一种利用掩星数据精化全球电离层模型的方法与流程

1.本发明涉及gnss定位技术领域，尤其涉及一种利用掩星数据精化全球电离层模型的方法。


背景技术：

2.电离层误差是gnss单频单点定位重要的误差源。电离层模型是提高gnss单频单点定位的重要方式。利用gnss数据计算得到全球电离层模型具有精度高、全球覆盖、使用方便等特点。目前，有多家国际gnss分析机构可以提供全球的电离层产品，如code，武汉大学、中国科学院等机构。然而，这些机构提供的电离层产品是基于全球的igsgnss连续运行站观测数据。由于igs连续运行站在全球范围有限，并且分布不均匀，使得得到的电离层产品精度有区域差异。在海洋区域以及igs站分布稀疏的陆地区域，电离层产品的精度比较低。
3.地球表面超过70％的范围由海洋覆盖，也就意味着全球电离层模型在大部分海洋区域的精度都是不可靠的。
4.为提升全球电离层产品在igs站稀疏区域的精度，文献[1]提出了利用区域gnss站的观测数据获取双频电离层延迟，进而对全球电离层模型进行精化建模。该方法可以有效提升全球电离层模型在区域gnss站附近的精度。但是，由于广袤的海洋区域不能建设igs站，该方法效果有限。
[0005]
文献[2]提出了用多源数据进行全球电离层建模的方法。但该方法必须收集全球范围的gnss观测站的观测数据，进行斜路径电子总含量的提取计算。但该方法所需要的gnss数据较多，计算流程包括相位平滑伪距、dcb分离、球谐函数建模等步骤，计算较为复杂。
[0006]
[1]yang wang,yibin yao,liang zhang*and mingshanfang,a refinement method of real-time ionospheric model for china,remote sensing,2020,12(20),3354,doi:10.3390/rs12203354
[0007]
[2]yao yibin*,liu lei*,kong jian and zhaichangzhi,global ionospheric modeling based on multi-gnss,satellite altimetry and formosat-3/cosmic data,gps solutions,2018,22:104,doi:10.1007/s10291-018-0770-6


技术实现要素：

[0008]
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的是提供一种利用掩星数据精化全球电离层模型的方法。
[0009]
本发明的技术方案是：一种利用掩星数据精化全球电离层模型的方法，所述方法包括以下步骤：
[0010]
s01、计算掩星事件射线穿入和穿出点的坐标；
[0011]
s02、利用全球电离层模型球谐系数计算穿入点和穿出点处全球电离层模型的观测路径上的绝对电子含量和投影函数；
[0012]
s03、计算对应掩星事件的观测路径上的绝对电子含量的先验模型值；
[0013]
s04、计算对应掩星事件的观测路径上的绝对电子含量的先验误差；
[0014]
s05、更新全球电离层模型球谐系数。
[0015]
进一步地，所述步骤s01根据低轨卫星坐标和gnss卫星坐标计算掩星事件射线穿入和穿出点。
[0016]
进一步地，所述步骤s03中对应掩星事件的观测路径上的绝对电子含量的先验模型值的计算方法如下：
[0017][0018]
其中，为观测路径上的绝对电子含量先验模型值，vtec
in
为射线穿入电离层薄层处的垂直方向电子总含量，vtec
out
为射线穿出电离层薄层处的垂直方向电子总含量，mf
in
为穿入点的投影函数，mf
out
为穿出点的投影函数。
[0019]
进一步地，所述vtec
in
和vtec
out
的计算方法如下：
[0020][0021]
vtec(φ
ipp
,λs)表示地心纬度为φ
ipp
和经度λs处的垂直方向电子总含量，c
nm
和s
nm
为全球电离层模型的球谐系数，为勒让德函数，n为球谐函数的阶数，m为球谐函数的次数。
[0022]
进一步地，所述步骤s04中计算对应掩星事件的观测路径上的绝对电子含量的先验误差的计算方法如下：
[0023][0024]
式中，表示先验误差，steci表示第i号掩星事件观测路径上的绝对电子含量，由掩星观测数据给出；表示第i号掩星事件观测路径上的绝对电子总含量的先验模型值。
[0025]
进一步地，所述步骤s05中更新全球电离层模型球谐系数的方法如下：
[0026][0027][0028]
式中，为更新后的球谐系数，kk为增益矩阵，r是stec的观测误差，是先验协方差阵，根据全球电离层球谐函数模型的精度及误差传播定律可以得到，hk矩阵为对应掩星事件的观测路径上的绝对电子含量的先验模型值的计算公式对应的设计矩阵，
[0029][0030]
其中，φ
in
表示穿入点维度，λ
in
表示穿入点经度，φ
out
表示穿出点维度，λ
out
表示穿出点经度。
[0031]
进一步地，所述mf
in
和mf
out
的计算方法如下：
[0032]
mf＝cosz
ipp
；
[0033]
式中，mf表示投影函数，z
ipp
表示天顶距。
[0034]
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明采用了掩星数据，并根据掩星数据特点提出了利用全球电离层模型球谐函数计算对应掩星事件的先验模型值，并利用先验模型值计算先验误差，并使用先验误差更新球谐系数，从而得到掩星数据更新后得到的更为精确的全球电离层模型球谐系数，由于掩星事件全球均匀分布，无论是海洋还是陆地，都有大量的掩星事件发生，因此可以提高全球电离层模型在稀疏站区域的精度。另外本发明采用已有的全球电离层模型产品进行精化建模，不再需要收集全球gnss观测数据，不再需要基于gnss观测数据进行相位平滑伪距、dcb分离、球谐函数建模等步骤的复杂计算，收集数据更容易，计算步骤更简单。
附图说明
[0035]
图1为本发明的流程图；
[0036]
图2为本发明的另一流程图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图及具体的实施例对发明进行进一步介绍：
[0038]
实施实例1：参考图1和图2，一种利用掩星数据精化全球电离层模型的方法，所述方法包括以下步骤：
[0039]
s01、计算掩星事件射线穿入和穿出点的坐标；
[0040]
s02、利用全球电离层模型球谐系数计算穿入点和穿出点处全球电离层模型的观测路径上的绝对电子含量和投影函数；
[0041]
s03、计算对应掩星事件的观测路径上的绝对电子含量的先验模型值；
[0042]
s04、计算对应掩星事件的观测路径上的绝对电子含量的先验误差；
[0043]
s05、更新全球电离层模型球谐系数。
[0044]
使用时，本发明采用了掩星数据，并根据掩星数据特点提出了利用全球电离层模型球谐函数计算对应掩星事件的先验模型值，并利用先验模型值计算先验误差，并使用先验误差更新球谐系数，从而得到掩星数据更新后得到的更为精确的全球电离层模型球谐系数，由于掩星事件全球均匀分布，无论是海洋还是陆地，都有大量的掩星事件发生，因此可以提高全球电离层模型在稀疏站区域的精度。另外本发明采用已有的全球电离层模型产品进行精化建模，不再需要收集全球gnss观测数据，不再需要基于gnss观测数据进行相位平滑伪距、dcb分离、球谐函数建模等步骤的复杂计算，收集数据更容易，计算步骤更简单。
[0045]
进一步地，所述步骤s01根据低轨卫星坐标和gnss卫星坐标计算掩星事件射线穿入和穿出点。
[0046]
通过低轨卫星坐标和gnss卫星坐标计算掩星事件射线穿入和穿出点，能够得到掩星事件射线穿入和穿出点精确坐标，用于对应点的垂直方向电子总含量计算。
[0047]
进一步地，所述步骤s03中对应掩星事件的观测路径上的绝对电子含量的先验模型值的计算方法如下：
[0048]
stec＝vtec
in
/mf
in
vtec
out
/mf
out
；
[0049]
其中，为观测路径上的绝对电子含量先验模型值，vtec
in
为射线穿入电离层薄层处的垂直方向电子总含量，vtec
out
为射线穿出电离层薄层处的垂直方向电子总含量，mf
in
为穿入点的投影函数，mf
out
为穿出点的投影函数。
[0050]
通过掩星事件穿入点和穿出点的垂直方向电子总含量和投影函数计算对应掩星事件观测路径上的绝对电子含量。
[0051]
进一步地，所述vtec
in
和vtec
out
的计算方法如下：
[0052][0053]
vtec(φ
ipp
,λs)表示地心纬度为φ
ipp
和经度λs处的垂直方向电子总含量，c
nm
和s
nm
为全球电离层模型的球谐系数，为勒让德函数，n为球谐函数的阶数，m为球谐函数的次数。
[0054]
通过掩星事件穿入点和穿出点的坐标计算掩星事件穿入点和穿出点垂直方向电子总含量。
[0055]
进一步地，所述步骤s04中计算对应掩星事件的观测路径上的绝对电子含量的先验误差的计算方法如下：
[0056][0057]
式中，表示先验误差，steci表示第i号掩星事件观测路径上的绝对电子含量，由掩星事件产品给出；表示第i号掩星事件观测路径上的绝对电子总含量的先验模型值。
[0058]
通过多个掩星事件求出对应垂直方向电子总含量的先验模型值和模型值之差得到先验误差。
[0059]
这里的stec1，stec2，
…
，stecn的计算方法为：
[0060][0061]
这里的的计算方法为：
[0062][0063]
表示地心纬度为φ
ipp
和经度λs处的垂直方向电子总含量，c
nm
和s
nm
为全球电离层模型的球谐系数，为勒让德函数，n为球谐函数的阶数，m为球谐函数的次数。
[0064]
进一步地，所述步骤s05中更新全球电离层模型球谐系数的方法如下：
[0065][0066][0067]
式中，为更新后的球谐系数，k为增益矩阵，kk，r是stec的观测误差，是先验协方差阵，根据全球电离层球谐函数模型的精度及误差传播定律可以得到，hk矩阵为对应掩
星事件的观测路径上的绝对电子含量的先验模型值的计算公式对应的设计矩阵。
[0068][0069]
其中，φ
in
表示穿入点维度，λ
in
表示穿入点经度，φ
out
表示穿出点维度，λ
out
表示穿出点经度。
[0070]
通过先验误差更新全球电离层模型球谐系数。
[0071]
需要说明的是，图2中的精华算法为步骤s04和步骤s05，图2中的精化模型是指更新了全球电离层模型球谐系数的全球电离层模型球谐函数。
[0072]
进一步地，所述mf
in
和mf
out
的计算方法如下：
[0073]
mf＝cosz
ipp
；
[0074]
式中，mf表示投影函数，z
ipp
表示天顶距。
[0075]
通过天顶距得到掩星事件穿入和穿出点的投影函数。
[0076]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。