[發明專利]一種基于GNSS的北極區域電離層相位閃爍因子構建方法

有效

• 申請號: 202010854723.3
• 申請日: 2020-08-24
• 公開（公告）號: CN111983654B
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 趙東升;李旺;李宸棟;唐旭;張克非;克雷格·漢考克
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01S19/37
• 分類號: G01S19/37;G01S19/07
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 李悅聲

1.一種基于GNSS的北極區域電離層相位閃爍因子構建方法，其特征在于：

首先選取位于北極區域的低采樣頻率觀測信號的原始GNSS相位觀測值，結合國際GNSS服務提供的精密星歷和測站坐標進行站星幾何距離改正，通過模型的方法改正其中的衛星鐘、接收機相位中心、相對論、相位纏繞、對流層延遲和固體潮誤差，利用精密單點定位方法進一步消除接收機鐘差和未能用模型改正的對流層濕延遲，利用離散小波變換技術降低信號的噪聲，降低噪聲對電離層閃爍信號的提??；利用連續小波變換技術，對上述信號進行時頻分析，提取出北極區域電離層閃爍對應的經驗信號頻帶范圍，并對頻帶范圍內的信號進行連續小波的逆變換，提取出電離層閃爍信號；設定一定長度的平移窗口，并對窗口內的電離層閃爍信號取標準差，完成基于GNSS低采樣頻率觀測信號的電離層相位閃爍因子構建；

具體步驟為：

步驟1：準確確定測站坐標和每個觀測歷元的衛星坐標，之后改正每顆衛星至測站之間的幾何距離：首先可通過公開的位于北極區域的GNSS數據觀測網絡獲得GNSS原始觀測數據；利用CPRS在線解算軟件通過精密單點定位靜態解算方法獲得測站坐標，通過IGS提供的精密星歷文件中記載的衛星坐標獲取每個觀測歷元的衛星坐標，時間分辨率為15分鐘，采用二階拉格朗日算法內插出每個觀測歷元時刻的衛星坐標，根據測站坐標和每個觀測歷元的截止高度角在15°以上的衛星坐標，通過歐幾里得度量獲得衛星至測站幾何距離改正參數，根據GNSS觀測方程改正北極區域低采樣頻率GNSS原始載波相位觀測值中衛星至測站幾何距離，獲得修正幾何距離之后的觀測值殘差；

步驟2：由于經過站星幾何距離改正后的GNSS原始載波相位觀測值依舊存在多種誤差，因此采用模型改正的方式進行修正，具體包括固體潮、天線相位中心、衛星鐘差、相對論、相位纏繞、對流層干延遲和部分濕延遲誤差的修正：

步驟3：對流層濕延遲精細改正和測站接收機鐘差改正：利用精密單點定位技術，將未通過建模改正部分的對流層濕延遲和測站接收機鐘差作為精密單點定位中的待求參數，對二者進一步改正：

利用模型改正后GNSS原始觀測信號組成雙頻無電離層組合，將該組合作為精密單點定位的基礎觀測值，組成如下觀測方程：

V＝Ax-(L-D)

x＝[δX,δY,δZ,cδt_R,δρ_z,wc,B¹…Bⁱ…B^N]^T

其中，A為系數矩陣，L為無電離層組合觀測值，D為無電離層組合模型改正值，x為待解算參數包括測站三維坐標(δX，δY，δZ)、δρ_z,wc為天頂對流層濕延遲、cδt_R為接收機鐘差，B為模糊度，該觀測方程采用卡爾曼濾波靜態解算方式進行求解，濾波中的狀態轉移矩陣Φ為：

Φ＝diag(1,1,1,0,1,1,…,1)

系統噪聲向量的協方差矩陣Q為：

Q＝diag(0,0,0,9×10¹⁰,10^-4,0,…,0)

采用正向和反向運算相結合的方式提高天頂對流層濕延遲和測站接收機鐘差的估計精度，并將反向運算的結果作為未能利用模型改正的天頂對流層濕延遲δρ_z,wc和測站接收機鐘差cδt_R的估計結果；通過Niell投影函數并結合GNSS觀測方程將獲得的天頂對流層延遲δρ_z,wc改正到每一衛星的觀測值中；

步驟4：通過歷元間做差的方法準確確定接收機鐘差出現鐘跳的發生歷元，當鐘跳存在時，歷元間做差后的載波相位觀測值會存在毫秒級的階躍，利用精密單點定位方法無法準確估計出接收機鐘差變化的細節部分，因而對經過站星幾何距離改正、模型改正、對流層濕延遲改正和接收機鐘差初步改正的GNSS載波相位觀測值進行鐘差的進一步精細改正；

步驟5：對經過上述步驟改正后的GNSS載波相位觀測值利用離散小波變換的方法剔除觀測噪聲：采用現有的小波去噪經驗信息：小波基選為多貝西極限相位小波，消失矩為2，小波分解層數為5層，降噪閾值確定方法為考慮信噪比的Stein無偏似然估計和固定閾值估計折中的原則，即信噪比很小時，按照Stein無偏似然估計處理時，信號噪聲很大，在這種情況下，采用固定閾值處理，計算方法為其中n為數據的長度；

步驟6：利用連續小波變換提取閃爍對應頻帶區間及構建閃爍因子：對GNSS載波相位觀測值經過上述步驟改正后，其殘差為電離層緩慢變化的部分和電離層閃爍部分，利用連續小波變換的方法將信號從時間域變換到時間-頻率域，通過時頻分析，定位出突變信號即電離層閃爍信號的發生時刻及所在的特征頻率區間，最終確定出Morse小波的對稱參數和時間帶寬積；利用以上參數對殘差進行連續小波變換，并對位于特征頻率區間的小波參數進行連續小波逆變換，獲得電離層閃爍信號；以60s的時間間隔為滑動窗口，對電離層閃爍信號求標準差，獲得基于GNSS低采樣頻率觀測數據的電離層相位閃爍因子。