一种基于多尺度剖分的电离层层析技术和电离层延迟改正方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多尺度剖分的电离层层析技术和电离层延迟改正方法，将区域电离层的三维空间按不同的“像素”尺度进行剖分，由此得到了多个不同的单尺度电离层层析模型，将这些模型的未知变量进行统一解算，并根据不同的权重因子，最终加权得到多尺度层析模型的解，重构区域的电离层电子密度分布，获得区域的电离层延迟。本发明专利技术重构的电离层空间活动规律拟合程度高，时效性强，使用方便；根据本发明专利技术获取的区域电离层延迟量解算结果精度高，使得CORS测量成果的应用范围扩大。经过大量工程实例应用结果分析，经本发明专利技术重构的电离层电子密度分布较之传统的单尺度电离层层析模型更加平滑和合理，且电离层延迟改正精度平均提高了30%。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是，属于大地测量与空间信息技术应用领域。
技术介绍
电离层是距地球表面70_2000km的高层大气，主要由中间层，热层和外大气层组成。而当卫星信号穿过电离层时，会产生一个时间延迟(电离层延迟)，因此，卫星导航和定位的精度被电离层延迟显著影响。电离层延迟一般由电离层总电子含量(TEC)表示，其定义是底面积为一个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电子总数，即为沿着信号传播路径对电子密度的一个线性积分，其单位是TECU。在实际应用中，一般通过双频、多频组合和各种电离层延迟模型消除或改正电离层延迟。传统的电离层建模方法是假定电离层区域所有的自由电子都集中在一个特定高度的无限薄的球层上，基于这种单层的二维电离层模型常见的有多项式模型、三角级数模型和神经网络模型等。虽然利用这些方法所建立的电离层模型进行短时间段内的TEC值预报时，其精度也可达1-3TECU，但是只能获取信号传播路径上的TEC，无法获得电离层电子含量的空间分布，而且也不能反映中小尺度的电离层信息，如电离层扰动、赤道异常现象等。电离层层析成像(CIT)是空间环境无线电波遥感中的一项重要的新技术，通过结合地面的GPS观测数据，可有效地反演出三维的电离层信息，为监测和研究电离层活动规律提供了有力的工具。在实际的电离层层析问题中，由于地基GPS测站缺乏水平或接近水平方向的信号传播射线且GPS测站分布有限，以及信号传播射线分布不均匀，使得采集的数据不完整，这是影响图像反演重建质量的主要因素。为了解决这些问题，很多算法被用来提高层析反演的质量。有关电离层层析的算法，国内外学者做了大量的研究，总结起来有三种:1.经典的迭代重构算法代数重建算法(ART)作为一个经典的迭代重构算法，结合一个预先给定的初始解，对求解电离层层析模型中系数矩阵的病态问题有很高的效率。而基于代数重建算法的乘法代数重建算法(multiplicationalgebraicreconstructiontechnique, MART)在重构电离层电子密度时，有效的避免了出现不合理的负值问题。然而，经过大量实验验证，这两种算法都对初始解比较敏感，计算的时间较长，而且精度不高。2.非迭代重构算法在电离层层析模型中，最常用的非迭代重构算法是特征值分解算法(SVD)，其优点是在反演过程中不需要依赖初始解。但是由于电离层层析模型的系数矩阵都非常大，所以在反演过程中利用特征值分解算法时很难求解系数矩阵的逆矩阵，所以实用性不高。3.改进的迭代重构算法为了提高电离层层析模型的计算效率和电离层电子密度的重构质量，针对经典的迭代重构算法的那些缺点，国内外学者做了大量的改进研究。比如把经典的迭代重构算法(ART)和非迭代重构算法(SVD)相结合得到一个混合重构算法；利用二阶拉普拉斯算子去约束经典迭代重构算法(ART和MART)，得到基于经典迭代重构算法的约束算法。对于改进的迭代重构算法，虽然计算效率和重构质量得到一定提高，但还是没有从根本上改变电离层层析模型的解算模式，导致重构的效果还是不能达到一个理想的状态。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是提供，来提高电离层层析反演的计算速度，反演质量和电离层延迟改正精度。(二)技术方案本专利技术的技术方案为:，包括以下步骤:S1:资料收集:确定区域的范围，根据区域内的CORS数据提取电离层TEC、卫星和测站坐标等数据；S2:根据不同的“像素”尺度，对区域电离层的三维空间进行剖分，针对每个“像素”尺度，建立相应的单尺度电离层层析模型；S3:根据步骤S2中建立的多个单尺度电离层层析模型，建立多尺度电离层层析模型；S4:对多尺度电离层层析模型进行解算，反演区域电离层电子密度；S5:根据多尺度电离层层析模型反演结果，计算区域电离层延迟。其中，所述步骤SI具体包括:S1.1:确定研究区域的经度、纬度和高度范围；S1.2:确定建模的时间段；S1.3:根据区域内每个测站的CORS数据提取S1.2中所给时间段内每个历元的电离层TEC、卫星和测站坐标等数据。S1.4:根据S1.3中数据的质量，确定用来建模的测站，以及测站的位置；其中，所述步骤S2包括:S2.1:确定多尺度电离层层析模型中每个子模型的“像素”尺度；在根据不同的“像素”尺度建立的单尺度电离层层析模型中，我们把“像素”尺度最小的模型称为多尺度电离层层析模型的第一阶子模型，假设第一阶子模型的“像素”尺度为0.5° X0.5° X 15km,在保持高度不变的情况下，则第二阶子模型的“像素”尺度为1° Xl0 X15km，第三阶子模型的“像素”尺度为2° X2° X 15km，以此类推，多尺度电离层层析模型的每个子模型的“像素”尺度都是第一阶子模型“像素”尺度的素数倍，且其最后一阶子模型的“像素”尺度即为整个区域三维空间。S2.2:根据S2.1中确定的每个子模型的“像素”尺度，建立子模型；从卫星到测站之间每条路径上的TEC是沿着该路径对电子密度的一个线性积分，可表不为:TEC = f pNe (s) ds(I)其中凡(S)表示沿信号路径P上的电子密度。由(I)式可知，电离层TEC和电子密度Ne (S)之间有一个非线性的关系，所以在层析模型反演过程中为了简化运算，必须把(I)式线性化。首先假设在S1.2中选定的建模时间段内，电离层的电子密度分布是稳定的；然后把研究区域按S2.1中确定的“像素”尺度剖分成很多小“像素”，则在每个“像素”内的电子密度可认为是一个常数；因此，(I)式可表示为:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多尺度剖分的电离层层析技术和电离层延迟改正方法，包括以下步骤：S1：资料收集：确定研究区域的范围，根据区域内的连续运行卫星定位服务综合系统CORS数据提取电离层TEC、卫星和测站坐标的相关数据；S2：根据不同的“像素”尺度，对区域电离层的三维空间进行剖分，针对每个“像素”尺度，建立相应的单尺度电离层层析模型；S3：根据步骤S2中建立的多个单尺度电离层层析模型，建立多尺度电离层层析模型；S4：对多尺度电离层层析模型进行解算，反演区域电离层电子密度；S5：根据多尺度电离层层析模型反演结果，计算区域电离层延迟。

【技术特征摘要】
1.一种基于多尺度剖分的电离层层析技术和电离层延迟改正方法，包括以下步骤: S1:资料收集:确定研究区域的范围，根据区域内的连续运行卫星定位服务综合系统CORS数据提取电离层TEC、卫星和测站坐标的相关数据； S2:根据不同的“像素”尺度，对区域电离层的三维空间进行剖分，针对每个“像素”尺度，建立相应的单尺度电离层层析模型； S3:根据步骤S2中建立的多个单尺度电离层层析模型，建立多尺度电离层层析模型； S4:对多尺度电离层层析模型进行解算，反演区域电离层电子密度； S5:根据多尺度电离层层析模型反演结果，计算区域电离层延迟。2.如权利要求1所述的基于多尺度剖分的电离层层析技术和电离层延迟改正方法，其特征在于，所述步骤SI具体包括: S1.1:确定研究区域的经度、纬度和高度范围； S1.2:确定建模的时间段； S1.3:根据区域内每个测站的CORS数据提取S1.2中所给时间段内每个历元的电离层TEC、卫星和测站坐 标的相关数据； S1.4:根据S1.3中数据的质量，确定用来建模的测站，以及测站的位置。3.如权利要求1所述的基于多尺度剖分的电离层层析技术和电离层延迟改正方法，其特征在于，所述步骤S2包括: S2.1:确定多尺度电离层层析模型中每个子模型的“像素”尺度；在根据不同的“像素”尺度建立的单尺度电离层层析模型中，把“像素”尺度最小的模型称为多尺度电离层层析模型的第一阶子模型，假设第一阶子模型的“像素”尺度为0.5° X0.5° X15km，在保持高度不变的情况下，则第二阶子模型的“像素”尺度为1° Xl0 X 15km，第三阶子模型的“像素”尺度为2° X2° X 15km，以此类推，多尺度电离层层析模型的每个子模型的“像素”尺度都是第一阶子模型“像素”尺度的素数倍，且其最后一阶子模型的“像素”尺度即为整个区域三维空间； S2.2:根据S2.1中确定的每个子模型的“像素”尺度，建立子模型； 从卫星到测站之间每条路径上的T...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡伍生，郑敦勇，孙洪飞，金旭辉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32