一种确定全球等离子体层模型的方法及装置与流程

本发明属于全球导航系统及空间环境监测领域，更具体的涉及一种确定全球等离子层模型的方法及装置。

背景技术：

利用低轨卫星的GPS(英文为：Global Positioning System，中文简称：全球定位系统)顶部测量数据建立的GPM(英文为：Global Plasmasphere Model，中文简称：全球等离子体层模型)是研究全球范围内等离子体层时空变化、顶部电离层与等离子体层耦合机制以及提供高精度信号延迟的重要手段。

传统的建模方法如地面垂直测高仪结合GPS观测资料，由于垂直测高仪的设站要求、探测高度的限制，致使该方法建立的模型在全球范围内的精度和可靠性比较低，特别是应用在海样和极地地区时，精度和可靠性更低。导航卫星与低轨卫星同步观测数据求差的方法，由于两种卫星轨道高度差不一定恰好为等离子体层的高度区间，所以同样无法在全球范围内获得高精度的PEC(英文为：Plasmaspheric Electron Content，中文简称：等离子体层垂直电子含量)。

综上所述，采用现有方法，建立的全球等离子体层模型存在精度比较低，且可靠性差的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种确定全球等离子层模型的方法及装置，用以解决现有技术方法，建立建立的全球等离子体层模型存在精度比较低，且可靠性差的问题。

本发明实施例提供一种确定全球等离子体层模型的方法，包括：

对COSMIC卫星顶部的观测数据进行预处理，通过公式(1)从预处理的所述观测数据内获得信号传播路径上的总电子含量STEC；

通过公式(2)，将所述STEC转换为天顶方向的等离子体层电子含量PEC；

利用球谐函数模型对所述PEC进行拟合，确定基于所述COSMIC卫星顶部的观测数据的全球等离子体层模型；

其中，所述公式(1)如下所示：

$STEC=\frac{f_1^2{f}_2^2}{40.3\·(f_1^2-f_2^2)}(P_2-P_1+{\mathrm{\Δb}}_k+{\mathrm{\Δb}}^s)$

所述公式(2)如下所示：

PEC＝podTEC×mf

所述球谐函数模型如下所示：

$VTEC(\mathrm{\β},s)=\underset{n=0}{\overset{N}{\Σ}}\underset{m=0}{\overset{N}{\Σ}}{\tilde{P}}_{nm}\left(sin\mathrm{\β}\right)\left({\tilde{C}}_{nm}cos\right(ms)+{\tilde{S}}_{nm}sin(ms\left)\right)$

上述公式中，P₁、P₂为两个频率上测码伪距观测值，f₁、f₂为载波的频率，Δb_k，Δb^s分别为接收机和卫星的硬件延迟偏差，R_pp＝R_e+H_pp，R_orb＝R_e+H_orb，e为信号传播路径的高度角，R_e为地球半径，H_pp是LEO-GPS卫星连线在等离子体层中的穿刺点高度，H_pp取值范围为几百到几千公里，H_orb是低轨卫星的轨道高度，β为穿刺点的纬度，s为穿刺点在日固系下的太阳时角，N是球谐函数的最大展开阶数，为n度m阶的归化勒让德函数，和为球谐函数系数，mf为转换因子。

本发明实施例还提供一种确定全球等离子体层模型的装置，包括：

处理单元，用于对COSMIC卫星顶部的观测数据进行预处理，通过公式(1)从预处理的所述观测数据内获得信号传播路径上的总电子含量STEC；

转换单元，用于通过公式(2)，将所述STEC转换为天顶方向的等离子体层电子含量PEC；

确定单元，用于利用球谐函数模型对所述PEC进行拟合，确定基于所述COSMIC卫星顶部的观测数据的全球等离子体层模型；

其中，所述公式(1)如下所示：

$STEC=\frac{f_1^2{f}_2^2}{40.3\·(f_1^2-f_2^2)}(P_2-P_1+{\mathrm{\Δb}}_k+{\mathrm{\Δb}}^s)$

所述公式(2)如下所示：

PEC＝podTEC×mf

所述球谐函数模型如下所示：

$VTEC(\mathrm{\β},s)=\underset{n=0}{\overset{N}{\Σ}}\underset{m=0}{\overset{n}{\Σ}}{\tilde{P}}_{nm}\left(sin\mathrm{\β}\right)\left({\tilde{C}}_{nm}cos\right(ms)+{\tilde{S}}_{nm}sin(ms\left)\right)$

上述公式中，P₁、P₂为两个频率上测码伪距观测值，f₁、f₂为载波的频率，Δb_k，Δb^s分别为接收机和卫星的硬件延迟偏差，R_pp＝R_e+H_pp，R_orb＝R_e+H_orb，e为信号传播路径的高度角，R_e为地球半径，H_pp是LEO-GPS卫星连线在等离子体层中的穿刺点高度，H_pp取值范围为几百到几千公里，H_orb是低轨卫星的轨道高度，β为穿刺点的纬度，s为穿刺点在日固系下的太阳时角，N是球谐函数的最大展开阶数，为n度m阶的归化勒让德函数，和为球谐函数系数，mf为转换因子。

本发明实施中，提供一种确定全球等离子体层模型的方法及装置，包括对COSMIC卫星顶部的观测数据进行预处理，通过从所述观测内获得信号传播路径上的总电子含量STEC；通过公式PEC＝podTEC×mf，将所述信号传播方向的总电子含量转换为天顶方向的等离子体层电子含量PEC；利用球谐函数模型对所述PEC进行拟合，确定基于所述COSMIC卫星顶部的观测数据的全球等离子体层模型；上述公式中，P₁、P₂为两个频率上测码伪距观测值，f₁、f₂为载波的频率，Δb_k，Δb^s分别为接收机和卫星的硬件延迟偏差，R_pp＝R_e+H_pp，R_orb＝R_e+H_orb，e为信号传播路径的高度角，R_e为地球半径，H_pp是LEO-GPS卫星连线在等离子体层中的穿刺点高度，H_pp取值范围为几百到几千公里，H_orb是低轨卫星的轨道高度，β为穿刺点的纬度，s为穿刺点在日固系下的太阳时角，N是球谐函数的最大展开阶数，为n度m阶的归化勒让德函数，和为球谐函数系数，mf为转换因子。本发明实施例中，由于可以从低轨卫星的顶部测量中直接提取等离子体层的电子含量，从而消除了由于观测方式等产生的误差，进一步提高模型在全球范围内的精度与可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种全球电离层格网模型的确定方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供一种全球电离层格网模型的确定装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种确定全球定离职层模型的方法流程示意图。如图1所示，该方法主要包括以下步骤：

步骤101，对COSMIC卫星顶部的观测数据进行预处理，通过公式(1)从预处理的所述观测数据内获得信号传播路径上的总电子含量STEC；

步骤102，通过公式(2)，将所述STEC转换为天顶方向的等离子体层电子含量PEC；

步骤103，利用球谐函数模型对所述PEC进行拟合，确定基于所述COSMIC卫星顶部的观测数据的全球等离子体层模型；

其中，所述公式(1)如下所示：

$STEC=\frac{f_1^2{f}_2^2}{40.3\·(f_1^2-f_2^2)}(P_2-P_1+{\mathrm{\Δb}}_k+{\mathrm{\Δb}}^s)$

所述公式(2)如下所示：

PEC＝podTEC×mf

所述球谐函数模型如下所示：

$VTEC(\mathrm{\β},s)=\underset{n=0}{\overset{N}{\Σ}}\underset{m=0}{\overset{n}{\Σ}}{\tilde{P}}_{nm}\left(sin\mathrm{\β}\right)\left({\tilde{C}}_{nm}cos\right(ms)+{\tilde{S}}_{nm}sin(ms\left)\right)$

上述公式中，P₁、P₂为两个频率上测码伪距观测值，f₁、f₂为载波的频率，Δb_k，Δb^s分别为接收机和卫星的硬件延迟偏差，R_pp＝R_e+H_pp，R_orb＝R_e+H_orb，e为信号传播路径的高度角，R_e为地球半径，H_pp是LEO-GPS卫星连线在等离子体层中的穿刺点高度，H_pp取值范围为几百到几千公里，H_orb是低轨卫星的轨道高度，β为穿刺点的纬度，s为穿刺点在日固系下的太阳时角，N是球谐函数的最大展开阶数，为n度m阶的归化勒让德函数，和为球谐函数系数，mf为转换因子。

在步骤101中，所有的原始数据均来源于COSMIC(英文为：The Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere and Climate)卫星上方安置的GPS接收机在卫星飞行过程中接收到的观测信号，对GPS接收机接收到的顶部观察信号进行存储，得到顶部观察数据。

通过公式(1)，从顶部观测数据内获取信号传播路径上STEC(英文为：Slant Total Electron Content，中文简称：总电子含量)

$STEC=\frac{f_1^2{f}_2^2}{40.3\·(f_1^2-f_2^2)}(P_2-P_1+{\mathrm{\Δb}}_k+{\mathrm{\Δb}}^s)---\left(1\right)$

公式(1)中，P₁，P₂分别为L₁、L₂的测码伪距观测值，f₁、f₂为L₁、L₂载波的频率，Δb_k、Δb^s分别为接收机和卫星硬件延迟偏差。

需要说明的是，在实际应用中，COSMIC卫星飞行的高度大约在800km高度左右，在太阳活动低年，这一高度可近似看成是电离层与等离子体层的过渡高度，因此COSMIC卫星高度到GPS卫星高度之间的垂直高度积分电子含量可近似看成PEC。由于podTEC数据给出的是LEO-GPS沿线路径上的斜路径积分电子含量，为了求取垂直方向(即天顶方向)的PEC，必须选取适当的转换因子mf把斜路径方向的podTEC转换成垂直方向的PEC。

具体地，在步骤102中，通过公式(2)，将STEC转换为天顶方向的PEC。公式(2)如下所示：

PEC＝podTEC×mf (2)

其中，R_pp＝R_e+H_pp，R_orb＝R_e+H_orb，mf为转换因子，e为信号传播路径的高度角，R_e为地球半径，H_pp是LEO-GPS卫星连线在等离子体层中的穿刺点高度，H_orb是低轨卫星的轨道高度，H_pp取值范围为几百到几千公里。

在步骤103中，利用球谐函数模型对PEC进行拟合，确定基于所述COSMIC卫星顶部的观测数据的全球等离子体层模型，具体地，公式(3)如下所示：

$VTEC(\mathrm{\β},s)=\underset{n=0}{\overset{N}{\Σ}}\underset{m=0}{\overset{n}{\Σ}}{\tilde{P}}_{nm}\left(sin\mathrm{\β}\right)\left({\tilde{C}}_{nm}cos\right(ms)+{\tilde{S}}_{nm}sin(ms\left)\right)---\left(3\right)$

其中，β为穿刺点的纬度，s为穿刺点在日固系下的太阳时角，N是球谐函数的最大展开阶数，为n度m阶的归化勒让德函数，和为球谐函数系数。

需要说明的是，在本发明实施例中，采用的球谐函数模型也用于建立全球电离层格网模型，CODE使用15×15阶的球谐函数模型建立全球电离层格网模型。

进一步地，由于相对于电离层，等离子体层的TEC的量级较小，内部结构的复杂性相对要小，所以采用8×8阶的球谐函数结合最小二乘的方法来进行建模。建模同时估计接收机和卫星的硬件延迟偏差，为了将接收机和卫星的硬件延迟分离，在参数估计时附加了所有卫星DCB之和等于零的约束条件。

综上所述，本发明实施提供了一种确定全球等离子体层模型的方法，由于可以从低轨卫星的顶部测量中直接提取等离子体层的电子含量，从而消除了由于观测方式等产生的误差，进一步提高模型在全球范围内的精度与可靠性。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种确定全球等离子体层模型的装置，由于该装置解决技术问题的原理与一种确定全球等离子体层模型的方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

图2为本发明实施例提供的一种确定全球等离子体层模型的装置结构示意图。如图2所示，该装置包括处理单元21，转换单元22和确定单元23。

处理单元21，用于对COSMIC卫星顶部的观测数据进行预处理，通过公式(1)从预处理的所述观测数据内获得信号传播路径上的总电子含量STEC；

转换单元22，用于将所述STEC转换为天顶方向的等离子体层电子含量PEC；

确定单元23，用于利用球谐函数模型对所述PEC进行拟合，确定基于所述COSMIC卫星顶部的观测数据的全球等离子体层模型；

其中，所述公式(1)如下所示：

$STEC=\frac{f_1^2{f}_2^2}{40.3\·(f_1^2-f_2^2)}(P_2-P_1+{\mathrm{\Δb}}_k+{\mathrm{\Δb}}^s)$

所述公式(2)如下所示：

PEC＝podTEC×mf

所述球谐函数模型如下所示：

$VTEC(\mathrm{\β},s)=\underset{n=0}{\overset{N}{\Σ}}\underset{m=0}{\overset{n}{\Σ}}{\tilde{P}}_{nm}\left(sin\mathrm{\β}\right)\left({\tilde{C}}_{nm}cos\right(ms)+{\tilde{S}}_{nm}sin(ms\left)\right)$

上述公式中，P₁、P₂为两个频率上测码伪距观测值，f₁、f₂为载波的频率，Δb_k，Δb^s分别为接收机和卫星的硬件延迟偏差，R_pp＝R_e+H_pp，R_orb＝R_e+H_orb，e为信号传播路径的高度角，R_e为地球半径，H_pp是LEO-GPS卫星连线在等离子体层中的穿刺点高度，H_pp取值范围为几百到几千公里，H_orb是低轨卫星的轨道高度，β为穿刺点的纬度，s为穿刺点在日固系下的太阳时角，N是球谐函数的最大展开阶数，为n度m阶的归化勒让德函数，和为球谐函数系数，mf为转换因子。

应当理解，以上一种确定全球等离子体层模型的装置包括的单元仅为根据该设备装置实现的功能进行的逻辑划分，实际应用中，可以进行上述单元的叠加或拆分。并且该实施例提供的一种确定全球等离子体层模型的装置所实现的功能与上述实施例提供的一种确定全球等离子体层模型的方法一一对应，对于该装置所实现的更为详细的处理流程，在上述方法实施例一中已做详细描述，此处不再详细描述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。