专利名称：一种电离层残差扰动量的检测方法、装置及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及卫星导航领域，尤其涉及一种电离层残差扰动量的检测方法、装置及系统。
背景技术：
对GPS (Global Positioning System,全球定位系统)地基遥测应用而言， TEC (Total Electron Content，电离层电子总含量)是使卫星无线电波在传播过程中产生信号延迟的最主要因素，精确预测并扣除电离层延迟作用是地基GPS大气水汽遥测技术可得以实用的前提。当GPS测站间距离大于100km时，可以通过加入C0DE(the Center for Orbit Determination in Europe, H^yjfI^flΦ ^^ ) W GIM(Global Ionosphere Map, 电离层分析与预测产品)模型来消去电离层误差；GNSS(GlcAal Navigation satellite Systems，全球卫星导航系统)国际服务组织IGS(The International GNSS Service)通过其下的CODE等地基GPS基准网数据处理与分析中心，每天公开提供GIM，为全球大气电离层活动提供了有效的监测、预报与服务。GIM模型为全球电离层模型，这种模型是根据大量的实际观测值建立起来的，总体精度很好，但电离层中的一些不规则变化会会被平滑掉，难以从模型中得到反映。目前的一种做法是采用瑞士 Berne大学天文学研究学员研制的Bernese软件进行地基GPS数据的处理分析，通过分析长时间序列地基GPS观测数据获取相关GPS测站精度为毫米级的初始坐标，然后采用L4线性组合的解算方法，同时引入CODE-GIM数据，计算得到单个GPS测站到单颗卫星的电离层RO (Residual Observation,残差扰动观测量)。双频GPS接收机通过GPS卫星载波相位信号L1和L2的线性组合L3来消去电离层延迟，但是单频GPS接收机因只有一个载波而无法消去电离层的影响，电离层误差就成为了最大的误差来源，并远大于对流层延迟误差；所以单独使用单频地基GPS接收机就很难推算出对流层总延迟。当GPS测站间距离大于100km时，可以通过加入欧洲定轨中心CODE 提供的全球电离层GIM模型来消去电离层误差；当测站间距离小于IOkm时，测站间的电离层特性相关性强，因此可以通过双差的方法消去电离层误差；但当测站间距离为几十公里时，站间电离层特性相关性较小，无法用双差的方法消除，也无法由GIM模型消除。因此，Rocken等于2000年提出了用线性建模方法建立的区域精细电离层订正方法(即HiRIM方法)，以消除站距为几十公里的接收机天线处电离层误差的技术。该项技术先通过Bernese软件求得区域中(站距小于几十公里)所有双频站双差观测值的残差，然后根据Alber等于2000年提出的理论计算得到单条斜向路径上的电离层残差扰动观测量 R0，最后就可以利用线性拟合的方法求出基于CODE-GIM的电离层修正模型，该修正模型与 CODE-GIM模型能够合并生成高分辨率的HiRIM模型。HiRIM模型能够很好地消除电离层延迟误差，使得单双频接收机混合布网监测大气水汽的想法得以实现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供如何模拟和预报电离层残差扰动量，以提高单频地基GPS测站的定位精度。为了解决上述问题，本发明提供了一种电离层残差扰动量的检测方法，使用在包含多个GPS接收机的检测系统中，所述多个GPS接收机至少包括多个双频GPS接收机；所述方法包括在所述检测系统中选择多个双频GPS接收机；对于所选择的各双频GPS接收机，分别根据该双频GPS接收机测得的电离层残差扰动观测量1、以及该双频GPS接收机的经度和纬度坐标X1、X2，得到对应于该双频GPS接收机的第一关系式y = a1x12+a2x22+a3x1+a4x2+a5x1x2+a6 ；联立所选择的各双频GPS接收机对应的所述第一关系式，求解得到 、 、％、 、％ 禾口 a6 ；将获得的ai、 、a3、a4、a5和 代入所述第一关系式，根据所述检测系统中未被选择的各其它GPS接收机的经度、纬度坐标，分别求出所述其它GPS接收机的电离层残差扰动观测量。进一步地，所述在所述检测系统中选择多个双频GPS接收机的步骤中，选择的是所述检测系统中所有的双频GPS接收机。进一步地，在所述检测系统中所选择的双频GPS接收机至少为6个。本发明还提供了一种电离层残差扰动量的检测系统，包括多个GPS接收机；所述多个GPS接收机至少包括多个双频GPS接收机；应用服务器；其特征在于，所述应用服务器包括选择模块，用于在所述检测系统中选择多个双频GPS接收机；获取模块，用于对于所述选择模块所选择的各双频GPS接收机，分别根据该双频 GPS接收机测得的电离层残差扰动观测量y、以及该双频GPS接收机的经度和纬度坐标Xl、 &，得到对应于该双频GPS接收机的第一关系式y = a1x12+a2x22+a3x1+a4x2+a5x1x2+a6 ；第一计算模块，用于联立所选择的各双频GPS接收机对应的所述第一关系式，求角军得至1J已工、a2、a3、a4、a5禾口 a6 ；第二计算模块，用于将获得的 、％、％、&、％和 代入所述第一关系式，根据所述检测系统中未被所述选择模块选择的各其它GPS接收机的经度、纬度坐标，分别求出所述其它GPS接收机的电离层残差扰动观测量。进一步地，所述选择模块选择的是所述检测系统中所有的双频GPS接收机。进一步地，所述选择模块在所述检测系统中所选择的双频GPS接收机至少为6个。本发明还提供了一种电离层残差扰动量的检测装置，使用在包含多个GPS接收机的检测系统中，所述多个GPS接收机至少包括多个双频GPS接收机；其特征在于，所述装置包括选择模块，用于在所述检测系统中选择多个双频GPS接收机；获取模块，用于对于所述选择模块所选择的各双频GPS接收机，分别根据该双频GPS接收机测得的电离层残差扰动观测量y、以及该双频GPS接收机的经度和纬度坐标Xl、 &，得到对应于该双频GPS接收机的第一关系式y = a1x12+a2x22+a3x1+a4x2+a5x1x2+a6 ；第一计算模块，用于联立所选择的各双频GPS接收机对应的所述第一关系式，求角军得至1J已工、a2、a3、a4、a5禾口 a6 ；第二计算模块，用于将获得的 、％、％、&、％和 代入所述第一关系式，根据所述检测系统中未被所述选择模块选择的各其它GPS接收机的经度、纬度坐标，分别求出所述其它GPS接收机的电离层残差扰动观测量。进一步地，所述选择模块选择的是所述检测系统中所有的双频GPS接收机。进一步地，所述选择模块在所述检测系统中所选择的双频GPS接收机至少为6个。本发明的技术方案提取双频GPS接收机的电离层残差扰动量，采用非线性最优平面拟合的方法对电离层残差扰动量进行模拟和预报，计算出被CODE-GIM全球电离层延迟改正文件所平滑掉的电离层延迟随机扰动量，对CODE-GIM全球电离层改正文件进行补偿， 得到更精细的电离层延迟改正量，从而提高单频地基GPS测站的定位精度，使其能够满足监测大气水汽的要求，对比之前的方案有明显改进。
图1为实施例一的电离层残差扰动量的检测方法的流程示意图；图2为实施例一的例子中的检测系统的示意图；图3为实施例三的电离层残差扰动量的检测装置的示意框图。
具体实施例方式下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。电离层气候学的第一个特点是其随太阳活动的周期性变化或突然性变化远比对流层大气明显，且存在着伴随太阳耀斑爆发或质子事件等因素而形成的电离层突然騷扰。 另一方面引起电离层形态特征变化的机制非常复杂，存在高度的非线性与相互影响。在我国中高纬地区(包括北京)通过GPS测量得到的TEC表明，无论季节变化、周日变化，还是逐时变化，电离层的TEC形态均会表现出异常现象。在太阳活动异常时，电离层TEC形态及其演变特征的异常更甚。本发明在以上工作的基础上，提出如下构思大气及其组成成分(包括电离层)的运动在本质上是非线性的。而之前对电离层残差扰动量进行模拟和预报的方案中并没有考虑区域大气电离层固有的时空演变和物理规律，是一个基于的线性最优超平面拟合技术的数学方案，没有考虑大气电离层固有的非线性时空演变特征及其对区域精细电离层模型构建的可能影响。当太阳活跃等因素造成区域电离层活动异常时，此方案设计存在先天上的不足，因此应采用非线性最优平面拟合的方法对电离层残差扰动量进行模拟和预报。
实施例一、一种电离层残差扰动量的检测方法，使用在包含多个GPS接收机的检测系统中，所述多个GPS接收机至少包括多个双频GPS接收机；所述方法如图1所示，包括在所述检测系统中选择多个双频GPS接收机；对于所选择的各双频GPS接收机，分别根据该双频GPS接收机测得的电离层残差扰动观测量1、以及该双频GPS接收机的经度和纬度坐标χι、χ2，得到对应于该双频GPS接收机的第一关系式y = a1x12+a2x22+a3x1+a4x2+a5x1x2+a6 ；联立所选择的各双频GPS接收机对应的所述第一关系式，求解得到 、 、％、 、％ 禾口 a6 ；将获得的ai、 、a3、a4、a5和 代入所述第一关系式，根据所述检测系统中未被选择的各其它GPS接收机的经度、纬度坐标，分别求出所述其它GPS接收机的电离层残差扰动观测量。本实施例中，所述在所述检测系统中选择多个双频GPS接收机的步骤中，选择的是所述检测系统中所有的双频GPS接收机；即所述其它GPS接收机可以均为单频GPS接收机，这样可以降低整个检测系统的成本。实际应用时不排除其它GPS接收机中包含双频GPS 接收机。本实施例的一种实施方式中，在所述检测系统中所选择的双频GPS接收机至少为 6个。本实施例中，由于所述第一关系式是非线性的，更加符合电离层的实际特征，因此计算出的电离层残差扰动观测量将更加精确；进一步使得采用电离层残差扰动观测量订正后的结果更为精确，提高了 GPS测站的定位精度。下面用一个具体例子进行说明，该例子中涉及的检测系统如图2所示；图2仅为示意用，对各GPS接收机位置没有限定作用；实际应用时各GPS接收机的布局可根据需求而定。图2所示的检测系统中共有12个GPS接收机，包括双频GPS接收机1、双频GPS接收机2、双频GPS接收机3、双频GPS接收机4、双频GPS接收机5、双频GPS接收机6、双频 GPS接收机7、双频GPS接收机8、双频GPS接收机9、双频GPS接收机10、单频GPS接收机 11和单频GPS接收机12。首先，在所述检测系统中选择双频GPS接收机2、双频GPS接收机3、双频GPS接收机4、双频GPS接收机7、双频GPS接收机8和双频GPS接收机9。根据双频GPS接收机9测得的电离层残差扰动观测量y、及双频GPS接收机9的经度和纬度坐标Xl、X2，得到双频GPS接收机9对应的第一关系式y = a1x12+a2x22+a3x1+a4x2+a5x1x2+a6 ；对于所选择的其它五个双频GPS接收机，也分别进行和对双频GPS接收机9同样的操作，得到各自对应的第一关系式。此时，一共得到六个第一关系式，联立这个六个第一关系式，求解得到第一关系式中的参数 、a2、a3、a4、a5禾Π a6。将获得的参数ai、 、a3、a4、a5和 代入所述第一关系式，这时第一关系式中各参数是已知的了，然后就可以据此求解所述检测系统中未被选择的各其它GPS接收机的电离层残差扰动观测量。这里的其它GPS接收机包括双频GPS接收机1、双频GPS接收机5、双频GPS接收机6、双频GPS接收机10、单频GPS接收机11和单频GPS接收机12。以单频GPS接收机12为例说明怎么计算各所述其它GPS接收机的电离层残差扰动观测量；将单频GPS接收机12的经度、纬度坐标X1^2代入已知各参数的第一关系式，最后得到单频GPS接收机12的电离层残差扰动观测量y。双频GPS接收机1、双频GPS接收机5、双频GPS接收机6、双频GPS接收机10和单频GPS接收机11的电离层残差扰动观测量以此类推。实施例二、一种电离层残差扰动量的检测系统，包括多个GPS接收机；所述多个GPS接收机至少包括多个双频GPS接收机；应用服务器，包括选择模块，用于在所述检测系统中选择多个双频GPS接收机；获取模块，用于对于所述选择模块所选择的各双频GPS接收机，分别根据该双频 GPS接收机测得的电离层残差扰动观测量y、以及该双频GPS接收机的经度和纬度坐标Xl、 &，得到对应于该双频GPS接收机的第一关系式y = a1x12+a2x22+a3x1+a4x2+a5x1x2+a6 ；第一计算模块，用于联立所选择的各双频GPS接收机对应的所述第一关系式，求角军得至1J已工、a2、a3、a4、a5禾口 a6 ；第二计算模块，用于将获得的 、％、％、&、％和 代入所述第一关系式，根据所述检测系统中未被所述选择模块选择的各其它GPS接收机的经度、纬度坐标，分别求出所述其它GPS接收机的电离层残差扰动观测量。本实施例中，所述检测系统中各GPS接收机的经度、纬度坐标都是该应用服务器可以从所述检测系统中获得或预存的，所述检测系统中GPS接收机测得的电离层残差扰动观测量是该应用服务器可从所述检测系统获得的，或由人工输入该应用服务器。本实施例中，所述选择模块选择的是所述检测系统中所有的双频GPS接收机；即所述其它GPS接收机可以均为单频GPS接收机，这样可以降低整个检测系统的成本。实际应用时不排除其它GPS接收机中包含双频GPS接收机。本实施例的一种实施方式中，所述选择模块在所述检测系统中所选择的双频GPS 接收机至少为6个。实施例三，一种电离层残差扰动量的检测装置，使用在包含多个GPS接收机的检测系统中，所述多个GPS接收机至少包括多个双频GPS接收机；如图3所示，所述装置包括选择模块，用于在所述检测系统中选择多个双频GPS接收机；获取模块，用于对于所述选择模块所选择的各双频GPS接收机，分别根据该双频 GPS接收机测得的电离层残差扰动观测量y、以及该双频GPS接收机的经度和纬度坐标Xl、 &，得到对应于该双频GPS接收机的第一关系式y = a1x12+a2x22+a3x1+a4x2+a5x1x2+a6 ；第一计算模块，用于联立所选择的各双频GPS接收机对应的所述第一关系式，求角军得至1J已工、a2、a3、a4、a5禾口 a6 ；第二计算模块，用于将获得的 、％、％、&、％和 代入所述第一关系式，根据所述
8检测系统中未被所述选择模块选择的各其它GPS接收机的经度、纬度坐标，分别求出所述其它GPS接收机的电离层残差扰动观测量。本实施例中，假设所述检测系统中各GPS接收机的经度、纬度坐标，以及测得的电离层残差扰动观测量都是可以从所述检测系统中获得的； 实际应用时，也不排除在需要时输入或存储进本装置。本实施例中，所述选择模块选择的可以是所述检测系统中所有的双频GPS接收机。本实施例中，所述选择模块在所述检测系统中所选择的双频GPS接收机至少为6 个。本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种电离层残差扰动量的检测方法，使用在包含多个GPS接收机的检测系统中，所述多个GPS接收机至少包括多个双频GPS接收机；所述方法包括在所述检测系统中选择多个双频GPS接收机；对于所选择的各双频GPS接收机，分别根据该双频GPS接收机测得的电离层残差扰动观测量1、以及该双频GPS接收机的经度和纬度坐标&、x2，得到对应于该双频GPS接收机的第一关系式Y= Sl1X12+a^+a^+a^+a^^+aQ ；联立所选择的各双频GPS接收机对应的所述第一关系式，求解得到％、 、a3、a4, a5和a6 ；将获得的％、％、％、&、％和％代入所述第一关系式，根据所述检测系统中未被选择的各其它GPS接收机的经度、纬度坐标，分别求出所述其它GPS接收机的电离层残差扰动观测量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述在所述检测系统中选择多个双频GPS接收机的步骤中，选择的是所述检测系统中所有的双频GPS接收机。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于在所述检测系统中所选择的双频GPS接收机至少为6个。
4.一种电离层残差扰动量的检测系统，包括多个GPS接收机；所述多个GPS接收机至少包括多个双频GPS接收机； 应用服务器；其特征在于，所述应用服务器包括 选择模块，用于在所述检测系统中选择多个双频GPS接收机； 获取模块，用于对于所述选择模块所选择的各双频GPS接收机，分别根据该双频GPS接收机测得的电离层残差扰动观测量y、以及该双频GPS接收机的经度和纬度坐标X1、x2，得到对应于该双频GPS接收机的第一关系式Y= Sl1X12+a^+a^+a^+a^^+aQ ；第一计算模块，用于联立所选择的各双频GPS接收机对应的所述第一关系式，求解得到 B1 Λ B2 Λ a3、已4、已5 和 ；第二计算模块，用于将获得的 、 、％、 、％和％代入所述第一关系式，根据所述检测系统中未被所述选择模块选择的各其它GPS接收机的经度、纬度坐标，分别求出所述其它 GPS接收机的电离层残差扰动观测量。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于所述选择模块选择的是所述检测系统中所有的双频GPS接收机。
6.如权利要求4或5所述的系统，其特征在于所述选择模块在所述检测系统中所选择的双频GPS接收机至少为6个。
7.一种电离层残差扰动量的检测装置，使用在包含多个GPS接收机的检测系统中，所述多个GPS接收机至少包括多个双频GPS接收机；其特征在于，所述装置包括选择模块，用于在所述检测系统中选择多个双频GPS接收机； 获取模块，用于对于所述选择模块所选择的各双频GPS接收机，分别根据该双频GPS接收机测得的电离层残差扰动观测量y、以及该双频GPS接收机的经度和纬度坐标Xl、x2，得到对应于该双频GPS接收机的第一关系式Y = Sl1X12+a^+a^+a^+a^^+aQ ；第一计算模块，用于联立所选择的各双频GPS接收机对应的所述第一关系式，求解得到 B1 Λ B2 Λ a3、已4、已5 和 ；第二计算模块，用于将获得的 、 、％、 、％和％代入所述第一关系式，根据所述检测系统中未被所述选择模块选择的各其它GPS接收机的经度、纬度坐标，分别求出所述其它 GPS接收机的电离层残差扰动观测量。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于所述选择模块选择的是所述检测系统中所有的双频GPS接收机。
9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于所述选择模块在所述检测系统中所选择的双频GPS接收机至少为6个。
全文摘要
一种电离层残差扰动量的检测方法、装置及系统；所述方法使用在包含多个GPS接收机的检测系统中，所述多个GPS接收机至少包括多个双频GPS接收机；所述方法包括在所述检测系统中选择多个双频GPS接收机；对于所选择的各双频GPS接收机，分别根据该双频GPS接收机测得的电离层残差扰动观测量y、以及该双频GPS接收机的经度和纬度坐标x1、x2，得到对应于该双频GPS接收机的第一关系式y＝a1x12+a2x22+a3x1+a4x2+a5x1x2+a6；联立所选择的各双频GPS接收机对应的所述第一关系式，求解得到a1、a2、a3、a4、a5和a6；将获得的a1、a2、a3、a4、a5和a6代入所述第一关系式，根据所述检测系统中未被选择的各其它GPS接收机的经度、纬度坐标，分别求出所述其它GPS接收机的电离层残差扰动观测量。
文档编号G01S19/07GK102323598SQ20111021726
公开日2012年1月18日 申请日期2011年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者刘强, 张京江, 张朝林, 楚艳丽, 王京丽, 王在文 申请人:中国气象局北京城市气象研究所