一种多层自适应高精度区域电离层建模方法技术

本发明专利技术公开了一种多层自适应高精度区域电离层建模方法：建立多层自适应模型。根据电离层电子密度峰值高度变化，调整区域电离层模型层高。根据不同层高电离层建模精度，选择最佳层数和层高构建区域电离层建模。采用层数和层高自适应调整策略。当层高为250km单层模型的拟合中误差低于层高为450km单层模型的拟合中误差时，采用三层模型进行电离层建模，三层高度为(150,300,450)km；否则，采用层高为450km的单层模型进行电离层建模。相对于现有技术优点在于：相对于层高固定的单层模型，克服了模型层高严重偏离电子密度峰值层高度产生的建模精度变差问题。相对于层数固定的双层或三层模型，避免了电离层平静期模型过拟合现象，提高了区域电离层建模的精度和适用性。提高了区域电离层建模的精度和适用性。提高了区域电离层建模的精度和适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种多层自适应高精度区域电离层建模方法


[0001]本专利技术涉及区域电离层模型构建
，尤其涉及一种多层自适应高精度区域电离层建模方法。

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，可提取卫星至测站信号传播路径电子总量(TEC)。通过投影函数，将传播方向TEC投影至天顶方向，得到天顶方向电子总量(VTEC)。利用区域内TEC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TEC，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，构建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、CORS服务等领域具有重要意义。
[0003]利用层高固定的单层模型，可完成区域电离层建模。通常采用层高为450km的单层球谐函数模型建立VTEC观测方程，计算球谐模型系数，获得区域电离层模型。虽然层高固定的单层模型法计算简便，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，当前主要利用多层模型建立斜向电子总量(STEC)观测方程，估计区域电离层模型系数。然而，多层模型的系数更多，在电离层平静期容易出现模型过拟合问题，导致模型精度降低和建模稳定性变差。在电离层活跃期，若仍然按照层高固定、层数不变模型建立区域电离层模型，区域电离层模型将难以适应电离层的快速变化，建模效果有待改进。
[0004]构建区域电离层模型，成为GNSS信号电离层延迟改正、区域增强定位等工作的关键
技术实现思路
。当前主要采用层高固定、层数不变的薄层模型进行区域电离层建模。但是，固定层高建模，难以适应不同时段电离层电子密度峰值高度变化的实际情况。现有薄层电离层模型主要采用单层模型、双层模型、三层模型，但是仅使用一种层数的模型难以在所有时段和地区获得最优的建模精度。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种多层自适应高精度区域电离层建模方法，从而解决了现有技术中存在的前述问题。为克服传统层高和层数固定模型在区域电离层建模方面的局限性，提高区域电离层建模精度和适应能力，本专利技术提出了多层自适应区域电离层建模新方法。本专利技术根据区域电离层在平静期和活跃期的变化特性，使用了不同层数和层高变化的模型进行区域电离层建模，提高了区域电离层建模的精度。本专利技术设计了模型层数和层高自适应配置策略，根据当地太阳活动时段、不同层高单层模型拟合中误差判断电离层的变化特征，自适应调整模型层高和层数，提高了区域电离层建模的适应能力。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种多层自适应高精度区域电离层建模方法，包括以下步骤：
[0008]S1，观测数据准备；
[0009]S2，基于所述观测数据，利用层高450km单层球谐模型建立区域电离层模型，得到模型系数和拟合中误差δ1；
[0010]S3，判断是否为平静期，判断结果如果为“否”则进入S4，判断结果如果为“是”则进入步骤S8；
[0011]S4，利用层高250km单层球谐模型建立区域电离层模型，得到模型拟合中误差δ2；
[0012]S5，判断所述δ1是否小于所述δ2，判断结果如果为“否”则进入S6，判断结果如果为“是”则进入步骤S8；
[0013]S6，利用层高为(150，300，450)km三层球谐模型建立区域电离层模型，得到模型系数；
[0014]S7，输出层高(150，300，450)km三层球谐系数作为区域电离层建模结果，进入步骤S9；
[0015]S8，输出层高450km单层球谐系数作为区域电离层建模结果，进入步骤S9；
[0016]S9，完成区域电离层建模。
[0017]优选的，所述步骤S1具体包括：对于区域CORS网内的监测站，连续观测GNSS卫星，得到多频观测值；获取每小时内所有CORS站的多频相位和伪距观测数据，计算STEC，得到电子总量观测值；按照时长为1小时，建立区域电离层模型，估计模型系数。
[0018]优选的，所述步骤S2具体包括：进行层高为450km的单层区域电离层建模；获取1小时内STEC观测值，将其转换为层高450km的单层VTEC观测值，建立观测方程；利用最小二乘法求解观测方程，估计450km层高单层球谐模型系数；根据450km层高单层球谐模型系数和VTEC观测值，计算模型残差值；统计模型残差值，得到450km层高单层球谐模型拟合中误差δ1。
[0019]优选的，步骤S4具体包括：进行层高为250km的单层区域电离层建模；获取1小时内STEC观测值，将其转换为层高250km的单层VTEC观测值，建立观测方程；利用最小二乘法求解观测方程，估计250km层高单层球谐模型系数；根据250km层高单层球谐模型系数和VTEC观测值，计算模型残差值；统计模型残差值，得到250km层高单层球谐模型拟合中误差δ2。
[0020]优选的，所述步骤S3、S5
‑
S9具体包括：进行电离层模型优选和模型系数输出；若观测时间为地方时晚上20时至早晨8时，则直接使用层高450km单层模型建模，输出层高450km单层球谐模型系数作为区域电离层建模结果；若观测时间为其他时段，则进行不同层高单层模型拟合中误差判断；若层高450km单层球谐模型拟合中误差δ1小于层高250km单层球谐模型拟合中误差δ2，则使用层高450km单层模型建模，输出层高450km单层球谐模型系数作为区域电离层建模结果；若δ1大于δ2，则使用层高为(150,300,450)km三层球谐模型建模，输出层高为(150,300,450)km三层球谐模型系数作为区域电离层建模结果；利用电离层模型和模型系数，计算本时段区域内任意位置处电子总量，提供电离层延迟改正值。
[0021]优选的，获取天顶方向电离层电子总量VTEC的具体步骤为：接收机r连续观测导航卫星s，得到多频相位和伪距观测数据；通过相位平滑伪距法处理多频GNSS观测数据，提供精度更高的平滑伪距；将平滑后的伪距进行频间差分计算，得到卫星至接收机信号传播路径上的电离层延迟；根据电离层延迟和载波频率，计算得到沿传播路径斜向电子总量STEC；根据薄层模型，计算传播路径在薄层上的穿刺点经纬度和天顶角；利用天顶角计算投影函
数，将STEC投影至天顶方向，得到穿刺点处天顶方向电离层电子总量VTEC。
[0022]优选的，当区域电离层建模选择单层区域电离层模型时的具体步骤：当区域电离层建模选择单层模型时，采用2阶球谐函数来拟合区域电离层VTEC值：
[0023][0024]式中，r为接收机，s为卫星；导航信号从卫星s至接收机r的传播路径穿过薄层时存在一个穿刺点，和λ为穿刺点在日固地磁系下的经度和纬度；为从卫星s至接收机r的传播路径电子总量在穿刺点天顶方向的投影值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多层自适应高精度区域电离层建模方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，观测数据准备；S2，基于所述观测数据，利用层高450km单层球谐模型建立区域电离层模型，得到模型系数和拟合中误差δ1；S3，判断是否为平静期，判断结果如果为“否”则进入S4，判断结果如果为“是”则进入步骤S8；S4，利用层高250km单层球谐模型建立区域电离层模型，得到模型拟合中误差δ2；S5，判断所述δ1是否小于所述δ2，判断结果如果为“否”则进入S6，判断结果如果为“是”则进入步骤S8；S6，利用层高为(150，300，450)km三层球谐模型建立区域电离层模型，得到模型系数；S7，输出层高(150，300，450)km三层球谐系数作为区域电离层建模结果，进入步骤S9；S8，输出层高450km单层球谐系数作为区域电离层建模结果，进入步骤S9；S9，完成区域电离层建模。2.根据权利要求1所述的多层自适应高精度区域电离层建模方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：对于区域CORS网内的监测站，连续观测GNSS卫星，得到多频观测值；获取每小时内所有CORS站的多频相位和伪距观测数据，计算STEC，得到电子总量观测值；按照时长为1小时，建立区域电离层模型，估计模型系数。3.根据权利要求1所述的多层自适应高精度区域电离层建模方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：进行层高为450km的单层区域电离层建模；获取1小时内STEC观测值，将其转换为层高450km的单层VTEC观测值，建立观测方程；利用最小二乘法求解观测方程，估计450km层高单层球谐模型系数；根据450km层高单层球谐模型系数和VTEC观测值，计算模型残差值；统计模型残差值，得到450km层高单层球谐模型拟合中误差δ1。4.根据权利要求1所述的多层自适应高精度区域电离层建模方法，其特征在于，步骤S4具体包括：进行层高为250km的单层区域电离层建模；获取1小时内STEC观测值，将其转换为层高250km的单层VTEC观测值，建立观测方程；利用最小二乘法求解观测方程，估计250km层高单层球谐模型系数；根据250km层高单层球谐模型系数和VTEC观测值，计算模型残差值；统计模型残差值，得到250km层高单层球谐模型拟合中误差δ2。5.根据权利要求1所述的多层自适应高精度区域电离层建模方法，其特征在于，所述步骤S3、S5
‑
S9具体包括：进行电离层模型优选和模型系数输出；若观测时间为地方时晚上20时至早晨8时，则直接使用层高450km单层模型建模，输出层高450km单层球谐模型系数作为区域电离层建模结果；若观测时间为其他时段，则进行不同层高单层模型拟合中误差判断；若层高450km单层球谐模型拟合中误差δ1小于层高250km单层球谐模型拟合中误差δ2，则使用层高450km单层模型建模，输出层高450km单层球谐模型系数作为区域电离层建模结果；若δ1大于δ2，则使用层高为(150,300,450)km三层球谐模型建模，输出层...

【专利技术属性】
技术研发人员：李得海，秘金钟，吴文坛，刘明波，赵奕源，赵春梅，李世良，黄晋峰，莫雁寒，夏振营，梁丽芳，曹雪佳，
申请(专利权)人：中国测绘科学研究院，
类型：发明
国别省市：