一种高分辨率电离层模型的构建方法及装置

本发明涉及电离层建模，尤其涉及一种高分辨率电离层模型的构建方法及装置。

背景技术：

1、全球导航卫星系统(gnss)发送导航信号，为全球用户提供实时、连续、全天候的定位、导航、授时服务。gnss信号进入大气层后，受到电离层的折射影响，导航信号传播速度发生改变，产生电离层延迟效应。利用gnss多频观测值，可提取卫星至测站信号传播路径电子总量(tec)。通过投影函数，将传播方向tec投影至天顶方向，得到天顶方向电子总量(vtec)。利用区域内tec观测值，可完成区域电离层建模。根据区域电离层模型，可计算区域内任意位置处的tec，实现电离层变化监测，支持用户改正电离层延迟，从而扩展gnss服务领域、提升gnss定位精度。因此，构建高精度的区域电离层模型，在空间天气监测预报、gnss局域增强、cors服务等领域具有重要意义。

2、目前，各大导航系统普遍采用经验电离层模型来修正电离层误差。例如，gps系统使用的klobuchar模型、galileo系统使用的nequick模型，以及北斗三号系统采用的bdgim模型。这些模型基于简单的数学函数来描述电离层tec的水平分布，能够有效捕捉电离层的大尺度结构（数千公里）。然而，这些模型在处理电离层的中小尺度不规则现象（如行进式扰动、等离子泡、舌状电离层异常等）时表现出明显不足。

3、其主要缺陷包括：

4、（1）过度平滑化：由于简单数学函数的限制，模型难以反映中小尺度（数百公里及以下）的电离层结构；

5、（2）复杂模型难以推广：更高阶的数学模型虽能提升精度，但增加了模型复杂性和计算负担，并可能导致过度参数化；

6、（3）缺乏物理解释性：传统模型通常依赖统计或经验公式，无法直接解释电离层的物理现象；

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高分辨率电离层模型的构建方法及装置，通过机器学习技术在处理复杂的非线性关系和大规模数据集方面具有显著优势，能够捕捉数据中的深层模式和关联，提供比传统方法更精确的预测。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种高分辨率电离层模型的构建方法，包括：

4、获取目标时间区间内每个时间周期的gnss接收机观测数据、精密产品以及卫星dcb产品；

5、根据每个时间周期的gnss接收机观测数据、精密产品以及卫星dcb产品构建训练集，所述训练集中的训练样本以穿刺点的电离层观测值作为标签数据，以穿刺点的时空信息和电离层物理参数作为输入数据；

6、在目标时间区间内，按照预定的时间间隔进行分段建模，生成每个时间间隔的电离层模型；

7、对于每个时间间隔的电离层模型，从所述训练集中取出相应的训练样本，采用机器学习方法进行训练，获取每个时间间隔最终的电离层模型。

8、可选的，所述根据每个时间周期的gnss接收机观测数据、精密产品以及卫星dcb产品构建训练集包括：

9、令t=2，重复以下步骤，直至t>t，t为时间周期索引，t为总时间周期数：

10、基于第t-1个时间周期的gnss接收机dcb数据、第t个时间周期的精密产品和卫星dcb产品对第t个时间周期的gnss接收机观测数据进行解算，获取第t个时间周期的gnss接收机dcb数据和穿刺点的电离层观测值和时空信息；

11、将第t个时间周期的穿刺点的电离层观测值和时空信息整合生成stec观测值，采用投影函数对所述stec观测值进行转换生成vtec观测值；

12、对第t个时间周期的vtec观测值使用国际电离层参考模型增加电离层物理参数；

13、将第t个时间周期的穿刺点的时空信息和电离层物理参数作为输入数据，穿刺点的电离层观测值作为标签数据生成训练样本，并加入训练集；

14、令t=t+1。

15、可选的，所述穿刺点的时空信息包括：电离层观测时间、电离层观测值的高度角和经纬度。

16、可选的，所述根据每个时间周期的gnss接收机观测数据、精密产品以及卫星dcb产品构建训练集还包括：

17、当t=1时，t为时间周期索引，采用非差非组合ppp方法对第1个时间周期的gnss接收机观测数据、精密产品以及卫星dcb产品进行解算，获取第1个时间周期的gnss接收机dcb数据。

18、第二方面，本发明提供了一种高分辨率电离层模型的构建装置，包括：

19、数据获取模块，被配置为获取目标时间区间内每个时间周期的gnss接收机观测数据、精密产品以及卫星dcb产品；

20、训练集构建模块，被配置为根据每个时间周期的gnss接收机观测数据、精密产品以及卫星dcb产品构建训练集，所述训练集中的训练样本以穿刺点的电离层观测值作为标签数据，以穿刺点的时空信息和电离层物理参数作为输入数据；

21、模型构建模块，被配置为在目标时间区间内，按照预定的时间间隔进行分段建模，生成每个时间间隔的电离层模型；

22、模型训练模块，被配置为对于每个时间间隔的电离层模型，从所述训练集中取出相应的训练样本，采用机器学习方法进行训练，获取每个时间间隔最终的电离层模型。

23、第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括处理器及存储介质；

24、所述存储介质用于存储指令；

25、所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据上述方法的步骤。

26、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

27、第五方面，本发明提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。

28、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

29、本发明提供的一种高分辨率电离层模型的构建方法及装置，将穿刺点的时空信息和电离层物理参数作为输入数据，充分利用每一个原始穿刺点的时空信息，避免传统神经网络模型的图像输入带来的拟合误差；对穿刺点的数据附加了物理模型的特征，提高了电离层模型的可解释性，使模型具有物理意义。通过分段建模，一次训练数据量小，相较于传统神经网络模型不需要长时刻的输入数据，计算速度快并且精度更高，建立的模型更符合真实电离层变化。本发明构建的高分辨率电离层模型，可以生成指定时空分辨率的电离层产品，避免了采用数学函数表达电离层tec造成的过度平滑。

技术特征：

1.一种高分辨率电离层模型的构建方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的高分辨率电离层模型的构建方法，其特征在于，所述根据每个时间周期的gnss接收机观测数据、精密产品以及卫星dcb产品构建训练集包括：

3.根据权利要求1所述的高分辨率电离层模型的构建方法，其特征在于，所述穿刺点的时空信息包括：电离层观测时间、电离层观测值的高度角和经纬度。

4.根据权利要求1所述的高分辨率电离层模型的构建方法，其特征在于，所述根据每个时间周期的gnss接收机观测数据、精密产品以及卫星dcb产品构建训练集还包括：

5.一种高分辨率电离层模型的构建装置，其特征在于，包括：

6.一种电子设备，其特征在于，包括处理器及存储介质；

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-4任一项所述方法的步骤。

8.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，其特征在于，该计算机程序/指令被处理器执行时实现权利要求1-4中任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明公开了电离层建模技术领域的一种高分辨率电离层模型的构建方法及装置，其方法包括：获取目标时间区间内每个时间周期的GNSS接收机观测数据、精密产品以及卫星DCB产品；根据每个时间周期的GNSS接收机观测数据、精密产品以及卫星DCB产品构建训练集，所述训练集中的训练样本以穿刺点的电离层观测值作为标签数据，以穿刺点的时空信息和电离层物理参数作为输入数据；在目标时间区间内，按照预定的时间间隔进行分段建模，生成每个时间间隔的电离层模型；对于每个电离层模型，从所述训练集中取出相应的训练样本，采用机器学习方法进行训练，获取每个时间间隔最终的电离层模型；本发明能够构建高分辨率以及高准确性的电离层模型。

技术研发人员：姚宜斌,陈星,褚睿韬,张良,彭文杰,王容,王伟棠,付乐然
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/6