一种基于椭球的GNSS电离层层析投影矩阵获取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于椭球的GNSS电离层层析投影矩阵获取方法，包括以下的步骤：S1：确定电离层层析待反演区域及待反演时段；S2：将待反演区域离散化为一系列三维像素；S3：准备电离层层析待反演区域及待反演时段内的GNSS卫星和GNSS接收机的大地空间直角坐标；S4：计算待反演时段内GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径与三维像素各个面的交点；S5：计算三维像素内GNSS卫星信号的传播路径的截距长度；S6：构成投影矩阵。本发明专利技术通过基于椭球的GNSS电离层层析获取投影矩阵，克服了目前基于圆球提取投影矩阵方法时将地球椭球近似圆球的问题，保证了相对于地球椭球的投影矩阵能真实反映出GNSS信号传播路径在反演像素内的真实截距。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电离层层析投影矩阵获取方法，特别是涉及一种基于椭球的GNSS电离层层析投影矩阵获取方法。
技术介绍
在高度约为60～1000km范围内的大气层中，由于太阳的紫外线、高能粒子和X射线等作用下，形成的存在着大量自由电子和正离子的区域，这个区域就是电离层。当电磁波在电离层中传播时会发生反射、折射、散射和吸收导致信号的路径产生弯曲、传播速度发生变化等现象。为了解释这些现象的产生需要对电离层的结构进行探测，电离层探测主要是为了获取表征电离层特征的参数(主要研究电子密度)。随着全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)技术的发展，为电离层的研究带来新的技术和方法。利用GNSS观测数据对电离层探测，主要是获得沿卫星信号传播路径上的总电子含量(total electron content,TEC)，通常TEC被认为是投影函数与相应垂直总电子含量(Vertical Total Electronic Content，VTEC)的函数。电离层TEC的空间上的分布只能反映出电离层某一层的水平结构，却难以描述其垂直结构。层次技术(Computerized Tomography,CT)在电离层探测中的应用形成了电离层层析成像技术(Computerized Ionospheric Tomography,CIT)，该技术对电离层电子密度的时空变化进行分层，克服了单层模型的局限性，且适合于大尺度的电离层电子密度垂直分布及其扰动监测，实现了对电离层垂直结构的研究。目前，利用GNSS的电离层层析成像技术取得了很大的发展，但由于GNSS的电离层层析复杂性，电离层层析还有很多问题需要进一步的研究。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种有利于分析高分辨率电离层时空变化的基于椭球的GNSS电离层层析投影矩阵获取方法。技术方案：为达到此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术所述的基于椭球的GNSS电离层层析投影矩阵获取方法，包括以下的步骤：S1：确定电离层层析待反演区域及待反演时段；S2：将待反演区域离散化为一系列三维像素；S3：准备电离层层析待反演区域及待反演时段内的GNSS卫星和GNSS接收机的大地空间直角坐标；S4：计算待反演时段内GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径与三维像素各个面的交点：首先确定折半搜索算法在三维像素各个面的目标位置，然后计算GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径与三维像素各个面的交点；S5：计算三维像素内GNSS卫星信号的传播路径的截距长度；S6：构成投影矩阵。进一步，所述步骤S1包括以下的步骤：S1.1：确定电离层层析待反演区域；确定电离层层析待反演区域的经度范围[L1 Ln]、纬度范围[B1 Bm]和椭球高范围[H1 Hq]；S1.2：确定电离层层析待反演时段[T1 Tt]，电离层层析待反演的时刻为[T1 T2... Tt]。进一步，所述步骤S2包括以下的步骤：S2.1：根据电离层层析待反演区域的经度范围、纬度范围和椭球高范围，将待反演区域离散化为一系列的三维像素，即：经度被离散化为[L1 L2 ... Ln]；纬度被离散化为[B1 B2 ... Bm]；椭球高被离散化为[H1 H2 ... Hq]；S2.2：对三维像素按照经度从西到东、纬度从南到北和椭球高从下到上的方式进行编号：当三维像素的左下角的经度为Li、纬度为Bj和椭球高为Hk，根据式(1)确定这个三维像素编号f：f＝(k-1)×((m-1)×(n-1))+(j-1)×(n-1)+i (1)其中i＝1,2,…,n、j＝1,2,…,m、k＝1,2,…,q。进一步，所述步骤S4中确定折半搜索算法在三维像素各个面的目标位置包括以下的步骤：S4.1：确定折半搜索算法在三维像素椭球高面的目标位置：折半搜索算法在三维像素椭球高面的目标位置分别为S2.1中被间隔的椭球高[H1H2 ... Hq]；S4.2：判断待反演时段内GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径是否属于电离层层析待反演区域；根据折半搜索算法计算出Ts时刻GNSS信号传播路径与椭球高面H1、Hq的交点的大地空间直角坐标分别为[Xh1 Yh1 Zh1]T、[Xhq Yhq Zhq]T，将大地空间直角坐标分别转换成大地坐标[Lh1 Bh1 Hh1]T、[Lhq Bhq Hhq]T；根据式(2)判断Ts时刻GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径是否属于电离层层析待反演区域：若满足式(2)，则Ts时刻GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径属于电离层层析待反演区域；若不满足式(2)，则Ts时刻GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径不属于电离层层析待反演区域； L 1 < [ L h 1 , L h q ] < L n B 1 < [ B h 1 , B h q ] < B m - - -本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于椭球的GNSS电离层层析投影矩阵获取方法，其特征在于：包括以下的步骤：S1：确定电离层层析待反演区域及待反演时段；S2：将待反演区域离散化为一系列三维像素；S3：准备电离层层析待反演区域及待反演时段内的GNSS卫星和GNSS接收机的大地空间直角坐标；S4：计算待反演时段内GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径与三维像素各个面的交点：首先确定折半搜索算法在三维像素各个面的目标位置，然后计算GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径与三维像素各个面的交点；S5：计算三维像素内GNSS卫星信号的传播路径的截距长度；S6：构成投影矩阵。

【技术特征摘要】
1.一种基于椭球的GNSS电离层层析投影矩阵获取方法，其特征在于：包括以下的步骤：S1：确定电离层层析待反演区域及待反演时段；S2：将待反演区域离散化为一系列三维像素；S3：准备电离层层析待反演区域及待反演时段内的GNSS卫星和GNSS接收机的大地空间直角坐标；S4：计算待反演时段内GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径与三维像素各个面的交点：首先确定折半搜索算法在三维像素各个面的目标位置，然后计算GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径与三维像素各个面的交点；S5：计算三维像素内GNSS卫星信号的传播路径的截距长度；S6：构成投影矩阵。2.根据权利要求1所述的基于椭球的GNSS电离层层析投影矩阵获取方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下的步骤：S1.1：确定电离层层析待反演区域；确定电离层层析待反演区域的经度范围[L1 Ln]、纬度范围[B1 Bm]和椭球高范围[H1Hq]；S1.2：确定电离层层析待反演时段[T1 Tt]，电离层层析待反演的时刻为[T1 T2 ... Tt]。3.根据权利要求1所述的基于椭球的GNSS电离层层析投影矩阵获取方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下的步骤：S2.1：根据电离层层析待反演区域的经度范围、纬度范围和椭球高范围，将待反演区域离散化为一系列的三维像素，即：经度被离散化为[L1 L2 ... Ln]；纬度被离散化为[B1 B2 ... Bm]；椭球高被离散化为[H1 H2 ... Hq]；S2.2：对三维像素按照经度从西到东、纬度从南到北和椭球高从下到上的方式进行编号：当三维像素的左下角的经度为Li、纬度为Bj和椭球高为Hk，根据式(1)确定这个三维像素编号f：f＝(k-1)×((m-1)×(n-1))+(j-1)×(n-1)+i (1)其中i＝1,2,…,n、j＝1,2,…,m、k＝1,2,…,q。4.根据权利要求3所述的基于椭球的GNSS电离层层析投影矩阵获取方法，其特征在于：所述步骤S4中确定折半搜索算法在三维像素各个面的目标位置包括以下的步骤：S4.1：确定折半搜索算法在三维像素椭球高面的目标位置：折半搜索算法在三维像素椭球高面的目标位置分别为S2.1中被间隔的椭球高[H1 H2... Hq]；S4.2：判断待反演时段内GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径是否属于电离层层析待反演区域；根据折半搜索算法计算出Ts时刻GNSS信号传播路径与椭球高面H1、Hq的交点的大地空间直角坐标分别为[Xh1 Yh1 Zh1]T、[Xhq Yhq Zhq]T，将大地空间直角坐标分别转换成大地坐标[Lh1 Bh1 Hh1]T、[Lhq Bhq Hhq]T；根据式(2)判断Ts时刻GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径是否属于电离层层析待反演区域：若满足式(2)，则Ts时刻GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径属于电离层层析待反演区域；若不满足式(2)，则Ts时刻GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径不属于电离层层析待反演区域； L 1 < [ L h 1 , L h q ] < L n B 1 < [ B h 1 , B h q ] < B m - - - ( 2 ) ]]>其中s＝1,2,…,t；S4.3：确定折半搜索算法在三维像素经度面和纬度面的目标位置：根据S4.2，若Ts时刻GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径属于电离层层析待反演区域，将S2.1中满足式(3)的经度Li和纬度Bj分别作为折半搜索算法在三维像素经度面和纬度面的目标位置； L h 1 < L i < L h q B h 1 < B j < B h q - - - ( 3 ) . ]]>5.根据权利要求1所述的基于椭球的GNSS电离层层析投影矩阵获取方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下的步骤：S3.1：在电离层层析待反演时段[T1 Tt]内，准备待反演区域内以及周边的GNSS接收机的大地空间直角坐标；S3.2：获取电离层层析待反演时段[T1 Tt]内GNSS卫星星历数据，并根据星历计算待反演时段内GNSS卫星不同时刻的大地空间直角坐标。6.根据权利要求1所述的基于椭球的GNSS电离层层析投影矩阵获取方法，其特征在于：所述步骤S4中计算GNSS卫星到GNSS接收机的信号传播路径与三维像素各个面的交点包括以下的步骤：S4.4：初始化折半搜索算法的参数：将Ts时刻GNSS卫星的大地直角坐标作为上边界将GNSS接收机的大地直角坐标作为下边界设置目标位置LBH，依据实际电离层层析精度需求设置阀值e，其中s＝1,2,…,t；S4.5：计算探测位置，并判定是否继续折半搜索：根据式(4)计算探测位置的大地空间直角坐标将探测位置的大地空间直角坐标转换成大地坐标若目标位置LBH与探测位置相应大地坐标值P.LBH的差的绝对值|P.LBH-LBH|＜e，进行步骤S4.7；若|P.LBH-LBH|≥e，进行步骤S4.6； X Y Z P T = ( ...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡伍生，余龙飞，丁茂华，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32