一种基于多站点联合估计中国区域高精度电离层VTEC方法与流程

本发明属于空间环境遥感研究领域，特别涉及该领域中的一种基于多站点联合估计中国区域高精度电离层vtec方法。

背景技术：

1、电离层作为日地空间环境的重要组成部分，与人类活动有着极其密切的联系。特别是近些年我国航天事业蓬勃发展，电离层作为日地空间中航天器、卫星分布最广的区域，其异常活动会对航天器飞行安全、卫星导航定位等造成巨大影响。电离层tec即电离层总电子含量是表征电离层活动的重要参数之一，通过反演区域电离层垂直电离层总电子含量(vtec)变化对于研究空间天气环境具有极其重要的意义。

2、当前区域电离层vtec反演多采用基于实测数据驱动电离层模型的数据同化方法，该方法受限于实测数据质量，所采用的电离层模型只能反映电离层平静期变化。部分学者利用gnss监测站观测数据，采用球谐函数、多项式等硬件延迟(dcb)估计方法反演区域电离层vtec变化，但未考虑当多站点解算的ipp穿刺点位置相近时vtec约束问题，具有区域电离层vtec反演精度欠佳等缺点。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于多站点联合估计中国区域高精度电离层vtec方法，利用中国区域范围内多站点gnss监测站观测数据，根据站点分布和卫星位置自适应划分网格，通过假定同一网格内不同站点ipp穿刺点vtea相同，开展各站点接收机硬件延迟和卫星硬件延迟联合估计，利用获得的多站点ipp穿刺点vtec，采用改进kriging插值方法，实现中国区域电离层vtec高精度反演。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种基于多站点联合估计中国区域高精度电离层vtec方法，采用多站点联合自适应网格法精确获取ipp穿刺点vtec，利用改进kriging插值算法实现区域电离层vtec高精度反演。涉及的主要技术包括：采用载波相位平滑伪距法获取gnss接收机与卫星链路高精度电离层总电子含量(stec)，根据链路分布自适应划分网格数量解算各站点接收机硬件延迟和卫星硬件延迟，进而获取ipp穿刺点处高精度vtec，采用改进kriging插值方法，实现区域电离层vtec高精度反演。其改进之处在于，包括如下步骤：

4、步骤1，获取多站点gnss接收机与卫星链路stec结果：

5、步骤11，计算码伪距、相伪距stec：

6、

7、

8、上式中，stecp、stecl分别为采用码伪距和相伪距计算得到的stec，f1、f2为gnss卫星信号频率，λ1、λ2为gnss卫星信号波长，p1、p2为码伪距，l1、l2为相位测量值(含有整周模糊度)，stecp为绝对值精度较低，stecl为相对值精度高；

9、步骤12，通过检测周跳利用stecp、stecl将整周模糊度进行补偿，计算得到含有硬件延迟的高精度stecobs：

10、stecobs＝stecreal+br+bs

11、上式中，stecreal为剔除接收机和卫星硬件延迟后电离层总电子含量，br、bs分别为接收机硬件延迟和卫星硬件延迟，为待求参量；

12、步骤2，计算接收机与卫星间仰角、方位角和地心夹角以及ipp穿刺点处经度、纬度：

13、步骤21，将gnss接收机经度、纬度、高度记为latr、lonr、heightr，将gnss卫星经度、纬度、高度记为lats、lons、heights，通过下式将经纬高坐标(lat、lon、hight)转为地心地固坐标(x、y、z)：

14、

15、上式中，为基准椭球体的曲率半径，re为地球半径，为椭球偏心率，a为地球椭球长半轴，c为地球椭球短半轴；

16、步骤22，通过下式将地心地固坐标(x、y、z)转换为东北天坐标(e、n、u)：

17、

18、上式中，e、n、u为东北天坐标(站心直角坐标)，s为坐标变换矩阵，xs、ys、zs为gnss卫星地心地固坐标，xr、yr、zr为gnss接收机地心地固坐标；

19、

20、步骤23，计算gnss接收机与gnss卫星仰角ele、方位角az：

21、

22、上式中，atan2为4象限反正切函数，每30s计算一次接收机与卫星仰角，每15min对计算结果取均值，剔除仰角低于15°的数据；

23、步骤24，计算gnss接收机与gnss卫星地心夹角ψ：

24、

25、上式中，h为电离层等效高度；

26、步骤25，计算gnss接收机与gnss卫星ipp穿刺点处经度lat、纬度lon：

27、lat＝asin(sin(latr)cosψ+cos(latr)sinψcos(az))

28、

29、每30s计算一次ipp穿刺点处经度、纬度，每15min对计算结果取均值；

30、步骤3，获得自适应网格及差分方程：

31、步骤31，计算投影函数sf：

32、

33、步骤32，计算ipp穿刺点处剔除gnss接收机与gnss卫星硬件延迟vtecreal：

34、vtecreal＝(stecobs-br-bs)·sf

35、步骤33，根据ipp穿刺点位置及分布，按照经度、纬度自适应划分网格，假定同一网格内不同ipp穿刺点处vtecreal相同，每15min建立差分方程：

36、vtecreal_ippi-vtecreal_ippj＝0

37、上式中，vtecreal_ippi为ipp穿刺点i的vtecreal值，vtecreal_ippj为ipp穿刺点j的vtecreal值，且穿刺点i和j在同一网格内；

38、步骤4，求解各接收机和卫星硬件延迟：

39、步骤41，累积一天观测数据，得到超定线性方程组：

40、ax＝b

41、上式中，a为n_obs×(n_r+n_s)的矩阵，n_r为接收机数量，n_s为卫星数量，n_obs为一天累计有效观测量，x为(n_r+n_s)×1的向量，为待求解的未知系数，由n_r个接收机硬件延迟br和n_s颗gnss卫星硬件延迟bs组成，b为n_obs×1的向量；

42、步骤42，采用最小二乘法求解未知数x，得到各接收机br和卫星bs：

43、x＝(ata)-1atb

44、上式中，上标t为矩阵转置，上标-1为矩阵求逆；

45、步骤5，获取ipp穿刺点处vtecreal结果，采用改进kriging插值求取区域电离层vtec变化。

46、本发明的有益效果是：

47、本发明所公开的方法，充分利用了多站点观测数据，相邻ipp穿刺点处vtec不会存在突变，可用于获取特定区域及周边范围内高精度电离层tec变化，在电离层空间环境监测以及电波信号延迟效应评估等方面具有重要应用价值。

技术特征：

1.一种基于多站点联合估计中国区域高精度电离层vtec方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于多站点联合估计中国区域高精度电离层VTEC方法，包括如下步骤：步骤1，获取多站点GNSS接收机与卫星链路STEC结果：步骤2，计算接收机与卫星间仰角、方位角和地心夹角以及IPP穿刺点处经度、纬度：步骤3，获得自适应网格及差分方程：步骤4，求解各接收机和卫星硬件延迟：步骤5，获取IPP穿刺点处VTEC<subgt;real</subgt;结果，采用改进Kriging插值求取区域电离层VTEC变化。本发明所公开的方法，充分利用了多站点观测数据，相邻IPP穿刺点处VTEC不会存在突变，可用于获取特定区域及周边范围内高精度电离层TEC变化，在电离层空间环境监测以及电波信号延迟效应评估等方面具有重要应用价值。

技术研发人员：王海宁,朱庆林,欧明,董翔,刘琨,盛冬生
受保护的技术使用者：中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13