一种适用于区域电离层TEC的精确建模方法技术

本发明专利技术公开的一种适用于区域电离层TEC的精确建模方法，涉及定位系统技术领域。该方法首先获取原始斜向电离层时延TEC，然后利用倾斜因子，将斜向TEC转换为垂直TEC，根据观测样本的经度、纬度和相应的垂直TEC，建立以多元二次函数为基函数的径向基函数，并由连续径向基函数，构建线性矩阵方程，解算最优系数，并利用最优系数重构线性矩阵方程组，获取精确的各网格格点或某一给定位置的电离层时延预测值。本发明专利技术公开的精确建模方法，不仅能够为电离层形态学的理论研究提供数据支撑，同时为广大GNSS单频用户提供准确的电离层折射修正值，解决由于数据缺失而引起的导航定位精度下降的问题，进一步提升以无线电为传播信标的空间应用系统的服务性能。

An Accurate Modeling Method for Regional Ionospheric TEC

【技术实现步骤摘要】
一种适用于区域电离层TEC的精确建模方法
本专利技术涉及定位系统
，具体涉及一种适用于区域电离层TEC的精确建模方法。
技术介绍
电离层上接外层大气，下连中层大气，是日地空间环境中承上启下的重要环节和关键层次。电离层含有大量的自由电子和离子，能使穿越其中的电磁波改变传播速度，发生反射或折射，从而会对以无线电为传播信标的各类空间系统产生重要影响。因此，如何有效消除电离层附加时延，提升广大单频GNSS接收机用户的服务性能，是国内外学者研究的热点问题。全球定位系统(GPS)自投入使用以来，由于其覆盖广、成本低的特点，迅速成为电离层物理等相关空间科学领域的有力观测手段。近年来，各国为了摆脱军事和民用方面对美国GPS系统的过度依赖，纷纷建立自主的卫星导航系统。俄罗斯格洛纳斯(Glonass)的复苏、欧洲伽利略(Galieo)系统以及中国的北斗二代(Compass)等全球卫星系统GNSS的构建和运行极大增加了卫星的数量，因此基于GNSSTEC的电离层模式研究得到了迅速地发展。为了进一步改善GNSS导航性能，通过地面监测系统和一定形式的数据链对GNSS进行增强是十分必要的。卫星增强系统中，消除电离层附加时延通常采用的方法是建立电离层网格模型，即将电离层等效为距离地面350km高度的薄层，同时沿经线和纬线按5°×5°的间隔划分一定数量的网格，通过采集GNSS伪距和载波相位数据，采用电离层经验模型为名义(传输)模型、距离加权等方法获取每一网格格点的电离层垂直时延。用户则同样采用距离加权算法内插周围4个网格格点的电离层时延计算自己所在位置的垂直延迟。通过建立电离层网格模型，距离加权等算法，旨在为服务区内广大单频接收机用户提供了高精度的导航定位服务。与地处中高纬的北美地区不同，中国大部分地区位于中低纬区域，电离层的形态变化较为复杂，特别是南部上空的电离层位于赤道异常区的北驼峰附近，由电离层引起的无线电传输时延不仅高出其它地区同类信号的若干倍，且随时间变化快，空间经向方向有很强的水平梯度。因此，上述单纯以距离因素为核心，电离层模型输出为趋势的预报方法在中国南部区域得到的电离层时延TEC的精度相对不高。特别是观测样本数据较少的条件下，甚至导致部分网格格点无值，系统可用性大大降低。因此，鉴于以上问题，有必要提出一种区域电离层TEC精确建模的方法，以解决由于复杂电离层形态以及样本数据不足而引起的导航定位精度下降的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术公开一种适用于区域电离层TEC的精确建模方法，不仅能够为电离层形态学的理论研究提供数据支撑，同时为广大单频GNSS用户解决了由于数据缺失而引起的导航定位精度下降的问题。根据本专利技术的目的提出的一种适用于区域电离层TEC的精确建模方法，包括以下步骤：步骤一：将距离地面60～1000km的电离层假设为地球上空350km处的薄层球壳模型，根据中国区域位置，取经度范围80°E～125°E、纬度范围15°N～40°N，沿经度和纬度方向按5°×5°的间隔将电离层薄层划分为若干网格格点。步骤二：利用全球卫星系统GNSS提供的双频观测数据，依据码和载波相位测量原理获取相对TEC和绝对TEC。步骤三：采用差分和平滑技术获得接收机-卫星传播路径上的原始斜向电离层时延TEC参数。步骤四：利用倾斜因子，将斜向电离层时延TEC转换为垂直电离层时延TEC，并将垂直电离层时延TEC视为服务区域内观测的样本数据。步骤五：根据观测样本的经度、纬度和相应的垂直电离层时延TEC，建立以多元二次函数为基函数的径向基函数，并由连续径向基函数，构建线性矩阵方程，解算最优系数。步骤六：利用最优系数重构线性矩阵方程组，获取精确的各网格格点或某一给定位置的电离层时延预测值。优选的，步骤三中原始斜向电离层时延TEC含有由GNSS卫星和接收机接收信号不一致而引起的系统硬件偏差，根据基准观测样点的位置，选取较高观测仰角条件下GIMTEC参数，解算接收机硬件偏差，同时利用国际GNSS服务组织IGS提供的DCB文件剔除卫星硬件偏差值，最终得到具有较高精度的斜向电离层时延TEC观测值。优选的，步骤四中倾斜因子计算公式为：式中Is为斜向TEC，Iv为垂直TEC，χi为球壳薄层与卫星-接收机连线交点处的仰角。优选的，步骤五中径向基函数连续方程s为j＝1,2,...n，式中，ωi是权重系数，为观测样点间的距离，P(xj)为线性多项式。优选的，线性多项式的数学表达式为：P(xj)＝c0+c1·lat+c2·lon，其中，lat是地理纬度，lon是地理经度，c0、c1和c2为待求多项式系数。优选的，权重系数和多项式系数满足如下关系：优选的，由径向基函数连续方程s转化的线性矩阵方程为：其中由此解算各系数ωi、c0、c1和c2。与现有技术相比，本专利技术公开的一种适用于区域电离层TEC的精确建模方法的优点是：1.该精确建模方法与单纯以距离内插为核心的方法相比，不仅引入径向基函数表征观测样点间的相似性，而且利用多项式构建TEC的空间模式，多参数描述有利于准确刻画电离层TEC形态，特别是低纬地区的复杂变化。因此，该方法能够为广大GNSS单频用户提供准确的电离层折射修正值，进一步提升以无线电为传播信标的空间应用系统的服务性能。2.该精确建模方法利用服务区域所有观测样本信息，即使在样本较为稀疏的条件下仍具有较高的可靠性和可用性，有效避免了距离插值方法中因观测样本数量不足导致的某些网格格点无值的问题。附图说明为了更清楚的说明本专利技术实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。图1是本专利技术的GNSS测量斜向TEC的处理流程图。图2是本专利技术的电离层TEC建模流程图。图3是本专利技术的服务区域部分观测点TEC的预测比较图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本专利技术保护的范围。图1-图3示出了本专利技术较佳的实施例，分别从不同的角度对其进行了详细的剖析。如图1-3所示的一种适用于区域电离层TEC的精确建模方法，包括以下步骤：步骤一：在中国及周边的服务区域内，建立广域增强系统，选取25-40个基准站为观测样点，记录地理纬度和经度。将距离地面60～1000km的电离层假设为地球上空350km处的薄层球壳模型，根据中国区域位置，取经度范围80°E～125°E、纬度范围15°N～40°N，沿经度和纬度方向按5°×5°的间隔将电离层薄层划分为若干网格格点。步骤二：利用全球卫星系统GNSS提供的双频观测数据，依据码和载波相位测量原理获取相对TEC和绝对TEC。步骤三：采用差分和平滑技术获得接收机-卫星传播路径上的原始斜向电离层时延TEC参数。而原始斜向电离层时延TEC含有由GNSS卫星和接收机接收信号不一致而引起的系统硬件偏差，需加以剔除。具体的，根据基准观测样点的位置，选取较高观测仰角条件下GIMTEC参数，解算接收机硬件偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于区域电离层TEC的精确建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将距离地面60～1000km的电离层假设为地球上空350km处的薄层球壳模型，根据中国区域位置，取经度范围80°E～125°E、纬度范围15°N～40°N，沿经度和纬度方向按5°×5°的间隔将电离层薄层划分为若干网格格点；步骤二：利用全球卫星系统GNSS提供的双频观测数据，依据码和载波相位测量原理获取相对TEC和绝对TEC；步骤三：采用差分和平滑技术获得接收机‑卫星传播路径上的原始斜向电离层时延TEC参数；步骤四：利用倾斜因子，将斜向电离层时延TEC转换为垂直电离层时延TEC，并将垂直电离层时延TEC视为服务区域内观测的样本数据；步骤五：根据观测样本的经度、纬度和相应的垂直电离层时延TEC，建立以多元二次函数为基函数的径向基函数，并由连续径向基函数，构建线性矩阵方程，解算最优系数；步骤六：利用最优系数重构线性矩阵方程组，获取精确的各网格格点或某一给定位置的电离层时延预测值。

【技术特征摘要】
1.一种适用于区域电离层TEC的精确建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将距离地面60～1000km的电离层假设为地球上空350km处的薄层球壳模型，根据中国区域位置，取经度范围80°E～125°E、纬度范围15°N～40°N，沿经度和纬度方向按5°×5°的间隔将电离层薄层划分为若干网格格点；步骤二：利用全球卫星系统GNSS提供的双频观测数据，依据码和载波相位测量原理获取相对TEC和绝对TEC；步骤三：采用差分和平滑技术获得接收机-卫星传播路径上的原始斜向电离层时延TEC参数；步骤四：利用倾斜因子，将斜向电离层时延TEC转换为垂直电离层时延TEC，并将垂直电离层时延TEC视为服务区域内观测的样本数据；步骤五：根据观测样本的经度、纬度和相应的垂直电离层时延TEC，建立以多元二次函数为基函数的径向基函数，并由连续径向基函数，构建线性矩阵方程，解算最优系数；步骤六：利用最优系数重构线性矩阵方程组，获取精确的各网格格点或某一给定位置的电离层时延预测值。2.根据权利要求1所述的一种适用于区域电离层TEC的精确建模方法，其特征在于，步骤三中原始斜向电离层时延TEC含有由GNSS卫星和接收机接收信号不一致而引起的系统硬件偏差，根据基准观测样点的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄智，马勇，孟跃红，唐丝语，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32