一种混合阶数区域电离层模型构建方法技术

本发明专利技术公开了一种混合阶数区域电离层模型构建方法，包括基于观测数据建立混合阶数区域电离层模型；根据电离层处于平静期或活跃期，使用不同阶数和模型参数更新间隔建立相应的区域电离层模型；设计模型阶数自适应调整策略，实现混合阶数区域电离层模型向一阶多项式模型或二阶多项式模型的切换；统一混合阶数区域电离层模型参数的生成途径，实现一阶/二阶多项式模型参数的估计。优点是：相对于一阶多项式法，克服了电离层活跃期建模精度低的问题。相对于二阶多项式法，避免了电离层平静期模型过拟合和建模不稳定的局限。在参数生成和建模精度方面，混合阶数区域电离层模型兼容了二阶和一阶模型的优势，保证了区域电离层建模的精度和适用性。的精度和适用性。的精度和适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种混合阶数区域电离层模型构建方法


[0001]本专利技术涉及电离层模型构建
，尤其涉及一种混合阶数区域电离层模型构建方法。

技术介绍

[0002]全球导航卫星系统(GNSS)发送导航信号，为全球用户提供实时、连续、全天候的定位、导航、授时服务。GNSS信号进入大气层后，受到电离层的折射影响，导航信号传播速度发生改变，产生电离层延迟效应。利用GNSS多频观测值，可提取测站至卫星观测视线方向电子总量(TEC)。通过投影函数，将视线方向TEC投影至天顶方向，得到天顶方向电子总量(VTEC)。利用区域内VTEC观测值，可完成区域电离层建模。根据区域电离层模型，可计算区域内任意位置处的VTEC，实现电离层变化监测，支持用户改正电离层延迟，从而扩展GNSS服务领域、提升GNSS定位精度。因此，简便高精度的区域电离层模型，在空间天气监测预报、GNSS局域增强、连续运行参考站(CORS)服务等领域具有重要意义。
[0003]利用阶数固定的多项式模型，可完成区域电离层建模。通常采用一阶多项式模型建立VTEC观测方程，计算一阶多项式系数，获得区域电离层模型。虽然一阶模型法计算简便，但在电离层活跃期的建模精度较低。为了获取高精度电离层模型，当前主要利用高阶模型建立VTEC观测方程，估计区域电离层模型参数。二阶多项式模型可以精确表征区域电离层电子总量及其变化。然而，在电离层平静期，二阶多项式模型容易出现模型过拟合问题，建模稳定性有待提升。在电离层活跃期，若仍然按照固定的较大间隔更新模型参数，区域电离层模型将难以适应电离层的剧烈变化，建模效果有待改进。
[0004]已有研究利用单一阶数和固定更新间隔进行区域电离层建模。由于区域电离层在平静期和活跃期变化特征存在明显差异，导致单一阶数模型难以适应不同变化特征下区域电离层的建模。固定的参数更新间隔，容易出现活跃期电离层剧烈变化期间电离层建模精度变差的问题。
[0005]因此，为克服传统单一阶数模型在区域电离层建模方面的局限性，同时提高区域电离层建模精度和适应能力，本专利技术提出了一种灵活实用的混合阶数区域电离层模型构建方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种混合阶数区域电离层模型构建方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一种混合阶数区域电离层模型构建方法，包括如下步骤，
[0009]S1、基于观测数据建立混合阶数区域电离层模型：
[0010]基于获取的区域内多组刺穿点处天顶方向电离层电子总量VTEC建立混合阶数区域电离层模型；
[0011]S2、模型阶数切换策略：
[0012]根据区域内所有的VTEC与预设阈值之间的大小关系，判定电离层属于平静期或活跃期，根据判定结果确定混合阶数区域电离层模型需要切换至一阶多项式模型或二阶多项式模型；
[0013]S3、模型参数统一：
[0014]根据电离层属于平静期或活跃期，利用最小二乘法估计相应的区域电离层模型参数，并在当电离层处于平静期时为其附加约束条件，确定所有的多项式模型系数，进而获取最终的区域电离层模型参数。
[0015]优选的，步骤S1具体为，设定区域中心经纬度，基于多组刺穿点处天顶方向电离层电子总量VTEC，利用二阶多项式建立混合阶数区域电离层模型；
[0016][0017]其中，(φ,λ)为刺穿点经纬度；(φ0,λ0)为区域中心经纬度，下标i为接收机编号，上标j为卫星编号；为接收机i对卫星j在刺穿点(φ,λ)处的天顶电子总量；DCB
i
为接收机i的硬件延迟；DCB
j
为卫星j的硬件延迟；A
00
、A
10
、A
01
、A
11
为一阶多项式模型系数；A
20
、A
21
为二阶多项式模型系数。
[0018]优选的，利用最小二乘法估计区域电离层模型参数，能够得到各个多项式系数以及接收机和卫星硬件延迟的估计值；根据多项式系数，能够计算区域内任意位置处的VTEC，进而获取区域内电离层延迟改正值。
[0019]优选的，步骤S2具体包括如下内容，
[0020]S21、当区域内所有的VTEC都小于预设阈值时，则认为电离层处于平静期，需要将混合阶数区域电离层模型切换至一阶多项式模型，同时将模型参数更新间隔设置为第一时段；
[0021]S22、当区域内至少一个VTEC大于或等于预设阈值时，则认为电离层处于活跃期，需要将混合阶数区域电离层模型切换至二阶多项式模型，并将模型参数更新间隔设置为第二时段。
[0022]优选的，所述第一时段的时长大于所述第二时段的时长。
[0023]优选的，步骤S3具体包括如下内容，
[0024]S31、若电离层处于活跃期，则按照公式(1)建立区域电离层模型；利用最小二乘法估计该区域电离层模型参数，获取所有的多项式系数以及接收机和卫星硬件延迟的估计值，进而获取最终的区域电离层模型参数；
[0025]S32、若电离层处于平静期，则按照公式(1)建立区域电离层模型，并附加约束条件，约束条件方程如公式(2)，约束条件方程的中误差如公式(3)；利用最小二乘法估计附有约束条件的区域电离层模型参数，获取所有的多项式系数以及接收机和卫星硬件延迟的估计值，进而获取最终的区域电离层模型参数；
[0026]约束条件方程为：
[0027][0028]约束条件方程的中误差为：
[0029][0030]其中，σ
20
为A
20
系数的先验中误差；σ
21
为A
21
系数的先验中误差。
[0031]优选的，步骤S1之前还包括，S0、观测数据准备：
[0032]S01、同一观测时段内，在区域中设置多个GNSS连续跟踪观测站，持续采集多个GNSS卫星的多频观测数据；
[0033]S02、利用成熟的相位平滑伪距法或精密单点定位模型处理多个GNSS卫星的多频观测数据，获取多组观测站至导航卫星的视线方向的电离层延迟；
[0034]S03、根据经典的电离层薄层模型，计算观测视线在薄层上的刺穿点经纬度；
[0035]S04、根据刺穿点处的天顶角，计算投影函数；
[0036]S05、利用投影函数，将实现方向电离层延迟投影至天顶方向，得到多组刺穿点处天顶方向电离层电子总量VTEC。
[0037]本专利技术的有益效果是：1、本专利技术方法根据区域电离层在平静期和活跃期的变化特性，使用了不同阶数的模型分时段进行区域电离层建模，发挥了不同阶数模型在电离层平静期和活跃期的建模优势，提高了全时段区域电离层建模的精度。2、本专利技术方法设计了模型阶数切换策略，按照实测VTEC为依据判断电离层特征，自适应选择模型阶数，自适应调整模型参数更新间隔，完成了模型阶数和更新间隔的自适应切换，提高了区本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合阶数区域电离层模型构建方法，其特征在于：包括如下步骤，S1、基于观测数据建立混合阶数区域电离层模型：基于获取的区域内多组刺穿点处天顶方向电离层电子总量VTEC建立混合阶数区域电离层模型；S2、模型阶数切换策略：根据区域内所有的VTEC与预设阈值之间的大小关系，判定电离层属于平静期或活跃期，根据判定结果确定混合阶数区域电离层模型需要切换至一阶多项式模型或二阶多项式模型；S3、模型参数统一：根据电离层属于平静期或活跃期，利用最小二乘法估计相应的区域电离层模型参数，并在当电离层处于平静期时为其附加约束条件，确定所有的多项式模型系数，进而获取最终的区域电离层模型参数。2.根据权利要求1所述的混合阶数区域电离层模型构建方法，其特征在于：步骤S1具体为，设定区域中心经纬度，基于多组刺穿点处天顶方向电离层电子总量VTEC，利用二阶多项式建立混合阶数区域电离层模型；其中，(φ,λ)为刺穿点经纬度；(φ0,λ0)为区域中心经纬度，下标i为接收机编号，上标j为卫星编号；为接收机i对卫星j在刺穿点(φ,λ)处的天顶电子总量；DCB
i
为接收机i的硬件延迟；DCB
j
为卫星j的硬件延迟；A
00
、A
10
、A
01
、A
11
为一阶多项式模型系数；A
20
、A
21
为二阶多项式模型系数。3.根据权利要求2所述的混合阶数区域电离层模型构建方法，其特征在于：利用最小二乘法估计区域电离层模型参数，能够得到各个多项式系数以及接收机和卫星硬件延迟的估计值；根据多项式系数，能够计算区域内任意位置处的VTEC，进而获取区域内电离层延迟改正值。4.根据权利要求3所述的混合阶数区域电离层模型构建方法，其特征在于：步骤S2具体包括如下内容，S21、当区域内所有的VTEC都小于预设阈值时，则认为电离层处于平静期，需要将混合阶数区域电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李得海，秘金钟，吴文坛，顾志强，赵奕源，赵春梅，崔晓航，郧晓光，闫俊涛，黄晋峰，王维帅，
申请(专利权)人：中国测绘科学研究院，
类型：发明
国别省市：