一种增量式电离层折射误差修正方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于GNSS单频用户的增量式电离层折射误差修正方法，包括：监测站利用GNSS系统通播电离层模型参数计算电离层垂直TEC1，同时利用双频观测数据计算电离层垂直TEC2，得到两者差值ΔTEC；多个监测站均通过通信链路将各自的ΔTEC值传送给主控站；主控站接收各ΔTEC，构建电离层增量变异模型，得到区域内的电离层增量模型广播参数a、b和c，然后通过广播链路将a、b和c发播给用户；用户接收机接收导航信号和a、b和c，利用GNSS系统通播电离层模型参数计算TECGNSS，利用a、b和c通过普通Kriging算法估算电离层增量的最优估计值将TECGNSS和相加得到TECu；利用TECu计算出电离层附加时延，实现对GNSS单频用户高精度的电离层折射误差修正。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星导航系统的电离层折射误差修正领域，尤其涉及一种应用于GNSS单频用户的增量式电离层折射误差修正方法。
技术介绍
早在20世纪90年代中期开始，欧盟为了打破美国在卫星定位、导航、授时市场中的垄断地位，就致力于一个雄心勃勃的民用全球导航卫星系统计划，称之为全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)。该计划分两步实施：第一步是建立一个综合利用美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统的第一代全球导航卫星系统(当时称为GNSS-1，即后来建成的EGNOS)；第二步是建立一个完全独立于美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统之外的第二代全球导航卫星系统，即正在建设中的Galileo卫星导航定位系统。由此可见，GNSS从一问世起，就不是一个单一星座系统，而是一个包括美国的GPS系统、欧洲的Galileo系统、俄罗斯的GLONASS系统以及中国的北斗(Compass)系统等在内的综合星座系统。众所周知，卫星是在天空中环绕地球而运行的，其全球性是不言而喻的；而全球导航是相对于陆基区域性导航而言，以此体现卫星导航的优越性。GNSS系统的快速发展，使得卫星导航定位应用深入到人类生活的方方面面，人们对卫星导航定位系统的性能要求也越来越高。对于GNSS系统而言，由于电离层的折射会对地面用户接收到的卫星载波和伪距信号产生附加时延效应。这种时延效应最大可达到几十米，将严重削弱卫星导航定位的精度和准确度，是卫星导航定位中的主要误差源之一。对于高端用户而言，通常可以利用电离层延迟效应与信号频率的平方反比关系，采用双频或多频组合方式有效地消除这种影响。对于单频实时导航定位用户而言，采用有效的电离层改正模型可以很好地削弱该误差的影响。多数GNSS系统自身会在广播星历中预报电离层模型参数，供各单频用户实时开展电离层折射误差修正。如GPS系统采用的Klobuchar模型，Galileo系统拟采用的NeQuick模型，以及北斗系统采用的类Klobuchar模型。由于广播星历用的预报模型只能在周日尺度上反映电离层的变化特性，而电离层本身存在不稳定性，加上目前对其物理特性的了解还有一定的模糊性，因此采用广播预报模型进行电离层折射误差修正的修正效果对于相当一部分用户来说，难以满足高精度的应用需求。在这种背景下，从二十世纪九十年代以来，国内外学者对适用于单频用户的电离层折射误差实时修正模型进行了深入研究，取得了一定的进展，如格网电离层模型、电离层球谐函数模型、各类其他函数模型、全球电离层同化模型等等，有些已经付诸工程实现。如美国WAAS系统采用格网电离层模型，欧洲EGONS系统采用NeQuick模型，国际GPS地球动力学服务(IGS)发布电离层模型。用户利用这些模型或方法开展电离层折射误差修正，取得了一定的应用效果。基于这类模型的电离层修正过程可归纳为三大步骤，第一大步骤是在系统的服务区域内设置一些基准观测站和中心控制站。由基准站观测提取各自到卫星的电波射线路径上的电离层时延，并通过通信信道传送到中心站；第二大步骤是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；第三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。从实现步骤来看，此类电离层折射修正方法的性能可以从以下几个方面来进行评估：1)修正精度：主要是指用户应用各类模型进行电离层折射误差修正所取得的改正精度；2)监测站的资源配置：一般来说，监测站资源越多，提取的实时观测信息也就越丰富，建立的模型也就越精确，修正精度也就越高，但相应的布站成本也就越高，反之亦然。3)广播参数容量：往往越精确的模型需要越多的参数来表征，广播这些参数对广播信道容量占用也就越多，参数广播成本也就越高，用户首次定位时间也就越长，反之亦然。因此，这些模型的性能优劣取决于在模型修正精度、监测站资源配置和广播参数容量之间权衡，针对不同的应用需求和基础资源配置，不能一概而论。虽然在服务区域内取得了较好的修正效果，但是上述基于广播模型的电离层折射误差修正方法首先都是针对单个GNSS系统，各自独立服务，且都通过设置独立的监测站点提取电离层信息用于建模，这在一定程度上忽略了卫星导航系统本身发播的电离层模型的资源信息，这不但浪费了卫星导航系统本身发播的电离层模型的资源信息，观测资源成本也相当可观，且势必占用了更多的广播信道容量。需要特别指出的是，现有电离层修正模型绝大部分是基于电离层薄层模型的基础上，没有考虑电离层折射误差随卫星仰角及方位角变化的因素，这在一定程度上没有考虑全球尤其是我国的电离层地区特点，在我国低纬地区的对电离层折射误差的修正效果不够明显。经过多年的理论发展和实践验证，如今用于实时发播的电离层误差折射修正方法的研究方向主要是在更好的误差修正效果、更优化的观测站点布站方案、更高效的参数发播途径之间取得平衡。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题目前已有的电离层折射误差修正方法及衍生出的改进方法都有一个共同的地方，都是针对电离层TEC参数或电离层附加时延进行建模，且存在修正精度不高，或模型参数复杂，或布站发播代价大等各种工程实现中的问题或不足。主要包括：(1)如何将双频接收机高质的电离层折射误差修正效果引入单频接收机，提高单频接收机的电离层折射误差修正精度；(2)如何利用附加的少量监测站的实测数据，减少监测站的布站成本；(3)如何利用少量的模型参数，减少占用广播信号的容量；(4)如何减少数据传播成本及数据处理成本。有鉴于此，本专利技术从一个崭新的角度出发，优化解决面向多GNSS的电离层折射误差修正问题，力图在较少的观测站配置以及较少的广播容量占用前提下，提出一种有别于传统电离层折射误差修正方法的增量式电离层折射误差修正方法，应用于GNSS单频用户的电离层折射误差修正，进而实现较高精度的电离层折射误差修正效果。(二)技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种应用于GNSS单频用户的增量式电离层折射误差修正方法，包括：步骤1：监测站利用GNSS系统自身广播的电离层模型参数计算得到卫星信号传播路径与电离层穿刺点处电离层垂直TEC(Total Electron...

【技术保护点】
一种应用于GNSS单频用户的增量式电离层折射误差修正方法，其特征在于，包括：步骤1：监测站利用GNSS系统自身广播的电离层模型参数计算得到卫星信号传播路径与电离层穿刺点处电离层垂直TEC(Total ElectronContent，电子浓度总含量)参数值TEC1，同时设置双频接收机，利用双频观测数据计算卫星信号传播路径与电离层穿刺点处精度较高的电离层垂直TEC参数值TEC2，将TEC2减去TEC1计算两个参数的差值并取绝对值得到TEC参数差值ΔTEC；步骤2：多个监测站均通过通信链路将各自的ΔTEC值传送给主控站；步骤3：主控站接收各监测站的ΔTEC值，构建电离层增量变异模型，通过各监测站的实测值计算得到区域内的电离层增量模型参数a、b和c，然后通过广播链路将该电离层增量模型参数a、b和c发播给用户；步骤4：用户同时接收来自GNSS系统的导航信号和来自广播链路的电离层增量模型参数，利用伪距观测数据计算用户接收机的位置信息(xu，yu，zu)，利用GNSS系统自身广播的电离层模型参数计算得到用户与卫星之间载波信号传播路径与电离层穿刺点处电离层垂直TECGNSS，同时利用广播的电离层增量模型参数a、b和c，通过普通Kriging算法计算得到用户处的电离层TEC参数差值的最优估计值将TECGNSS参数和相加得到准确度更高的TEC参数；步骤5：利用该准确度更高的TEC参数计算出电离层附加时延，实现对GNSS单频用户的增量式电离层折射误差修正。...

【技术特征摘要】
1.一种应用于GNSS单频用户的增量式电离层折射误差修正方法，
其特征在于，包括：
步骤1：监测站利用GNSS系统自身广播的电离层模型参数计算得到
卫星信号传播路径与电离层穿刺点处电离层垂直TEC(Total Electron
Content，电子浓度总含量)参数值TEC1，同时设置双频接收机，利用双
频观测数据计算卫星信号传播路径与电离层穿刺点处精度较高的电离层
垂直TEC参数值TEC2，将TEC2减去TEC1计算两个参数的差值并取绝
对值得到TEC参数差值ΔTEC；
步骤2：多个监测站均通过通信链路将各自的ΔTEC值传送给主控站；
步骤3：主控站接收各监测站的ΔTEC值，构建电离层增量变异模型，
通过各监测站的实测值计算得到区域内的电离层增量模型参数a、b和c，
然后通过广播链路将该电离层增量模型参数a、b和c发播给用户；
步骤4：用户同时接收来自GNSS系统的导航信号和来自广播链路的
电离层增量模型参数，利用伪距观测数据计算用户接收机的位置信息
(xu，yu，zu)，利用GNSS系统自身广播的电离层模型参数计算得到用户与卫
星之间载波信号传播路径与电离层穿刺点处电离层垂直TECGNSS，同时利
用广播的电离层增量模型参数a、b和c，通过普通Kriging算法计算得到
用户处的电离层TEC参数差值的最优估计值将TECGNSS参数和
相加得到准确度更高的TEC参数；
步骤5：利用该准确度更高的TEC参数计算出电离层附加时延，实现
对GNSS单频用户的增量式电离层折射误差修正。
2.根据权利要求1所述的应用于GNSS单频用户的增量式电离层折
射误差修正方法，其特征在于，步骤1中所述监测站利用GNSS系统自身
广播的电离层模型参数计算得到卫星信号传播路径与电离层穿刺点处电
离层垂直TEC参数值TEC1，具体方法为：
采用的电离层折射误差修正模型为GPS系统的Klobuchar模型，采用
的参数为GPS系统广播星历中的αn和βn系数，将αn和βn系数带入
Klobuchar模型中，计算得到电离层折射时延，进而计算得到电离层垂直

\tTEC；
电离层折射时延Td计算公式为：
公式1
其中：
公式2
公式3
其中，(αi，βi)是GPS系统广播星历提供给单频接收机用户的天顶电离
层延迟改正参数；DC表示夜间延迟量，为常数，DC＝5ns；T、θ、A分别
为余弦函数的周期、相位、振幅；表示电离层穿刺点的地磁纬度；t表
示观测时间；
TEC1的计算公式为：
TEC⊥=Td·f2·cos(δ)K=Td·f2·cos(δ)40.32]]>公式4
其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐丽娟，袁洪，刘松川，曲江华，张烨，
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