基于CORS的区域电离层电子密度三维实时监测系统及方法与流程

本发明涉及到电离层实时监测技术领域，具体涉及一种基于cors的区域电离层电子密度三维实时监测系统。

背景技术：

传统的探测电离层的方法有电离层测高仪和非相干散射雷达等技术。电离层测高仪作为地面垂直观测电离层的主要设备，一直为电离层的观察、研究提供重要的测量数据。然而，测高仪有价格昂贵、只能探测垂直方向电子密度、无法探测f层以上高度的电子密度等缺点；非相干散射雷达的价格更是远远高于测高仪。gnss的出现为电离层监测提供了新的技术手段。

利用gnss进行三维电离层电子密度监测，即利用电离层层析技术获取电离层三维空间的电子密度。已有的电离层层析方法有如下缺点：

1.需要电离层电子密度初值

利用gnss进行三维电离层层析，其本质是利用斜路径上电子总含量反演电子密度的问题。由于gnss观测时通常采用地面gnss基准站的观测方式，而不同地面gnss基准站观测卫星的几何结构通常相似，导致观测值强相关。因此，仅仅常常需要给定一定的电子密度初值，才能得到较好的反演结果。

2.时间分辨率低

由于电离层三维层析往往需要求解大量的参数，而常规的gnss观测值采样率一般不会高于1s。此外，由于历元间观测值相关性太强，导致即使观测值个数超过未知数个数，短时间内也无法得到稳定的解。因此，通常采用累计较长时间观测值的方法来解决这一问题。通常，三维电离层层析的时间分辨率为2小时。

3.无法实时进行监测

进行三维电离层层析时，精密的卫星星历是必须的。因此，采用实时电离层层析进行三维电子密度监测，需要实时的精密星历。此外，电子密度初值通常只能事后获取以及层析的时间分辨率很低。这些限制使得采用三维电离层层析技术进行的实时三维电离层电子密度监测一直无法得到应用。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于cors的区域电离层电子密度三维实时监测系统及方法，利用igs实时服务产品(real-timeservice，rts)提供的精密轨道和精密钟差改正数，实时获取精密卫星状态，进行实时斜路径stec的计算，进而进行实时三维电离层监测。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于cors的区域电离层电子密度三维实时监测系统，其关键在于：包括cors数据实时采集模块、rts实时采集模块、实时精密星历生成模块、实时数据管理模块与电离层数据处理模块，其中：

所述cors数据实时采集模块用于每间隔时间t1接收固定格式的cors站观测数据；

所述rts实时采集模块用于实时接收rts轨道改正数和rts钟差改正数，并将数据传入实时精密星历生成模块；

所述实时精密星历生成模块用于将rts轨道改正数和rts钟差改正数应用于广播星历，生成精密轨道数据；

所述实时数据管理模块用于以数据库的形式管理cors站观测数据与精密轨道数据，并将cors站观测数据每间隔时间t2生成一次观测时长为t3的rinex文件；同时每间隔时间t2生成一次时长为t4的精密轨道文件；

所述电离层数据处理模块用于读取rinex文件、精密轨道文件进行实时的stec估计，生成各cors站与卫星之间的斜路径电子总含量，然后利用电离层三维层析技术实时计算区域上空电离层电子密度，实现电离层电子密度的三维实时监测。

进一步的，所述实时监测系统还包括显示模块与产品服务模块，所述显示模块用于实时显示区域上空电离层电子密度随时间的变化情况；所述产品服务模块用于查询、统计和下载电离层电子密度检测数据。

优选的，所述cors站观测数据的数据格式为rtcm。

优选的，所述rts轨道改正数的获取时间间隔为1分钟，所述rts钟差改正数的获取时间间隔为5秒或10秒。

优选的，所述间隔时间t1的取值为1秒，所述间隔时间t2的取值为5分钟，所述时长t3的取值为30分钟，所述时长t4的取值为2小时。

本发明还提出了一种基于cors的区域电离层电子密度三维实时监测方法，包括以下步骤：

步骤1：以特定频率获取gnss系统中各cors站的观测值，形成gnss数据，并存入观测值数据库；

步骤2：获取rts轨道改正数和rts钟差改正数，并将其用于广播星历的轨道和钟差，生成精密轨道数据，同时存入精密轨道和钟差数据库；

步骤3：每间隔时间t5从观测值数据库与精密轨道和钟差数据库内提取出最邻近时间段t6内的rinex文件与精密轨道文件，进行实时的stec估计，生成各cors站与卫星之间的斜路径电子总含量；

步骤4：根据斜路径电子总含量，采用电离层三维层析技术实时计算区域上空电离层电子密度，实现电离层电子密度的三维实时监测。

进一步的，所述斜路径电子总含量的计算公式为：

其中，stec为斜路径电子总含量，p4和l4分别为码和载波相位观测在频率f1和f2之间形成的无几何组合观测量，<p4+l4>arc为p4+l4在一个连续观测弧段内的平均值，c为真空中光的传播速度，br和b^s分别表示接收机和卫星码观测中两个频率间硬件延迟偏差。

更进一步的，所述电离层三维层析技术实时计算区域上空电离层电子密度的过程包括采用迭代重构算法求解监测区域上空观测方程；

所述观测方程为：

其中，为电离层斜路径电子总含量stec组成的列向量，为电离层电子密度所构成的列向量，a为设计矩阵，设计矩阵中的元素为射线穿过格网时在各个格网中的截距，为观测噪声组成的列向量。

更进一步的，所述间隔时间t5为5分钟，所述最邻近时间段t6的取值为30分钟。

再进一步的，所述rts轨道改正数的获取时间间隔为5秒或1分钟，所述rts钟差改正数的获取时间间隔为5秒或10秒。

本发明首先将各cors站的观测值以较高的频率(如1hz)汇集到数据中心，存入观测值数据库。其次，将获取到的精密轨道和精密钟差改正数应用于广播星历的轨道和钟差，生成精密轨道和钟差产品，存入精密轨道钟差数据库。然后，每隔特定的时间从数据库中取出最临近一段时间的观测值存为rinex文件、精密轨道，生成待处理任务，等待电离层处理模块调用。电离层处理模块每秒等待解算任务，当有新的解算任务出现时，及时解算生成所有cors站与所有卫星的斜路径电子总含量stec。最后，采用电离层三维层析技术，及时解算出三维电离层电子密度，达到三维对电离层电子密度实时监测的目的。

本发明的显著效果是：

1、通过gnss基准站网与电离层数据处理模块实时稳定地提供基于gps、glonass或北斗系统等全球卫星导航系统的实时三维电离层电子密度产品，实现了对区域电离层的实时监测；

2、本发明所采用的区域cors为服务于区域经济建设的基础设施，一经建设完成，即可长期无间断跟踪观测gnss，实现成本较低；而基于cors获得的实时电离层电子密度产品，是cors的增值服务，在不增加建设成本的情况下，提供了实时、高时空分辨率的电离层产品，是传统电离层监测手段的有力补充；

3、本发明所获得的电离层产品还可以应用于gnss定位增强，提升gnss的定位精度和收敛速度。

附图说明

图1是本发明的电路原理框图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是电离层层析几何分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

如图1所示，一种基于cors的区域电离层电子密度三维实时监测系统，包括cors数据实时采集模块、rts实时采集模块、实时精密星历生成模块、实时数据管理模块、电离层数据处理模块、显示模块与产品服务模块，其中：

所述cors数据实时采集模块用于每间隔时间t1接收rtcm格式的cors站观测数据；

所述rts实时采集模块用于实时接收rts轨道改正数和rts钟差改正数，并将数据传入实时精密星历生成模块；

所述实时精密星历生成模块用于将rts轨道改正数和rts钟差改正数应用于广播星历，生成精密轨道数据；

所述实时数据管理模块用于以数据库的形式管理cors站观测数据与精密轨道数据，并将cors站观测数据每间隔时间t2生成一次观测时长为t3的rinex文件；同时每间隔时间t2生成一次时长为t4的精密轨道文件；

所述电离层数据处理模块用于读取rinex文件、精密轨道文件进行实时的stec估计，生成各cors站与卫星之间的斜路径电子总含量，然后利用电离层三维层析技术实时计算区域上空电离层电子密度，实现电离层电子密度的三维实时监测；

所述显示模块用于实时显示区域上空电离层电子密度随时间的变化情况；

所述产品服务模块用于查询、统计和下载电离层电子密度检测数据。

本实施例中，所述rts轨道改正数的获取时间间隔为5秒或1分钟，所述rts钟差改正数的获取时间间隔为5秒或10秒；所述间隔时间t1的取值为1秒，所述间隔时间t2的取值为5分钟，所述时长t3的取值为30分钟，所述时长t4的取值为2小时。

参见附图2，本实施例还提出了一种基于cors的区域电离层电子密度三维实时监测方法，具体步骤如下：

步骤1：确定目标区域范围，将gnss系统中第1～第n个cors站的观测值，以1hz的特定频率实时汇集到数据中心形成gnss数据，并存入观测值数据库；

步骤2：每间隔5秒或1分钟接收rts精密轨道改正数，同时每5秒或10秒接收rts精密钟差改正数，并将其用于广播星历的轨道和钟差，生成精密轨道数据，同时存入精密轨道和钟差数据库；

在具体实施过程中，沿同一电离层而言，从某一cors观测站到各卫星方向上的斜路径电子总含量stec值不同，卫星高度角越小，传播路径越长，stec越大，当高度角为90°时，stec最小，即该站天顶方向总电子含量最小，称为vtec，其可以反映测站上空电离层的总体特征，所以被广泛使用。利用gnss的双频伪距和相位观测值可以求得斜路径上的stec。得到斜路径电子总含量stec后，即可进行三维电离层层析，因此进入步骤3：

步骤3：每间隔时间t5＝5分钟从观测值数据库与精密轨道和钟差数据库内提取出最邻近时间段t6＝30分钟内的rinex文件与精密轨道文件，进行实时的stec估计，生成各cors站与卫星之间的斜路径电子总含量stec；

本例中，采用实时平滑式载波相位平滑伪距来计算，则所述斜路径电子总含量stec的计算公式为：

其中，stec为斜路径电子总含量，p4和l4分别为码和载波相位观测在频率f1和f2之间形成的无几何组合观测量，<p4+l4>arc为p4+l4在一个连续观测弧段内的平均值，c为真空中光的传播速度，br和b^s分别表示接收机和卫星码观测中两个频率间硬件延迟偏差。上述的斜路径电子总含量为本领域现有技术，具体过程可参见(《gnss三维电离层层析算法及电离层扰动研究》，汤俊，2014.05)。

斜路径电子总含量stec的精确确定依赖于模糊度参数组合的确定精度，而该参数的正确固定又主要取决于伪距观测量的精度。随着平滑弧段长度的增加，上述组合确定的精度逐渐提高，因此，实际处理中将时间很短的弧段直接舍去。

本发明采用滑动窗口方法，即每5分钟解算一次，解算时，采用当前时刻前30分钟窗口的观测数据进行计算。这样既保证了一定时段的观测值数量，又可以以较高时间分辨率输出电离层电子密度结果，达到实时监测的目的。

步骤4：根据斜路径电子总含量，采用电离层三维层析技术实时计算区域上空电离层电子密度，实现电离层电子密度的三维实时监测，所述电离层三维层析技术的具体步骤如下：

首先，将待反演的电离层空间离散化，如图3所示，形成基于像素基的层析反演模型；

对于离散化的像素基层析反演模型，卫星信号的传播路径可以近似地看成直线。事先选取一组合适的基函数模型化待反演的电离层电子密度，并将电离层按经度、纬度以及高度方向上离散化为三维的格网，其公式表达为：

式中，j为离散化的格网数，即所选基函数的个数，xj(j＝1,2,…,j)表示基函数的系数，即离散化后的电离层格网电子密度。

然后，设计矩阵；

对每条射线路径上的tec测量值即斜路径电子总含量stec可以表示为：

其中，m表示观测到的电离层斜tec值总个数(或gps射线数)。为矩阵元素，即第i条射线在第j个格网内的截距。考虑到测量中噪声的问题，且假定在一定时间段内格网内电子密度是不变的，那么每条信号传播路径上的电离层斜路径电子总含量stec值可表示为：

将上式用向量的形式表示，则监测区域上空电离层电子密度观测方程为：

其中，为待求电离层电子密度所构成的列向量，为电离层斜路径电子总含量stec组成的列向量，a为设计矩阵，设计矩阵a中的元素为射线穿过格网时在各个格网中的截距，为观测噪声组成的列向量。

最后，采用迭代重构算法对上述的观测方程进行求解，获得区域上空电离层电子密度，实现电离层电子密度的三维实时监测：

迭代重构算法主要应用的是“行运算”技术，即对初始估计通过迭代方式重复修正，直到某种设定的条件得到满足为止，每次修正针对一个方程即进行一次ct测量。这类方法比较节省计算内存且易于操作，当涉及超大矩阵的计算时，该方法的应用较为广泛。该算法分为代数重构、联合迭代重构与乘法代数重构三种方式，本例优选代数重构方式进行求解。

所述代数重构算法art是一种“行运算”算法。该算法在迭代之前给电离层反演区域内的每个像素附一个初值，然后迭代逐步改善待重建图像的初始估计。每一步修正对应一次tec测量，每m步迭代为一轮迭代，依据第k次迭代计算的电离层电子密度求出的tec与实际测量stec之差进行修正，再让这个差值按一定的方式分配到电子密度图像向量中去，使图像趋近于最终解。在第k次迭代中，该方法如下所示：

其中，ai为设计矩阵a的第i行，λ为每一步迭代的松弛因子，λ∈(0,1)，对于含有误差的观测数据，选择合理的松弛因子至关重要(pryseetal.,1998)。从几何角度讲，每一步迭代相当于将电子密度图像向量x^(k)向第i个方程所代表的超平面进行投影。

本发明所述方案与传统电离层检测方法的区别有：

(1)基于rts的三维电离层电子密度监测方法

目前，尚无真正实时的三维电离层电子密度监测方法。见诸报道的利用电离层层析方法，主要是通过事后精密星历进行处理。本发明首次提出采用实时服务产品(rts)结合电离层数据处理技术，计算斜路径电子总含量stec，进而利用电离层层析技术，反演得到三维电离层电子密度，实现对电子密度的有效监测。

(2)基于实时cors的区域三维电离层电子密度监测方法

当前见诸报道的gnss电离层层析方法均是通过事后存储的观测文件进行。只有基于实时数据流的区域三维电离层层析技术，才能真正做到实时区域电子密度监测，因此本发明基于实时cors网络，通过实时接收rtcm3数据流格式并解码，然后存入观测值数据库，进而实时的进行电离层三维层析。

(3)可用于事后电离层数据处理程序的实时处理模式

目前大多数的电离层数据处理程序是基于文件模式的事后处理方法，为了使这种电离层数据处理程序可以用于实时区域三维电子密度监测的处理流程中来，本发明提出将实时数据流存入观测值数据库和精密轨道和精密钟差数据库，并每隔特定时间间隔生成一定时长的观测文件和精密轨道文件。这样的处理模式既能满足实时性要求，又可以不改动已有精密单点定位程序。

(4)基于滑动窗口的实时电离层层析算法

由于电离层层析需要积累长时间的观测值才能进行解算，传统的做法是每2小时解算一次。这就无法保证电离层电子密度监测的实时性。本发明采用滑动窗口方法，即每5分钟解算一次。解算时，采用当前时刻前30分钟窗口的观测数据进行计算。这样既保证了一定时段的观测值数量，又可以以较高时间分辨率输出电离层电子密度结果，达到实时监测的目的。

(5)基于迭代更新的电离层层析算法

由于电离层层析技术需要电子密度的初值才能解行解算。传统的做法是利用经验模型如国际参考电离层模型(internationalreferenceionosphere，iri)作为初值。然而一方面国际参考电离层模型无法实时获取，另一方面其精度有限。本发明采用迭代更新的方法，具体而言，采用上一时段电离层层析结果作为这一时段电离层电子密度的初值。由于电离层在较短的时间内变化不大，其作为初值精度优于经验模型的精度，因此可以作为很好的先验值进行电离层层析。