一种基于多源数据融合的三维电离层层析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星大地测量及空间环境探测探测领域，具体是涉及一种基于多源数 据融合的三维电离层层析方法。
【背景技术】
[0002] 电离层层析成像技术GNSS信号重构电离层二维、三维乃至四维的电子密度分布。 其特别适合监测电离层空间环境的大尺度空间分布，且建造和运行费用相对低廉，所以受 到了电离层研究者们的关注，并已取得了许多的研究成果。然而，由于地面台站以及卫星空 间分布与数量的限制，致使用于反演的有效观测信息覆盖范围以及分布的均匀性不足，所 以利用GNSS观测数据进行电离层层析成像时，仅从反演算法上进行改进是难以从根本上 解决观测方程的不适定性。
[0003] 随着多个卫星系统的建立、越来越多的地面台站布设以及多种观测手段的出现， 为进一步提高电离层的监测能力提供了强有力的支撑和保障。地面监测站的GNSS观测射 线通常是高高度角，致使利用GNSS观测数据进行电离层层析反演具有较高的水平分辨率， 而由于水平射线的缺失致使垂直分辨率较低。为了解决此问题，早在1994年Hajj等提出 了将掩星观测数据用于电离层层析成像中，随后，很多学者进行了实验研究。Li等利用GPS 观测数据和COSMIC低轨道卫星提供的星载GPS观测数据，有效的反演了中国区域上空电离 层电子密度的时空分布结构。Xiao等利用GPS观测数据和CHAMP/GRACE低轨道卫星掩星数 据，反演了磁暴期间电离层电子密度的空间分布，并取得了较好的效果。同时，也有学者将 测高仪数据融合到层析反演中，Zhao等利用GPS观测数据和测高仪数据有效地反演了中国 部分区域上空的电离层电子密度，从而使垂直分辨率有所提高。Chartier等以非相干散射 雷达观测值作为背景值，融合测高仪数据来改善GPS电离层层析成像的垂直精度，有效地 克服了GPS层析成像垂直精度不高的缺点。
[0004] 以上这些方法在一定程度上都提高了电离层层析反演的精度，但数据信息还是分 布不均，导致层析效果还不能达到一个理想状态。
【发明内容】
[0005] 针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种基于多源数据融合的三维电离层 层析方法，以弥补观测信息的不足，从而更高地提高电离层层析反演精度。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
[0007] -种基于多源数据融合的三维电离层层析方法，包括以下步骤：
[0008] (1)观测数据收集：确定目标区域范围，选取区域范围内GNSS观测数据、低轨卫星 上的掩星观测数据、Jason-1和Jason-2海洋卫星测高数据以及电离层测高仪数据；
[0009] (2)将待反演的电离层空间离散化，形成基于像素基的层析反演模型；
[0010] (3)计算投影矩阵；
[0011] (4)构建多源数据的三维电离层层析模型；
[0012] (5)对多源数据的三维电离层层析模型进行解算，反演区域电离层电子密度。
[0013] 所述步骤（1)具体包括：确定目标区域的经度、炜度和高度范围；确定反演的时间 段；根据区域内的观测数据计算电离层TEC，并提取卫星和测站坐标的相关数据。
[0014] 所述步骤（2)计算如下：电离层电子密度与电离层TEC之间是非线性的，在实际 反演过程中，为了反演方便，通常采用离散反演方法将待反演的电离层空间离散化。对于离 散化的像素基层析反演模型，选取像素指标函数b,作为基函数，如果射线穿过某像素，则b, 为1，否则为〇 ;并将电离层按经度、炜度以及高度方向上离散化为三维的格网，其公式表达 为：
[0017] 式中，n为离散化的格网数，即总的像素数；Xj(j= 1，…，n)为模型参数，即离散化 后的电离层格网电子密度。
[0018] 所述步骤（3)计算如下：对每条射线路径上的TEC测量值可以表示为：
[0019]
[0020] 式中，m为电离层TEC观测值总数，&1]为投影矩阵元素，即第i条射线在第j个格 网内的截距。考虑到测量中观测噪声和离散误差的影响，且假定在一定时间段内格网内电 子密度是不变的，则每条射线传播路径上的电离层TEC测量数据可表示为：
[0021]
(4)
[0022] 将上式用矩阵形式表示，如下：
[0023]ynXi=AnXn *xnX1+enX1 (5)
[0024] 式中，y为电离层TEC观测值组成的m维列向量，A为投影矩阵，即射线在对应像素 内的截距构成的m个n维的行向量，x为未知参数组成的n维列向量，e为观测噪声和离散 误差组成的m维列向量。
[0025] 所述步骤⑷计算如下：利用GNSS观测数据、低轨卫星上的掩星观测数据、电离层 测高仪数据以及Jason-1和Jason-2海洋卫星测高数据联合反演电离层电子密度，其表达 式可表示为：
[0026]
(6)
[0027] 式中，y<；NSS、yC(]S、yALT和yMN分别表示地基GNSS的TEC观测值、LE0星载GNSS观测 的TEC值、测高卫星获取的TEC值以及测高仪获取的TEC值，ASNSS、Ae(]S、Am和AMN表示相应 的系数矩阵，x表示待求的电子密度值。
[0028] 所述步骤（5)中，通过乘法代数重构算法（MART)进行层析反演，求解电离层电子 密度。
[0029] 本发明技术有益效果：
[0030] 本发明利用多源数据融合进行电离层层析反演，弥补了反演信息不足的问题，通 过将反演结果与非相干散射雷达的观测数据进行比较，验证了本发明融合多源数据反演电 离层电子密度的有效性和可靠性及其相对于单独采用GPS观测数据反演的优越性。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明实施例中多源数据融合的电离层层析流程图；
[0032] 图2是本发明实施例中IGS观测站和非相干散射雷达站分布图；
[0033] 图3是本发明实施例中在13:00UT时刻Jicamarca站的反演电离层电子密度剖面 与非相干散射雷达站测量剖面的对比图；
[0034] 图4是本发明实施例中在13:00UT时刻MillstoneHill站的反演电离层电子密 度剖面与非相干散射雷达站测量剖面的对比图；
[0035] 图5是本发明实施例中在21:00UT时刻Jicamarca站的反演电离层电子密度剖面 与非相干散射雷达站测量剖面的对比图；
[0036] 图6是本发明实施例中在21:00UT时刻MillstoneHill站的反演电离层电子密 度剖面与非相干散射雷达站测量剖面的对比图；
[0037] 图7是本发明实施例中Jicamarca站的反演电离层电子密度峰值以及电子密度峰 值高度与非相干散射雷达实测结果的比较；
[0038] 图8是本发明实施例中Mi11stoneHi1站的反演电离层电子密度峰值以及电子密 度峰值高度与非相干散射雷达实测结果的比较。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述，然而本发明的范围并不限 于下述实施例。
[0040] 本发明采用的观测数据来自IGS观测网络，选取重构区域内的台站观测 信息进行重构，并利用非相干散射雷达Jicamarca(76°W, 11.9°S)和Millstone Hill(71. 5°W，42.6°N)站的观测数据进行独立检核。测站分布如图2所示，图中"鲁"为 IGS站，"★"为非相干散射雷达站。
[0041] 步骤（1)，确定目标区域范围，选取区域范围内GNSS观测数据、低轨卫星上的掩星 观测数据、Jason-1和Jason-2海洋卫星测高数据以及电离层测高仪数据；
[0042] 选取经度范围为100°W~30°W，炜度范围为40°S~50°N和高度范围为 100km~1000km的数据，反演2011年8月6日电离层电子密度的三维分布情况。设置经度 和炜度方向上像素间隔分别为2°，高度方向上的间隔为50km。
[0043] 步骤（2)，将待反演的电离层空间离散化，形成基于像素基的层析反演模型；
[0044] 对于离散化的像素基层析反演模型，选取像素指标函数bj作为基函数，如果射线 穿过某像素，则bj为1，否则