步骤1中比例因子STECratio的构建方式，将STECuser_model作为STECmodel，将RatioFactor_user作为STECratio，求得的STECmodel作为用户端各观测历元的STEC估计值STECuser_estimate；步骤4，基于STEC估计值STECuser_estimate实现对GNSS实测数据电离层延迟误差的修正。其中，所述拟合模型为STEC比例因子格网点图文件。进一步地，所述STEC比例因子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于背景模型和实测数据的电离层延迟误差修正方法，包括如下步骤：

【技术特征摘要】
1.一种基于背景模型和实测数据的电离层延迟误差修正方法，包括如下步骤：步骤1，根据GNSS基准参考站得到服务器端各观测历元的STEC实际观测值STECobs，根据电离层背景模型得到所述服务器端各观测历元对应的STEC模型理论值STECmodel；将STECmodel与STECobs之间的比值作为比例因子STECratio；步骤2，将所述比例因子STECratio拟合，得到拟合模型，作为电离层延迟误差修正模型；将电离层延迟误差修正模型传输至用户端；步骤3，用户端根据电离层延迟误差修正模型，计算得到各观测历元对应的STEC比例因子，作为STEC比例因子估计值RatioFactor_user；根据电离层背景模型得到用户端各观测历元的STEC模型理论值STECuser_model，基于步骤1中比例因子STECratio的构建方式，将STECuser_model作为STECmodel，将RatioFactor_user作为STECratio，求得的STECmodel作为用户端各观测历元的STEC估计值STECuser_estimate；步骤4，基于STEC估计值STECuser_estimate实现对GNSS实测数据电离层延迟误差的修正。2.如权利要求1所述的一种基于背景模型和实测数据的电离层延迟误差修正方法，其特征在于，所述拟合模型为STEC比例因子格网点图文件。3.如权利要求2所述的一种基于背景模型和实测数据的电离层延迟误差修正方法，其特征在于，所述STEC比例因子格网点图文件的获取方式为：步骤2.1，利用基于GNSS基准参考站获得的服务器端各观测历元对应的电离层穿刺点地理经纬度信息，将电离层穿刺点的地理纬度转换到Bm地磁纬度，得到电离层穿刺点“地磁纬度-地理经度”组合坐标；步骤2.2，利用同一解算时段内的所有比例因子STECratio，及其对应的电离层穿刺点“地磁纬度-地理经度”组合坐标，采用类聚算法，将比例因子STECratio进行分簇，并用各簇比例因子几何中心的“地磁纬度-地理经度”组合坐标代表该簇比例因子的平均位置；步骤2.3，依据步骤2.2得到的各簇比例因子的平均位置，对模型目标服务区域内的各个格网点依次搜索得到与其距离最近的三簇比例因子，并将此三簇各自比例因子平均值的距离加权平均作为该格网点上的STEC比例因子值；步骤2.4，将所有格网点上STEC比例因子值存储成STEC比例因子格网点图文件。4.如权利要求3所述的一种基于背景模型和实测数据的电离层延迟误差修正方法，其特征在于，所述STEC比例因子估计值RatioFactor_user的获得方式为：按照用户端各观...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文，袁洪，欧阳光洲，李子申，曲江华，唐阳阳，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11