一种伪距相位综合的电离层延迟求解方法
【专利摘要】本发明公开了一种伪距相位综合的电离层延迟求解方法，其包括步骤：基于伪距观测值获取历元电离层延迟，构建观测方程；基于相位观测值获取历元间电离层延迟的变化，构建观测方程；构建相应法方程并联合求解得到伪距相位综合的电离层延迟。本发明方法采用伪距观测值求解电离层延迟绝对量，历元间差分相位观测值求解电离层延迟变化量，在此基础上进行综合，从而解决相位平滑伪距观测值方法中的收敛问题。不依赖相位数据的长时间连续，且避免直接采用相位观测值模糊度解算，提高了电离层延迟求解的精度及可靠性。本发明方法可应用于卫星导航基本导航及星基增强系统中的电离层延迟计算，以及用户定位及其服务系统中的电离层延迟改正数的计算。
【专利说明】
一种伪距相位综合的电离层延迟求解方法
技术领域
[0001] 本发明涉及卫星导航领域的电离层延迟求解方法，尤其涉及一种伪距相位综合的 电离层延迟求解方法。
【背景技术】
[0002] 全球导航卫星定位系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)，是指采 用导航卫星发射的电磁波对地球上的物体进行定位、导航与授时的系统，目前包括美国的 GPS、俄罗斯的GL0NASS、欧洲的GALILEO系统以及我国的BDS系统。用户利用接收机观测得到 距离卫星的距离以及相位观测值，即可求得该瞬间接收机的位置。
[0003] 影响卫星导航系统服务性能的误差源主要包括:卫星轨道误差、卫星钟差误差、对 流层误差、电离层误差以及观测多路径误差等。其中电离层是高度约为60~1000km范围内 的离子化大气层，其结构可用电离层的一系列特性参量来表征，包括电子密度、离子密度、 电子温度、离子温度等。电离层作为一种传播介质，会发生反射、折射、散射和吸收无线电信 号，对电磁波传播产生很大的影响。对于单频用户定位而言，电离层是最为主要的误差源， 其造成的电离层延迟使得距离误差会达到几十米，严重削弱了卫星导航定位的精度和准确 度。
[0004] 为了保证卫星导航定位的精度和准确度，卫星导航基本导航及星基增强系统中需 要进行电离层延迟计算，用户定位及其服务系统中需要进行电离层延迟改正数的计算。卫 星导航系统基本导航电文中采用经验模型对电离层延迟误差进行改正，其一般可以消除 60%左右的电离层延迟误差。为提高电离层延迟误差改正的精度，星基增强系统在经验模 型的基础上，采用电离层格网模型的方法。电离层格网把服务区在经度、炜度方向上，按照 给定的间隔分成不同的格网，并且提供每个格网点上的实时电离层延迟误差改正值。电离 层格网一般可以消除80%左右的电离层延迟误差。
[0005] 现有电离层延迟计算的技术基本思想如下所述:①对测站位置已知的接收机的双 频伪距观测数据进行各项公共误差改正;②将改正后的伪距观测量与测站与卫星距离的理 论值求差获得残差观测量;③基于两个频率伪距观测的残差求解电离层观测值;④对指定 时间段内不同测站的电离层观测值进行建模，生成适应广播电文播发的电离层延迟参数。 其中，对于基本导航电离层模型常用的为Klobuchar模型，其1~2小时更新一次;北斗星基 增强系统提供的电离层格网覆盖范围为东经70~145度，北炜7.5~55度，按经炜度5X2.5 度进行划分，形成320个格网点，格网更新的频度为6分钟。
[0006] 任意测站的接收机对一颗卫星在频率为h的载波。和频率为f2的载波。上的伪距 观测方程为：
[0008]式中：Pi、P2分别为载波LbLs上的伪距观测值，P为卫星至接收机的几何距离，C为 光速，Str为接收机钟差，Sts为卫星钟差，dtrQP为对流层延迟分别为载波上卫星 和接收机的系统硬件延迟，ε!、ε2分别为载波Li、L2上的伪距观测噪声，h、I2分别为载波 上的电离层延迟。
[0009]式（1)中，卫星钟差Sts可从接收机接收到的广播电文计算获得;对流层延迟心胃可 用实测气象参数采用经验模型进行改正;接收机的系统硬件延迟在不同频率上相同的部分 会被接收机钟差Str吸收，不同频点的差异由接收机厂家提供的标定值进行改正;卫星的系 统硬件延迟可从广播电文获取;而电离层延迟Il、l2与频率有关，其表达式为：
[0011] 式中：Ij为第j频率载波上的电离层延迟值，TEC为信号传播路径上的总电子含量， 灼为载波频率。根据式(2)得到任一频率载波的电离层延迟之后，即可求得其他频率载波的 电离层延迟。
[0012] 式（1 )中两个频率载波的伪距观测值做差，可以消除接收机钟差Str、卫星轨道、卫 星钟差Sts、对流层延迟d top等误差的影响。结合式(2)得到载波1^上的电离层延迟的表达 式为：
[0014] 式（3)中，首先采用伪距观测值算法计算载波1^丄2上的伪距观测值P^Ps，代入式 (3)进行伪距数据多路径误差的实时消减，在此基础上再代入式(3)已知的载波上卫星 和接收机的系统硬件延迟也32进行改正，从而实时求得载波1^上的电离层延迟，即每个 测站对每颗卫星观测的电离层延迟。
[0015] 通常电离层延迟误差的计算采用的数据为伪距观测值，其精度受到伪距测量噪声 的影响。为减小伪距噪声的影响，可采用相位平滑伪距观测值（CNMC，Code Noise and Multipath Correction)。相位平滑伪距观测值算法的有效性很大程度上依赖相位数据的 连续性。相位平滑伪距观测值算法的关键在于通过计算伪距与高精度相位之间的差值，求 取相位观测中的模糊度的概率值。采用该算法相位模糊度求取的精度取决于伪距的精度以 及数据长度。相位观测值精度比伪距观测值精度高2个数量级，但是由于相位观测值包含未 知的整周模糊度参数，因此相位数据的实时处理一般存在较长的收敛时间，并且在出现数 据启动、中断或者周跳/出现新的模糊度的情况下，相位平滑伪距观测值需要重新收敛，导 致一段时间内电离层延迟改正数解算精度降低。因此基于原始伪距观测值或者相位平滑伪 距观测值的电离层延迟处理技术在精度或者可靠性上都较低。考虑到以上相位数据处理的 复杂性，现有的卫星导航系统电离层延迟的处理方案都只基于伪距观测值。
【发明内容】
[0016] 本发明的目的是提供一种伪距相位综合的电离层延迟求解方法，该电离层延迟求 解方法能提高电离层延迟求解精度及可靠性。
[0017] 根据上述发明目的，本发明提出了一种伪距相位综合的电离层延迟求解方法，其 包括步骤：
[0018] 将处理弧段分为η个历元t，其中? = 1，2···η;
[0019] 基于伪距观测值获取历元U电离层延迟并将该电离层延迟^^作为观测值构 建观测方程：
[0020] I - /, =v；., (4)，
[0021 ]其中：^为历元t电离层延迟的真实值，~为残差；
[0022] 基于相位观测值获取历元tdPt^间的电离层延迟的变化^6 ~，并将该电离 层延迟的变/(M - 作为观测值构建观测方程：
[0023] (A ) = vVi (5)，
[0024] 其中：尤;和11分别为历元乜和1^-1电离层延迟的真实值，％*为残差 ；
[0025] 以每个历元"的方差阵^作为权阵，基于式(4)和式(5)对所有η个历元t叠加，则：
[0026] 由式(4)得到法方程：
[0027] ΕτΡΕ? = ΕτΡΙ ⑷，
[0028]由式(5)得到法方程：
[0029] ΑτΡψΑΙ = Ε?ΡφΜφ ( 7 ),
[0030] 其中:Ε为ηΧη的单位阵，Α为与式(5)对应的系数阵，为
[0032] P。为与式(4)对应的伪距分块权阵，々为与式(5)对应的相位分块权阵，且有：
[0034]联合式(6)和式(7)求解得到伪距相位综合的电离层延迟f。
[0035]本发明所述的伪距相位综合的电离层延迟求解方法采用伪距观测值求解电离层 延迟绝对量，历元间差分相位观测值求解电离层延迟变化量，在此基础上对两种结果进行 综合，从而解决目前的相位平滑伪距观测值方法中存在的收敛问题。本发明所述的伪距相 位综合的电离层延迟求解方法不需要依赖于相位数据的长时间连续，且避免了直接采用相 位观测值模糊度的解算，算法简便，提高了电离层延迟求解的精度及可靠性。
[0036]本发明所述的伪距相位综合的电离层延迟求解方法中，基于伪距观测值获取电离 层延迟的绝对值，基于相位观测值则获取高精度电离层延迟历元间的变化量。在电离层延 迟历元间变化结果中，只要已知其中任意一个历元的绝对值，所有与该历元一起形成连续 观测的电离层延迟也就被确定，这在平差领域中就归结为基准问题。解决方法可以是:利用 伪距的结果作为初值，当初值多于一个时，可以将伪距观测值作为虚拟观测值加权，最后采 用最小二乘进行求解。
[0037]本发明所述的伪距相位综合的电离层延迟求解方法可应用于卫星导航基本导航 及星基增强系统中的电离层延迟计算，以及用户定位及其服务系统中的电离层延迟改正数 的计算。
[0038]进一步地，本发明所述的伪距相位综合的电离层延迟求解方法中，基于测站对卫 星的双频载波LdPL2,根据下式获取历元U电离层延迟.
[0040] 其中为历元在载波U上的电离层延迟，f^f2分别为载波1^和1^的频率， 和分别为历元在载波LjPL2上的伪距观测值，BdPB2分别为载波LjPL2上的卫星和接 收机的系统硬件延迟。
[0041] 上述方案中，利用式(8)基于伪距观测值获取电离层延迟的绝对值。
[0042] 更进一步地，上述伪距相位综合的电离层延迟求解方法中，采用相位平滑伪距观 测值算法获取历元t在载波LdPL2l的伪距观测值 1 〇
[0043]上述方案中，采用相位平滑伪距观测值算法进行数据平滑，降低其噪声，提高数据 的精度。
[0044]进一步地，本发明所述的伪距相位综合的电离层延迟求解方法中，基于测站对卫 星的双频载波LdPL2,根据下式获取历元tdPtH间的电离层延迟的变化-及~：
[0046] 其中：A为差分算子，fjPf2分别为载波Li和L2的频率，λι和λ2分别为载波Li和L2的 波长，0和％分别为载波Li和L2上的载波相位观测值。
[0047] 上述方案中，利用式(9)基于相位观测值采用相位差分获取高精度电离层延迟历 元间的变化量。
[0048]同式(8)相似，任意测站对一颗卫星的信号传播路径上载波1^上的电离层延迟，可 由双频载波相位观测值计算得到，其表达式为：
[0050] 式中：Δ为差分算子，fdPf2分别为载波Li和L2的频率，λι和λ2分别为载波Li和L2的 波长，約和％分别为载波LjPL2上的载波相位观测值，他、犯分别为0、&的初始整周模糊 度。与式(8)相比，表达式中多了整周模糊度参数。
[0051]相比式(8)伪距方程，相位观测值包含了模糊度的处理。在模糊度没有周跳的前提 下，式（10)对相邻历元作差分，可得到上述式(9)。从式(9)中可以看出，通过历元间差分，硬 件延迟以及模糊度等在历元间不变的参数得到了消除。由于没有模糊度的参数，因此以上 方程解算不存在收敛性的问题。可采用与伪距一致的处理方法，获取电离层延迟在历元间 的高精度变化值。此外，采用式(9)，在数据丢失或者周跳的情况下，只会影响一个历元的处 理，从而保证了数据处理的可靠性。
[0052]本发明所述的伪距相位综合的电离层延迟求解方法具有以下优点和有益效果：
[0053] (1)与采用原始伪距观测值计算电离层延迟算法相比，本发明采用了精度更高的 相位观测值，因此电离层延迟解算精度能够大大提升。
[0054] (2)与采用相位平滑伪距观测值计算电离层延迟算法相比，本发明提高了电离层 延迟计算的可靠性。相位平滑伪距算法在数据处理启动期间或者相位观测值发生周跳的情 况下，模糊度需要一段时间才能收敛，也即相位平滑伪距观测值需要一段收敛时间，这将导 致该段时间内电离层延迟解算精度的降低。本发明通过相位观测值的历元间差分获取高精 度的电离层延迟变化量，并利用电离层延迟变化量对电离层延迟绝对值进行约束。相位观 测值在某些历元的缺失，不会对其他历元造成影响。
【附图说明】
[0055]图1为本发明所述的伪距相位综合的电离层延迟求解方法在一种实施方式下的流 程不意图。
[0056]图2为测站xiam至30号卫星的基于图1对应的伪距相位综合的电离层延迟求解方 法和基于单纯伪距的电离层延迟求解方法计算的载波传播方向电离层延迟比较图。
[0057]图3为测站xzar至06号卫星的基于图1对应的伪距相位综合的电离层延迟求解方 法和基于单纯伪距的电离层延迟求解方法计算的载波传播方向电离层延迟比较图。
[0058]图4为测站lnjz至15号卫星的基于图1对应的伪距相位综合的电离层延迟求解方 法和基于单纯伪距的电离层延迟求解方法计算的载波传播方向电离层延迟比较图。
[0059]图5为测站xzgz至15号卫星的基于图1对应的伪距相位综合的电离层延迟求解方 法和基于单纯伪距的电离层延迟求解方法计算的载波传播方向电离层延迟比较图。
【具体实施方式】
[0060] 下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的伪距相位综合的电离层 延迟求解方法做进一步的详细说明。
[0061] 图1示意了本发明所述的伪距相位综合的电离层延迟求解方法在一种实施方式下 的流程。
[0062] 如图1所示，本发明所述的伪距相位综合的电离层延迟求解方法在一种实施方式 下的流程包括步骤：
[0063] 将处理弧段分为η个历元t，其中? = 1，2···η;
[0064] 基于伪距观测值获取历元乜电离层延迟并将该电离层延迟^作为观测值构 建观测方程：
[0065] /,-/, ⑷，
[0066] 其中：^为历元U电离层延迟的真实值，％为残差；
[0067] 基于相位观测值获取历元tdPt^间的电离层延迟的变化，并将该电离 层延迟的变化作为观测值构建观测方程：
[0069] 其中忒和L分别为历元tdPtH电离层延迟的真实值，1^?为残差；
[0070] 以每个历元"的方差阵^作为权阵，基于式(4)和式(5)对所有η个历元t叠加，则： [0071]由式(4)得到法方程：
[0072] E' PEI = E P i
[0073] 由式(5)得到法方程：
[0074] ΑτΡ9Λ?^Ε'τΡψΑΙ：ψ： (?)，
[0075] 其中:Ε为ηΧη的单位阵，Α为与式(5)对应的系数阵，为
[0077] P。为与式(4)对应的伪距分块权阵，曷为与式(5)对应的相位分块权阵，且有：
[0079] 联合式(6)和式(7)求解得到伪距相位综合的电离层延迟f ^
[0080] 上述实施方式中，基于测站对卫星的双频载波1^和1^，根据下式获取历元t电离层 延迟4,? :
[0082] 其中为历元U在载波U上的电离层延迟，f^f2分别为载波1^和1^的频率， 和分别为历元U在载波LjPL2上的伪距观测值，BjPB2分别为载波LjPL2上的卫星和接 收机的系统硬件延迟。
[0083] 其中，采用相位平滑伪距观测值算法获取历元t在载波LjPL2上的伪距观测值巧4 和1 0
[0084] 上述实施方式中，基于测站对卫星的双频载波1^和1^，根据下式获取历元tjPtd 间的电离层延迟的变化f
[0086]其中：Δ为差分算子，fjPf2分别为载波Li和L2的频率，λ^λ2分别为载波Li和L2的 波长，@和<%分别为载波Li和L2上的载波相位观测值。
[0087] 上述实施方式中，处理弧段取实时处理节点前9min内的数据，将这些数据中每一 站一星的数据作为一个处理单元，联合式(6)和式(7)采用最小二乘求解得到该处理弧段内 每一站一星斜路径上的时间序列下的伪距相位综合的电离层延迟#。
[0088]图2~图5显示了图1对应的伪距相位综合的电离层延迟求解方法计算的载波传播 方向电离层延迟A，同时还显示了基于单纯伪距的电离层延迟求解方法计算的载波传播方 向电离层延迟B。
[0089] 基于上述实施方式，实例选取陆态网1丨3111、1231'、111」2、1282站为例进行验证，其 中，图2为测站xiam至30号卫星的数据，图3为测站xzar至06号卫星的数据，图4为测站lnjz 至15号卫星的数据，图5为测站xzgz至15号卫星的数据。图2~图5同时显示了在北京时间 02:00和14:00左右的处理弧段内分别基于单纯伪距的电离层延迟求解方法和本发明的伪 距相位综合伪距相位综合的电离层延迟求解方法解算得到的站星斜路径方向电离层延迟 的时间序列B和A，横坐标为Time，单位为hour (小时），纵坐标为电离层延迟值，单位为m (米）。从图2~图5可以看出对于不同站星不管在白天还是夜间观测，基于单纯伪距的电离 层延迟求解方法计算出的电离层延迟噪声均很大，而采用本发明的伪距相位综合伪距相位 综合的电离层延迟求解方法解算得到的电离层延迟均很平滑稳定，这得益于高精度的双频 相位观测数据。
[0090]要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施 例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联 想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种伪距相位综合的电离层延迟求解方法，其特征在于，包括步骤： 将处理弧段分为η个历元ti，其中? = 1，2···η; 基于伪距观测值获取历元ti电离层延迟，并将该电离层延迟Λ..,,作为观测值构建观 测方程：其中：为历元ti电离层延迟的真实值，为残差； 基于相位观ii值获取历元ti和ti-i间的电离层延迟的变化并将该电离层延迟 的变化/p,,, - ，作为观测值构建观测方程：其中：和睾，分别为历元tl和ti-l电离层延迟的真实值，为残差； W每个历元ti的方差阵Pi作为权阵，基于式（1)和式(2)对所有η个历元ti叠加，则： 由式(1)得到法方程：Pc为与式（1)对应的伪距分块权阵，巧为与式(2)对应的相位分块权阵，且有：联合式(3)和式(4)求解得到伪距相位综合的电离层延迟/。2. 如权利要求1所述的伪距相位综合的电离层延迟求解方法，其特征在于，基于测站对 卫星的双频载波。和12,根据下式获取历元ti电离层延迟.其中为历元ti在载波^上的电离层延迟，fl和f2分别为载波。和1^2的频率，巧,1和 巧,2分别为历元ti在载波。和1^2上的伪距观测值，&和B2分别为载波。和1^2上的卫星和接收 机的系统硬件延迟。3. 如权利要求2所述的伪距相位综合的电离层延迟求解方法，其特征在于，采用相位平 滑伪距观测值算法获取历元ti在载波。和1^2上的伪距观测值巧,1和巧,.，2d4. 如权利要求1所述的伪距相位综合的电离层延迟求解方法，其特征在于，基于测站对 卫星的双频载波^和12,根据下式获取历元ti和ti-l间的电离层延迟的变^也,. ·:其中：A为差分算子，fl和f2分别为载波。和1^2的频率，λι和λ2分别为载波^和1^2的波长， 巧和战分别为载波^和1^2上的载波相位观测值。
【文档编号】G01S19/07GK106093967SQ201610705331
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月22日
【发明人】陈俊平, 房成贺, 杨赛男, 巩秀强, 陈倩
【申请人】中国科学院上海天文台