一种基于自适应随机模型的全球电离层建模方法技术

本发明专利技术涉及一种基于自适应随机模型的全球电离层建模方法，首先，利用剔除周跳后的相位平滑伪距观测值，然后利用多系统GNSS观测值自适应调节随机模型，结合球谐函数模型得到观测方程，其次，对待估参数附加时间相关性约束，垂直电离层总电子含量(VTEC)估值附加非负约束及卫星DCB附加零均值约束，得到并解算法方程，最终获取全球电离层图及码伪距偏差(DCB)估值。本发明专利技术针对四大全球导航卫星系统(GNSS)观测数据设计；适用于全球GNSS测站后处理解算电离层模型；基于观测数据确定的随机模型具有自适应特性；基于模型参数间的时间相关性附加约束，模型的拟合程度更高；基于电离层自身物理特性附加非负约束，模型更能反映真实的电离层变化规律。层变化规律。层变化规律。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应随机模型的全球电离层建模方法


[0001]本专利技术涉及卫星定位导航GNSS电离层模型研究领域，尤其涉及一种用于全球电离层监测与研究的电离层建模方法。

技术介绍

[0002]随着电子通讯技术的发展与普及，人们的日常生活已离不开电子设备。然而，电子通讯信号由于自身的特性，在星地间传播的过程中不可避免地会受到电离层干扰。这对人们的生产及生活造成很大影响。因此，研究电离层对电子信号传播的影响，已成为电离层乃至整个地球空间环境研究中的一个重要研究领域。由于电离层本身具有的色散特性，穿过电离层的电子信号会产生与自身频率相关的延迟。根据这一特点，可以利用多频GNSS观测数据来提取电离层延迟。随着全球导航卫星系统的不断完善，基于GNSS观测数据的电离层监测技术已成为一种新生的手段。与其他传统观测技术相比，GNSS方法因其具有的反演精度高，覆盖范围广，全天候连续观测等优势，迅速成为国内外的研究热点。
[0003]尽管目前国内外对于电离层的模型化研究已较为成熟，但仍存在一定的不足。例如，在随机模型确定方面，如何确定不同系统间观测值精度，给出合理可靠的先验权比，仍然是一个值得研究的问题。目前，国内外各家分析中心普遍采用GPS+GLONASS双系统观测数据来生成GIM，在观测值定权的时候并未考虑不同系统观测值精度的差异，导致GIM的拟合程度不佳。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出：通过GNSS站间单差的方法，消除与卫星相关的误差，接收机DCB作为恒定不变的常量，将不同系统单差观测值的峰对峰值(最大值与最小值之差)作为衡量观测值精度的指标，从而确定系统间的权比关系。本专利技术利用全球四大导航卫星系统(GPS+GLONASS+Galileo+BeiDou)观测数据，采用站间单差的方法，对不同系统的观测值精度进行估计，从而得到合理可靠的系统间权比关系。
[0005]综上所述，本专利技术提出一种基于自适应随机模型的全球电离层模型构建方法，基于多系统观测数据来分析观测值精度，确定系统间的权比关系，从而建立准确合理的随机模型，具有更好的自适应特性。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供了一种基于自适应随机模型的全球电离层建模方法，包括：
[0007]步骤L1：获取GNSS观测数据，根据所述GNSS观测数据获取载波相位平滑伪距观测值；
[0008]步骤L2：根据步骤L1所述观测值，获取不同系统间观测量的权比关系；
[0009]步骤L3：获取卫星精密星历及地面站精确位置，根据观测值与待估参数的关系获取GNSS观测方程；
[0010]步骤L4：根据步骤L3所述观测方程，获取附加约束条件后的法方程并解算；
[0011]步骤L5：根据L4所述法方程解，获取求解待估参数及全球电离层格网点处VTEC估值；
[0012]步骤L6：根据L5所述VTEC估值，获取附加不等式约束后解算的参数及观测值估值；
[0013]步骤L7：根据L6所述观测值估值，获取残差检验后的观测值，重复步骤L2～L6；
[0014]步骤L8：根据步骤L7所述参数估值，获取GIM文件及DCB产品。
[0015]可选的，在上述全球电离层TEC模型构建方法中，所述步骤L1包括：
[0016]获取所述对象的基准站全天及前后两小时的GNSS观测数据；
[0017]对所述GNSS观测数据进行周跳探测及剔除处理；
[0018]对所述数据进行载波相位平滑伪距处理，获取分段平滑的GNSS观测值。
[0019]可选的，在上述全球电离层TEC模型构建方法中，所述步骤L2包括：
[0020]获取全球IGS站中相距小于200m且包含四系统观测值的测站对；
[0021]对所述测站对的观测数据进行天线相位中心改正，获取改正后的载波相位平滑伪距观测值；
[0022]对所述观测值进行测站间单差处理，计算单差观测值的峰对峰值，确定系统间权比关系。
[0023]可选的，在上述全球电离层TEC模型构建方法中，所述步骤L3包括：
[0024]根据所述数据计算穿刺点在太阳地磁参考系中的坐标；
[0025]根据所述卫星及接收机位置坐标计算观测高度角，利用高度角加权公式确定每个观测量的权；
[0026]根据球谐函数模型，结合电离层分段线性模型，计算每个历元穿刺点位置的待估参数系数；
[0027]构建GNSS观测方程。
[0028]可选的，在上述全球电离层TEC模型构建方法中，所述步骤L4包括：
[0029]根据所述观测方程，依据最小二乘准则构建法方程；
[0030]对卫星DCB参数附加零均值约束；
[0031]对球谐系数附加随机游走约束。
[0032]可选的，在上述全球电离层TEC模型构建方法中，所述步骤L6包括：
[0033]根据所述VTEC估值，获取VTEC估值为负的格网点经纬度；
[0034]根据所述格网点，构建不等式约束方程
[0035]迭代解算不等式约束方程，求解参数估值。
[0036]可选的，在上述全球电离层TEC模型构建方法中，所述步骤L7包括：
[0037]根据所述观测值估值，计算观测值残差；
[0038]按照拉依达准则进行依次检验观测值残差；
[0039]若检验通过，则保留观测值；
[0040]若检验失败，则剔除观测值。
[0041]综上所述，本专利技术采用附加多种约束的球谐函数模型，根据TEC的全球变化规律对参数附加多种约束，提高了全球电离层模型的拟合程度及精度。
[0042]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0043]现有的全球电离层模型普遍采用GPS+GLONASS双系统观测值建立，并未充分利用
多系统观测数据。而基于GNSS四系统观测值的全球电离层建模方法，充分利用各系统的观测数据，模型拟合程度更高，结果更加真实可靠。
[0044]现有的全球电离层建模方法中系统间权比关系普遍由经验方法给出，在长期的电离层模型构建中无法保持长久的稳定性，对于长时间电离层监测的可靠性有一定影响。本专利技术采用建模当天的观测数据来确定各系统观测值的精度，具有较强的实时性和适用性。
附图说明
[0045]图1为本专利技术一优选实施例中的全球电离层TEC建模方法流程示意图；
[0046]图2为图1中步骤S2的具体流程示意图；
[0047]图3为图1中步骤S3的具体流程示意图；
[0048]图4为图1中步骤S6的具体流程示意图；
具体实施方式
[0049]下图将结合示意图对本专利技术的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本专利技术的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精确比例，仅用以方便，明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。
[0050]相关术语：
[0051]GNSS是全球导航卫星系统
[0052]VTEC是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应随机模型的全球电离层建模方法，其特征在于，包括：步骤L1：获取GNSS观测数据，根据所述GNSS观测数据获取载波相位平滑伪距观测值；步骤L2：根据步骤L1所述观测值，获取不同系统间观测量的权比关系；步骤L3：获取卫星精密星历及地面站精确位置，根据观测值与待估参数的关系获取GNSS观测方程；步骤L4：根据步骤L3所述观测方程，获取附加约束条件后的法方程并解算；步骤L5：根据L4所述法方程解，获取求解待估参数及全球电离层格网点处VTEC估值；步骤L6：根据L5所述VTEC估值，获取附加不等式约束后解算的参数及观测值估值；步骤L7：根据L6所述观测值估值，获取残差检验后的观测值，重复步骤L2～L6；步骤L8：根据步骤L7所述参数估值，获取GIM文件及DCB产品。2.如权利要求1所述的全球电离层建模方法，其特征在于，所述步骤L1包括：获取所述对象的基准站全天及前后两小时的GNSS观测数据；对所述GNSS观测数据进行周跳探测及剔除处理；对所述数据进行载波相位平滑伪距处理，获取分段平滑的GNSS观测值。3.如权利要求1所述的全球电离层建模方法，其特征在于，所述步骤L2包括：获取全球IGS站中相距小于200m且包含四系统观测值的测站对；对所述测站对的观测数据进行天线相位中心改正，获取改正后的载波相位平滑伪距观测值；对所述观测值进行测站间单差处理，计算单差观测值的峰对峰值，确定系统间权比关系。4.如权利要求1所述的全球电离层建模方法，其特征在于，所述步骤L3包括：根据所述数据计算穿刺点在太阳地磁参考系中的坐标；根据所述卫星及接收机位置坐标计算观测高度角，利用高度角加权公式确定每个观测量的权；根据球谐函数模型，结合电离层分段线性模型，计算每个历元穿刺点位置的待估参数系数；构建GNSS观测方程。5.如权利要求1所述的全球电离层建模方法，其特征在于，所述步骤L4包括：根据所述观测方程，依据最小二乘准则构建法方程；对卫星DCB参数附加零均值约束；对球谐系数附加随机游走约束。6.如权利要求1所述的全球电离层建模方法，其特征在于，所述步骤L6包括：根据所述VTEC估值，获取VTEC估值为负的格网点经纬度；根据所述格网点，构建不等式约束方程；迭代解算不等式约束方程，求解参数估值。7.如权利要求1所述的全球电离层建模方法，其特征在于，所述步骤L7包括：根据所述观测值估值，计算观测值残差；按照拉依达准则进行依次检验观测值残差；若检验通过，则保留观测值；
若检验失败，则剔除观测值。8.如权利要求4所述的全球电离层建模方法，其特征在于，所述步骤L3包括：步骤L31：建立球谐函数模型拟合垂直路径上的总电子含量VTEC的表达式：其中，为非标准化缔合勒让得函数，为球谐函数系数，N为模型阶数，λ，分别为为穿刺点在太阳地磁坐标系下的经纬度；步骤L32：为了准确描述TEC...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛海波，李博峰，尚靖哲，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：