本发明属于空间电离层延迟误差修正技术领域，具体涉及一种基于背景模型和实测数据的电离层延迟误差修正方法。
背景技术：
GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)所播发的无线电信号在从卫星端到达用户端的空间段传播过程中，会受到一系列误差源的影响，其中电离层延迟误差是不容忽视的重要误差源之一。在天顶方向上，由于电离层延迟所造成的测距误差可达几十米。由此不难看出，电离层延迟误差的修正效果将直接影响GNSS系统导航、定位、授时服务的可用性、精度及完好性等核心性能指标。根据对电离层物理结构和活动机理的研究可知，由于电离层内部大量自由电子的色散作用，电磁波信号在穿过电离层时传播速度会发生变化，传播路径也会发生弯曲，从而产生延迟误差。电离层延迟误差主要取决于电离层中信号传播路径上的电子密度和电磁波的信号频率。
以GPS系统为例，在忽略电离层延迟误差高阶项影响的情况下，由电离层延迟带来的测距误差可以直接通过式(1)，根据信号频率和传播路径上的总电子含量(Total Electron Content，TEC)计算得到：
其中，(Vion)G为伪距观测值对应的电离层延迟测距误差，单位为米；而(Vion)P为载波相位观测值对应的电离层延迟测距误差，单位为米；f为相应的的信号频率，单位为赫兹。可见，确定GNSS电离层延迟误差的关键就是确定用户至卫星间信号传播路径上的总电子含量。对同一电离层而言，从某一测站至各卫星方向上的TEC值是不同的。一般来说，随着卫星高度角的降低，GNSS信号在电离层中的传播路径越长，TEC的值就越大。在该站所有的TEC值中有一个最小值，即天顶方向总电子含量(Vertical Total Electron Content，VTEC)，天顶方向高度角为90度。VTEC与高程和卫星高度角均脱离了关系，因而被广泛用于反映测站上空电离层的总体特征。然而在实际观测中，卫星恰好位于测站天顶方向的情况较为少见，在大多数情况下，卫星和测站之间的视线连线均为斜向，故卫星与测站之间信号传播路径上的总电子含量一般均用斜向总电子含量(Slant Total Electron Content,STEC)来表示。
在相对定位、双频及多频修正、以及模型修正等一系列GNSS电离层延迟的常用修正方法中。其中，利用GNSS电离层延迟模型修正是非常重要的一类电离层误差消除及削弱方法，利用高精度的电离层延迟修正模型，不仅可以为单频用户提供实时电离层修正信息以提高其GNSS导航定位授时服务性能，还可有效辅助双频/多频用户实现快速精密定位，同时也能够保证卫星导航系统的完好性监测。
在利用GNSS电离层延迟修正模型的修正方法中，通过建立电离层TEC随时间、空间、高度等因素分布和变化规律的模型，用户可以直接计算得到观测历元所对应的电离层总电子含量的模型估计值和相应的电离层延迟误差，从而对GNSS实测数据进行电离层延迟误差修正。
从电离层TEC建模所用的数据资料和建模方法的角度来看，GNSS电离层延迟修正模型可以分为电离层经验修正模型和电离层GNSS实测模型两大类。其中，电离层经验修正模型(例如：Bent模型、Klobuchar模型、IRI模型、NeQuick模型等)通常是利用长期的大量多源历史观测资料建立的覆盖全球的电离层修正模型，用户可以根据相应的输入参数和理论公式计算得到电离层相关参数及TEC等信息；而电离层GNSS实测模型通常是利用区域或全球GNSS基准站的实测双频观测数据，反演解算得到电离层TEC的实测值，然后采用一定的先验解析函数通过数学拟合从而建立的GNSS基准站网覆盖范围内的电离层TEC模型。
这两类GNSS电离层延迟修正模型各有优缺点：
电离层经验修正模型由于融合了大量历史和多源观测数据，并且在建模过程中考虑了电离层本身的物理结构、分布特点及活动机理等内在特征和规律，因而能够很好地反应电离层在长期和大尺度上的分布和变化特点，但是在电离层局部特征、突发现象和异常活动等细节特点上的反应能力较为有限，影响修正精度。
电离层GNSS实测模型依赖于来自地基GNSS基准站的GNSS实测数据，能够有效反映出基准站附近区域内电离层的实际分布和变化情况等小尺度细节特征，然而由于该模型对地基GNSS实测数据的分布情况和数据质量依赖性较大，故在布站受限等因素导致地基GNSS基准站缺乏的地区，以及实测GNSS数据出现中断、缺失、遗落以及错误等情况下，电离层GNSS实测模型的精度、可用性及可靠性等性能指标将受到极大的影响。
另外，在电离层GNSS实测模型的建模过程中，通常采用电离层单层模型(Single Layer Model)，通过引入一个投影函数将斜向总电子含量(Slant Total Electron Content,STEC)以简单的投影关系(一般仅依赖于仰角)归算到垂直方向，然后对垂向总电子含量(Vertical Total Electron Content,VTEC)采用一定的数学解析函数进行平面和时间上的三维建模，并发播模型参数或格网电离层延迟修正产品供用户使用；而用户在使用该电离层修正产品的过程中，需要将按照所播发的模型修正产品进行拟合或插值直接计算得到相应的垂向总电子含量VTEC，再一次利用投影关系推算出实际的STEC，从而完成电离层延迟误差修正。在此过程中，需要进行垂向总电子含量VTEC与STEC之间的两次转换，将不可避免地引入系统误差，从而降低用户总电子含量的估计精度及准确度。
随着目前多GNSS系统以及密集基准站的建设，在15度以上高度角和一定密度的基准站分布条件下，现有的GNSS电离层延迟模型修正方法的修正精度不能满足要求。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种基于背景模型和实测数据的电离层延迟误差修正方法，能够有效消除地基GNSS基准站分布情况和实测数据质量对修正精度的影响，提高电离层延迟误差修正精度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
步骤1，根据GNSS基准参考站得到服务器端各观测历元的STEC实际观测值STECobs，根据电离层背景模型得到所述服务器端各观测历元对应的STEC模型理论值STECmodel；
将STECmodel与STECobs之间的比值作为比例因子STECratio；
步骤2，将所述比例因子STECratio拟合，得到拟合模型，作为电离层延迟误差修正模型；将电离层延迟误差修正模型传输至用户端；
步骤3，用户端根据电离层延迟误差修正模型，计算得到各观测历元对应的STEC比例因子，作为STEC比例因子估计值RatioFactor_user；
根据电离层背景模型得到用户端各观测历元的STEC模型理论值STECuser_model，基于步骤1中比例因子STECratio的构建方式，将STECuser_model作为STECmodel，将RatioFactor_user作为STECratio，求得的STECmodel作为用户端各观测历元的STEC估计值STECuser_estimate；
步骤4，基于STEC估计值STECuser_estimate实现对GNSS实测数据电离层延迟误差的修正。
其中，所述拟合模型为STEC比例因子格网点图文件。
进一步地，所述STEC比例因子格网点图文件的获取方式为：
步骤2.1，利用基于GNSS基准参考站获得的服务器端各观测历元对应的电离层穿刺点地理经纬度信息，将电离层穿刺点的地理纬度转换到Bm地磁纬度，得到电离层穿刺点“地磁纬度-地理经度”组合坐标；
步骤2.2，利用同一解算时段内的所有比例因子STECratio，及其对应的电离层穿刺点“地磁纬度-地理经度”组合坐标，采用类聚算法，将比例因子STECratio进行分簇，并用各簇比例因子几何中心的“地磁纬度-地理经度”组合坐标代表该簇比例因子的平均位置；
步骤2.3，依据步骤2.2得到的各簇比例因子的平均位置，对模型目标服务区域内的各个格网点依次搜索得到与其距离最近的三簇比例因子，并将此三簇各自比例因子平均值的距离加权平均作为该格网点上的STEC比例因子值；
步骤2.4，将所有格网点上STEC比例因子值存储成STEC比例因子格网点图文件。
较佳地，所述STEC比例因子估计值RatioFactor_user的获得方式为：
按照用户端各观测历元相应的时刻、电离层穿刺点“地磁纬度-地理经度”组合坐标，基于步骤2.4得到的STEC比例因子格网点图文件，搜索得到对应时段格网点图中包含各自电离层穿刺点的四个相邻格网点的地磁纬度、地理经度坐标值及对应的STEC比例因子值；对STEC比例因子值进行双线性内插，得到用户端各观测历元对应的STEC比例因子估计值RatioFactor_user。
进一步地，所述比例因子估计值RatioFactor_user为：
RatioFactor_user＝(1-p)(1-q)Ei,j+p(1-q)Ei+1,j+q(1-p)Ei,j+1+pqEi+1,j+1 (2)
其中，(Ei,j Ei+1,j Ei,j+1 Ei+1,j+1)为四个相邻格网点对应的STEC比例因子值，p和q为相应的双线性内插系数，且p＝△β/dlon，q＝△λ/dlat，△β和△λ分别为观测历元电离层穿刺点相对于格网西南角点的地理经度和地磁纬度增量，dlat为格网点纬度步长，dlon为格网点经度步长。
其中，所述步骤2.3中，按照由实际需求确定的经纬度步长对模型目标服务区域内的各个格网点依次搜索。
较佳地，比例因子STECratio采用公式a或公式b获得：
公式a：STECratio＝STECmodel/STECobs；
公式b：STECratio＝STECobs/STECmodel；
若采用公式a获得比例因子STECratio时，则采用公式a1获得估计值STECuser_estimate，若采用公式b获得比例因子STECratio时，采用公式b1获得估计值STECuser_estimate；
其中，公式a1和公式b1为：
公式a1：STECuser_estimate＝STECuser_model/RatioFactor_user；
公式b1：STECuser_estimate＝STECuser_model*RatioFactor_user。
其中，所述步骤3中电离层延迟误差为伪距观测值对应的电离层延迟测距误差或载波相位观测值对应的电离层延迟测距误差，满足：
其中，(Vion)G为伪距观测值对应的电离层延迟测距误差；(Vion)P为载波相位观测值对应的电离层延迟测距误差；f为相应的信号频率。
有益效果：
本发明所述方法通过比例因子综合利用了电离层背景模型和GNSS实测数据，用户端借助STEC比例因子格网点图对对电离层斜向总电子含量进行估计，兼顾了在不同时间尺度和空间范围内的电离层综合修正效果，有效消除地基GNSS基准站分布情况和数据质量对电离层模型修正精度的影响；对电离层斜向总电子含量进行直接建模，突破了传统电离层GNSS实测模型在电离层总电子含量建模过程中的多次STEC/VTEC互相转换模式和由此带来的精度损失，提高了电离层延迟误差修正精度。
附图说明
图1为相邻四个格网点示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
大量的实验分析证明，经验修正模型所构建的电离层背景场与实际电离层在TEC分布和变化的整体趋势上具有较好的一致性，只是存在一个系统性偏差。因此本发明通过比例因子将两者通过比值的关系联系起来，建立起电离层经验修正模型所代表的电离层背景场与GNSS实测数据所反映的实际电离层之间的关系。
一方面，引入电离层经验修正模型作为电离层背景模型，在建模过程中使用了长期积累的大量多源历史观测数据，使得本发明建立的电离层TEC模型可以较好的反映较大范围内电离层的基础分布和变化规律，而且本发明的电离层TEC模型不过分依赖于地基GNSS数据的分布和质量，即使在地基GNSS基准站空白地区以及GNSS实测数据发生中断、丢失和错误等情况下的TEC模型质量也能得到较好地保证。
另一方面，虽然电离层经验修正模型非常稳定，但是其修正效果往往有限，电离层TEC修正率通常仅能达到60％至70％左右，难以满足高精度GNSS用户的需求。所以在电离层经验修正模型作为电离层背景模型构成的电离层基本背景场的基础上，进一步加入GNSS实际观测数据。利用GNSS实测数据反演计算得到的TEC实际观测量，对电离层背景场与实际电离层之间的差异进行分析建模从而建立起两者之间的有机联系，进而通过对电离层背景场与实际电离层之间系统性偏差的修正实现对电离层基本背景场进行精化与改进。
此外，本发明中利用电离层经验修正模型以及实测GNSS数据计算得到的电离层电子含量均为STEC，摒弃了传统的STEC/VTEC转换模式，对用户与卫星间视线方向上的电离层STEC直接进行建模。
本发明提出的基于电离层背景模型和GNSS实测数据的STEC修正方法包括如下步骤：
步骤1，服务器端处理，包括如下子步骤：
根据GNSS基准参考站得到服务器端各观测历元的STEC实际观测值STECobs：
通过GNSS基准参考站采集服务器端各观测历元的GNSS观测文件和广播星历文件；其中，GNSS基准参考站为通过在电离层修正模型目标服务区域范围内选择的若干GNSS跟踪站；
根据采集到的GNSS观测文件和广播星历文件提取相应的关键信息，包括服务器端各观测历元对应的站坐标、卫星坐标、卫星高度角和方位角、电离层穿刺点地理经纬度信息、时刻以及电离层STEC实际观测值STECobs；
根据电离层背景模型得到所述服务器端各观测历元对应的STEC模型理论值STECmodel，即计算服务器端各观测历元在电离层背景模型对应的STEC模型理论值STECmodel；
将服务器端各观测历元对应的STEC模型理论值STECmodel和实际观测值STECobs之间的的比值作为比例因子STECratio，通过比例因子STECratio建立背景模型和实测数据之间的关系；
其中，服务器端各观测历元对应的比例因子STECratio可以采用公式a或公式b获得：
公式a：STECratio＝STECratio1＝STECmodel/STECobs；
公式b：STECratio＝STECratio2＝STECobs/STECmodel；
其中，STECratio1和STECratio2互为倒数关系，STECratio1和STECratio2两种比例因子只是具体的数值范围不同，在精度方面完全一致；
步骤2，将所述比例因子STECratio拟合，得到拟合模型，作为电离层延迟误差修正模型；通过拟合模型将比例因子STECratio传输至用户端；本实施例中拟合模型为STEC比例因子格网点图文件，拟合模型也可以采用多项式或数据集合等其他形式；
STEC比例因子格网点图文件的获取方式为：
步骤2.1，利用步骤1得到的服务器端各观测历元对应的电离层穿刺点地理经纬度信息，将电离层穿刺点的地理纬度转换到Bm地磁纬度，得到电离层穿刺点“地磁纬度-地理经度”组合坐标；本实施例采用的转换公式如下：
Bm＝asin(sin(Bg)*sin(b)+cos(Bg)*cos(b)*cos(Lg-l))
其中，Bg为地理纬度,单位为弧度；Lg为地理经度，单位为弧度；b和l分别为IGRF2011模型对应的地磁极点纬度和经度，单位为弧度，且b＝80.0*PI/180，l＝-72.2*pi/180，pi＝3.1415926；
步骤2.2，利用同一解算时段内的所有比例因子STECratio，及其对应的电离层穿刺点“地磁纬度-地理经度”组合坐标，采用类聚算法，将比例因子STECratio进行分簇，并用各簇比例因子几何中心的“地磁纬度-地理经度”组合坐标代表该簇比例因子的平均位置；
步骤2.3，依据步骤2.2得到的各簇比例因子的平均位置，按照由实际需求确定的经纬度步长，对模型目标服务区域内的各个格网点依次搜索得到与其距离最近的三簇比例因子采样点，并将此三簇各自比例因子平均值的距离加权平均作为该格网点上STEC比例因子值；
步骤2.4，将所有格网点上STEC比例因子值按照CODE GIM的格式，存储成STEC比例因子格网点图文件；
步骤3，用户端处理，包括如下子步骤：
步骤3.1，用户端按照用户端各观测历元相应的时刻、电离层穿刺点地磁纬度和地理经度坐标，基于步骤2.4得到的STEC比例因子格网点图文件，搜索得到对应时段格网点图中包含各自电离层穿刺点的四个格网点地磁纬度、地理经度坐标值及对应的STEC比例因子值
(Ei,j Ei+1,j Ei,j+1 Ei+1,j+1)，其中，i＝0,1,2,3…..；j＝0,1,2,3……；相邻四个格网点示意图如图1所示；
步骤3.2，对STEC比例因子值(Ei,j Ei+1,j Ei,j+1 Ei+1,j+1)进行双线性内插法计算，得到用户端各观测历元对应的STEC比例因子估计值RatioFactor_user：
RatioFactor_user＝(1-p)(1-q)Ei,j+p(1-q)Ei+1,j+q(1-p)Ei,j+1+pqEi+1,j+1 (2)
其中，p和q为相应的双线性内插系数，且p＝△β/dlon，q＝△λ/dlat，△β和△λ分别为观测历元电离层穿刺点相对于格网西南角点的地理经度和地磁纬度增量，dlat为格网点纬度步长，dlon为格网点经度步长；
步骤3.3，根据用户端各观测历元对应的STEC比例因子估计值RatioFactor_user和用户端各观测历元根据背景模型计算得到的STEC模型理论值STECuser_model，采用与服务器端处理步骤中步骤1确定比例因子STECratio时相应的方法，计算用户端各观测历元的STEC估计值STECuser_estimate：
公式a1：STECuser_estimate＝STECuser_estimate1＝STECuser_model/RatioFactor_user；
公式b1：STECuser_estimate＝STECuser_estimate1＝STECuser_model*RatioFactor_user；
若步骤1.3中采用公式a计算比例因子STECratio，采用公式a1计算估计值STECuser_estimate，
若步骤1.3中采用公式b计算比例因子STECratio，采用公式b1计算估计值STECuser_estimate；
步骤4，根据估计值STECuser_estimate获得相应的电离层延迟误差，利用电离层延迟误差实现对GNSS实测数据电离层延迟误差的修正。
本发明所述方法的优点是：
第一，通过将电离层经验修正模型作为背景模型，同时加入GNSS实测数据的方式，将电离层在长期/短期、宏观/局部、平稳/突发异常等不同空间和时间范围及尺度上的分布和变化特点充分结合起来并达到理想的平衡状态，从而得到最优化的STEC估计模型。
第二，借助于来自地基GNSS基准站的STEC实测值，通过比例因子的连接和转换作用，有效消除了电离层经验修正模型与电离层实际情况之间的系统性偏差，从而实现了两者的同化效应。
第三，通过求取对应的STEC经验模型估计值和实测值之间的比值得到的比例因子，在数值上的变化范围更小，且比STEC原始观测值更稳定，所以采用较为简单的数学关系就能实现理想的比例因子，反映比例因子的分布和变化特点，进而进行STEC的转换和估计。与电离层实测GNSS模型对VTEC进行建模时采用的多项式函数、三角级数、球谐函数等较为复杂的数学函数相比，不仅拟合精度更优，且效率更高。
第四，电离层经验修正模型所提供的电离层STEC背景值有效解决了电离层GNSS实测模型过于依赖实际观测数据分布和连续性的问题，即使在地基GNSS基准站空白地区以及GNSS实测数据发生中断和丢失等情况下，也能使电离层TEC修正模型的精度和效果得到较好的保证。
第五，由于电离层经验修正模型在建立过程中考虑了电离层本身在物理、化学等方面的特点、机理和规律，因而与电离层GNSS实测模型单纯对TEC数值进行数学拟合相比，能够更贴近电离层自身的内在特性和规律，能够有效识别GNSS实测数据的异常和错误，并削弱短期和小尺度电离层异常情况对建模和外推性能的影响。
第六，突破了传统电离层GNSS实测模型在电离层总电子含量建模过程中的多次STEC/VTEC互相转换模式带来的精度损失。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。