一种基于松弛因子逆时衰减函数的快速电离层层析方法技术

一种基于松弛因子逆时衰减函数的快速电离层层析方法，所述方法包括：将待反演电离层区域进行离散，得到离散网格；获取卫星和观测站的坐标位置；根据所述卫星和观测站的坐标位置确定观测矩阵，并给观测矩阵施加水平约束和垂直约束；将设定经纬高参数输入NeQuick模型，生成对应的电子密度数据；利用松弛因子取为不同衰减函数的ART算法对所述电子密度数据进行迭代修正，得到反演结果；利用内符合精度和外符合精度对电离层电子密度反演结果进行精度的评估并决定终止迭代的阈值。本发明专利技术使得到的反演结果更符合电子密度的空间分布和时间变化情况，可以显著提高反演的精度。可以显著提高反演的精度。可以显著提高反演的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于松弛因子逆时衰减函数的快速电离层层析方法


[0001]本专利技术属于电离层层析领域，具体涉及一种基于松弛因子逆时衰减函数的快速电离层层析方法。

技术介绍

[0002]在空间大气研究、大地测量、卫星导航与定位等诸多实际的研究和应用中，通常都需要高精度的电离层延迟改正信息，因此需要对电离层的物理特性和时空变化规律进行探测，尤其是电离层电子密度的时空分布。由于二维层析重构技术无法实现连续观测，近年来，基于GNSS的三维甚至四维电离层层析技术逐渐发展起来，能够克服二维电离层层析模型的局限性，并逐渐成为一种新的电离层监测手段。
[0003]电离层是距离地面60km到1000km高度的大气层，在不同区域、不同高度受到的太阳辐射等电离源作用程度不同，电离层的电子密度在各个高度的数值大小和变化情况也不尽相同。为了获取电子密度、总电子含量、离子密度等物理参量以及他们的时空变化，需要对电离层进行探测。
[0004]电离层探测可以分为地基探测以及空基探测。19世纪20年代到50年代，电离层探测主要是采用地面测高仪，但是观测时间短，不能用于电离层的长期观测。60年代以后，电离层的探测可以分为两种，一种是将观测设备直接搭载到人造卫星上，一种是在地面上布置接受机来研究相应的物理参数。近年来，电离层探测因全球导航卫星系统的发展，进入了一个新阶段，使全球电离层的实时监测成为可能。
[0005]1988年，Austen利用级数展开法进行CIT研究，利用计算机模拟得到的TEC值。自此之后，俄罗斯等地相继设计CIT实验。将代数迭代重构算法(Algebra Reconstruction Technique，ART)、同时迭代重构算法(Simultaneous Iterative Reconstruction Technique，SIRT)、乘法代数重构算法(Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique，MART)引入CIT中，对电离层进行层析反演，得到电离层电子密度的二维图像。但二维CIT技术的研究存在着很大的缺陷，一天当中卫星只在某一时间段飞过测站上空，无法实现连续观测。
[0006]为了获得高精度、连续的观测结果，将GPS等系统的观测与计算机断层成像技术结合起来，可重构电离层的三维电子密度分布结果。但由于卫星观测数据不够充足，使得电离层电子密度反演结果不唯一，也就是说此反演过程是一个不适定问题。为了克服不适定问题，提出了函数基电离层层析算法和像素基电离层层析算法两类算法。但函数基算法用数学求解的方式很难反应电离层的实际情况和实时变化；在像素基层析算法中，由于卫星和接收机的位置分布，使得观测射线分布不均，观测值不足，导致反演得到的结果精度较差，再加之将待反演区域划分成大量网格，使得计算效率低下。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种基于松弛因子逆时衰减函数的快速电离层层析方法，将
修正函数应用到ART算法中，给ART算法加上水平约束和垂直约束，并令ART算法中的松弛因子的值取为逆时衰减函数，以提升层析反演的精度和效率。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种基于松弛因子逆时衰减函数的快速电离层层析方法，所述方法包括：
[0010]将待反演电离层区域进行离散，得到离散网格；
[0011]获取卫星和观测站的坐标位置；
[0012]根据所述卫星和观测站的坐标位置确定观测矩阵，并给观测矩阵施加水平约束和垂直约束；
[0013]将设定经纬高参数输入NeQuick模型，生成对应的电子密度数据；所述电子密度数据包括初值以及总电子含量；
[0014]利用ART算法对所述电子密度数据进行迭代修正，得到反演结果；所述ART算法中的松弛因子是根据逆时衰减函数及对应的底数构建的；所述松弛因子逆时衰减函数包括指数衰减函数、自然指数衰减函数、余弦衰减函数和分段常数衰减函数；
[0015]利用内符合精度和外符合精度对电离层电子密度反演结果进行精度的评估并决定终止迭代的阈值。
[0016]进一步的，将待反演电离层区域进行离散成网格具体为：将纬度离散间隔为0.5
°
，经度离散间隔为1
°
，高度离散间隔为5km。
[0017]进一步的，基于卫星和观测站的坐标位置确定观测矩阵具体为：计算每条卫星和观测站之间的观测射线在每个网格内的截距长度，并按照特定规则形成观测矩阵。
[0018]进一步的，所述特定规则为，每一条观测射线对应矩阵的一行，每行的元素即为一条射线在每个网格内的截距长度；每一个网格对应矩阵的一列，每一列的元素即不同的射线在当前列所代表的网格里的截距大小。
[0019]进一步的，所述截距的计算公式为：
[0020][0021]其中，a是截距的大小，X1,Y1,Z1表示射线与网格的第一个交点的坐标，X2,Y2,Z2表示射线与网格的另一个交点的坐标。
[0022]进一步的，所述迭代的计算公式如下：
[0023][0024]其中，a
i
是观测矩阵A的第i行，λ是松弛因子，每一次迭代相当于将电子密度x
k
向第i个方程代表的超平面投影。
[0025]进一步的，在迭代过程中松弛因子乘以一个修正函数，使位于不同位置的网格有不同的修正量，所述修正函数的表达式如下：
[0026][0027]其中，x
i
和y
i
分别是网格在当前层中的经向位置和纬向位置，x
c
和y
c
分别是网格在当前层中中心点的经向位置和纬向位置。
[0028]进一步的，所述内符合精度的计算公式为：
[0029][0030]其中，N代表射线的总数，y
i
表示第i条射线上的总电子含量，A是观测矩阵，X为最终迭代获得的电子密度形成的矩阵。
[0031]进一步的，所述外符合精度的计算公式为：
[0032][0033]其中，N代表射线的总数，X为最终迭代获得的电子密度形成的矩阵，X
real
代表电子密度均值形成的矩阵，ΔX是上述两值的差值，是ΔX的均值。
[0034]本专利技术的技术效果：
[0035]本专利技术充分考虑电离层电子密度的分布特性以及观测射线分布不均匀，边缘网格观测量少的情况，使得到的反演结果更符合电子密度的空间分布和时间变化情况，可以显著提高反演的精度；
[0036]本专利技术使用松弛因子取值为几种不同的逆时衰减函数的ART算法，可提升精度并大幅度提高效率，节省成本和时间。
附图说明
[0037]附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所专利技术的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于松弛因子逆时衰减函数的快速电离层层析方法，其特征在于，所述方法包括：将待反演电离层区域进行离散，得到离散网格；获取卫星和观测站的坐标位置；根据所述卫星和观测站的坐标位置确定观测矩阵，并给观测矩阵施加水平约束和垂直约束；将设定经纬高参数输入NeQuick模型，生成对应的电子密度数据；所述电子密度数据包括初值以及总电子含量；利用ART算法对所述电子密度数据进行迭代修正，得到反演结果；所述ART算法中的松弛因子是根据逆时衰减函数及对应的底数构建的；所述松弛因子逆时衰减函数包括指数衰减函数、自然指数衰减函数、余弦衰减函数和分段常数衰减函数；利用内符合精度和外符合精度对电离层电子密度反演结果进行精度的评估并决定终止迭代的阈值。2.根据权利要求1所述的基于松弛因子逆时衰减函数的快速电离层层析方法，其特征在于，将待反演电离层区域进行离散成网格具体为：将纬度离散间隔为0.5
°
，经度离散间隔为1
°
，高度离散间隔为5km。3.根据权利要求1所述的基于松弛因子逆时衰减函数的快速电离层层析方法，其特征在于，基于卫星和观测站的坐标位置确定观测矩阵具体为：计算每条卫星和观测站之间的观测射线在每个网格内的截距长度，并按照特定规则形成观测矩阵。4.根据权利要求3所述的基于松弛因子逆时衰减函数的快速电离层层析方法，其特征在于，所述特定规则为，每一条观测射线对应矩阵的一行，每行的元素即为一条射线在每个网格内的截距长度；每一个网格对应矩阵的一列，每一列的元素即不同的射线在当前列所代表的网格里的截距大小。5.根据权利要求3所述的基于松弛因子逆时衰减函数的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成，刘颖，薛开宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：