[發明專利]一種適用于全球區域的GNSS電離層延遲三維建模方法

在審

• 申請號: 201510649132.1
• 申請日: 2015-10-09
• 公開（公告）號: CN105301601A
• 公開（公告）日: 2016-02-03
• 發明（設計）人: 李子申;周凱;袁洪;趙姣姣;袁超;田向偉;來奇峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電研究院
• 主分類號: G01S19/07
• 分類號: G01S19/07;G01S19/41
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 李微微;仇蕾安

技術領域

本發明屬于衛星導航、無線電波傳播以及空間電離層領域，具體涉及一種適用于全球區域的GNSS電離層延遲三維建模方法。

背景技術

經過20多年的發展，GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)不僅使用在軍事領域，也廣泛地應用在民用領域。它以精確、定時、不受地域限制等優點，成為在陸地交通、航海和航空中通用的導航工具，具有全能性、全球性、全天候、連續性和實時性的導航、定位和定時功能，能為用戶提供精密的三維坐標、速度和時間。GNSS從一問世起就不是一個單一星座系統，目前包含了美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的BDS和歐盟的Galileo等系統。

電離層會對穿過其中的GNSS衛星信號產生附加延遲。用戶終端通過傳輸時間進行測距，電離層產生的時間延遲在終端被轉化為距離誤差。電離層延遲所引起的誤差占總測距誤差的絕大部分，是終端定位解算中的主要誤差源。精確可靠的電離層時延修正已成為進一步提升GNSS系統服務性能亟待解決的主要技術問題之一。

常用的全球區域電離層延遲二維建模方法忽略了電離層電子密度在垂直方向的變化，假設電子分布在某一指定高度的薄層上，并且假設某交叉點處的電離層電子濃度總含量(TEC)是各向同性的，使用投影函數將視線方向的TEC(STEC,SlantTEC)與垂直方向的TEC(VTEC,VerticalTEC)進行轉換。上述模型非常有利于描述電離層電子密度的整層變化，對分析穿越整個電離層的GNSS信號受到電離層的影響是非常有效的，大大簡化了數據處理的過程，在電離層活動較為平靜的中緯度地區，上述假設是基本成立的；但是，對于電離層活動劇烈的赤道地區或者是“赤道異?！彪p峰結構的邊緣地區，交叉點南北兩側的電離層TEC變化梯度在低高度角時具有較大的差異，若采用簡單的投影函數描述視線與垂直方向電離層TEC之間的關系，將會帶來較大的誤差。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種適用于全球區域的GNSS電離層延遲三維建模方法，利用經驗正交函數對電離層電子密度在垂直方向的分布進行表征，有效利用了經驗正交函數優良的數學特性，提高了全球區域GNSS電離層延遲三維建模的整體精度與可靠性。

一種適用于全球區域的電離層延遲的三維建模方法，包括如下步驟：

步驟1、獲取表征電離層電子垂直分布的經驗正交函數，具體過程為：

S1、使用國際參考電離層模型IRI2012對與觀測數據同一天的電離層電子剖面進行采樣，得到一天中不同時刻電離層在不同高度上的電子密度采樣數據，構成電離層剖面時間序列；

S2、求取電離層剖面時間序列的協方差矩陣；

S3、對協方差矩陣進行特征值分解得到各個特征值對應的經驗正交函數；

步驟2、構建電離層三維模型,具體為：

用球諧函數表征電離層電子密度的水平方向分布，挑選步驟1得到的部分經驗正交函數，用挑選出的各個經驗正交函數的線性組合表示電離層電子密度的垂直方向分布；對得到的電離層電子密度進行積分即得到電子含量TEC的表達式，其中，積分上、下限分別為地面GNSS接收機的位置和空間GNSS衛星位置；

電離層電子密度的積分形式即為電離層延遲三維模型；其中的經驗正交函數的系數以及球諧函數的系數組成待求解的電離層三維模型的系數；

步驟3、解算電離層延遲三維模型系數，具體為：

S1、獲取X個具有不同接收機位置和/或衛星位置的電子含量TEC的觀測量；

S2、將各個電子含量TEC觀測量與具有相應的地面GNSS接收機位置和空間GNSS衛星位置分別作為積分上、下限的電子含量TEC表達式聯立，得到具有X個方程的非線性方程組；

S3、采用非線性估計方法對所述非線性方程組進行解算，得到電離層三維模型的系數后，建立適用于全球區域的GNSS電離層延遲三維模型。

較佳的，所述步驟1中獲得電離層剖面時間序列的方法為：將一天的時間劃分為多個時間段，在每個時間段內，獲取電離層剖面不同高度上的電子密度數據，則按順序排列的所有時間段的電子密度數據即為電離層剖面時間序列；其中不同高度上的電子密度數據對應的經、緯度相同或者不同。

較佳的，所述步驟2中挑選經驗正交函數的方法為：將特征值按從大到小順序排列，將前k個特征值對應的經驗正交函數進行線性組合用以表示電離層電子密度垂直方向的分布；其中，k的取值由精度要求和計算速度要求決定。