一种电离层梯度参数的确定方法、装置及系统与流程

本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种电离层梯度参数的确定方法、装置及系统。

背景技术：

现有的全球卫星导航系统(英文缩写为gnss)还无法满足一些高端用户在可用性、精度和完好性等方面的迫切要求，比如民用航空用户。其中的一个原因就在于电离层误差对于gnss信号的影响。

现有技术中，用户可以通过地基增强系统(英文缩写为gbas)差分修正可以将电离层误差减小到在实际运行中可以忽略的程度。然而，在电离层异常情况发生时，使用gbas地面站提供的差分修正量并不能将受到的电离层误差减小到安全的程度。所以，需要通过建立合理的电离层威胁模型，配置合理的参数来包络可能出现的电离层异常并使用模拟的手段来计算和评估电离层异常对gbas系统带来的影响。对于gbas系统面对的异常电离层梯度，可以具体用一个电离层梯度有着线性变化的楔型锋面以固定速度移动的电离层锋面模型来模拟。该模型中的电离层影响参数主要包括锋面移动的速度v，楔形的宽度w，线性变化的梯度g，其中梯度g是与gbas地面设备最相关的参数。然而，目前尚没有一种能够较为准确地确定该电离层影响参数的方法，特别是对参数中梯度g的确定方法。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种电离层梯度参数的确定方法、装置及系统，以解决现有技术中利用电离层锋面模型模拟gbas系统面对的异常电离层梯度时，尚没有一种能够较为准确地确定其中的电离层梯度参数的方法的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种电离层梯度参数的确定方法，所述方法包括：

通过gnss接收机获取gnss卫星在测量时间段内连续的测量数据；

对所述测量数据进行预处理，得到处理后的测量数据；

根据所述处理后的测量数据，通过计算出的电离层延迟确定电离层梯度参数估计值。

作为本发明第一方面的优选方式，所述方法还包括：

根据至少一个所述电离层梯度参数估计值，基于膨胀电离层梯度的高斯分布函数获取优化后的电离层梯度参数标准值。

作为本发明第一方面的优选方式，所述根据所述处理后的测量数据，确定电离层梯度参数估计值包括：

在所述测量时间段内选取两个不同的时刻后，根据所述处理后的测量数据，分别计算所述gnss卫星在两个不同时刻的斜距域的电离层延迟值；

基于电离层薄壳模型，将两个所述斜距域的电离层延迟值分别转化为两个垂直域的电离层延迟值；

根据两个所述垂直域的电离层延迟值，确定所述电离层梯度参数估计值。

作为本发明第一方面的优选方式，所述预处理包括对所述测量数据依次进行的去除低仰角数据处理、周跳检测和修复处理、短弧段移除处理、多项式平滑和相邻弧段融合处理和极端值排除处理。

第二方面，本发明实施例提供一种电离层梯度参数的确定装置，所述装置包括：

数据获取单元，用于通过gnss接收机获取gnss卫星在测量时间段内连续的测量数据；

数据处理单元，用于对所述测量数据进行预处理，得到处理后的测量数据；

参数确定单元，用于根据所述处理后的测量数据，通过计算出的电离层延迟确定电离层梯度参数估计值。

作为本发明第二方面的优选方式，所述装置还包括：

参数优化单元，用于根据至少一个所述电离层梯度参数估计值，基于膨胀电离层梯度的高斯分布函数获取优化后的电离层梯度参数标准值。

作为本发明第二方面的优选方式，所述参数确定单元具体用于：

在所述测量时间段内选取两个不同的时刻后，根据所述处理后的测量数据，分别计算所述gnss卫星在两个不同时刻的斜距域的电离层延迟值；

基于电离层薄壳模型，将两个所述斜距域的电离层延迟值分别转化为两个垂直域的电离层延迟值；

根据两个所述垂直域的电离层延迟值，确定所述电离层梯度参数估计值。

作为本发明第二方面的优选方式，所述预处理包括对所述测量数据依次进行的去除低仰角数据处理、周跳检测和修复处理、短弧段移除处理、多项式平滑和相邻弧段融合处理和极端值排除处理。

第三方面，本发明实施例提供一种系统，所述系统包括：

gnss卫星；

gnss接收机，用于接收所述gnss卫星在测量时间段内连续的测量数据；

以及如上述第二方面所述的电离层梯度参数的确定装置。

本发明实施例提供的电离层梯度参数的确定方法、装置及系统，该方法通过对获取到的gnss卫星在测量时间段内连续的测量数据进行预处理，去除由于多径干扰等因素影响而误差较大的低仰角测量数据，并对测量数据依次做消除载波周跳、短弧段移除和极端值排除等处理以得到更加准确的测量数据，然后根据处理后的测量数据计算出gnss卫星在两个不同时刻的电离层延迟，再根据这两个电离层延迟最终确定出电离层梯度参数估计值。该方法完整且系统地建立了一种确定该电离层梯度参数的方法，整个确定过程简单、易执行，确定的电离层梯度参数也比较精确，符合实际需要的gbas电离层播发参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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为现有技术中电离层锋面模型的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电离层梯度参数的确定方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种电离层梯度参数的确定方法中电离层薄壳模型的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种电离层梯度参数的确定装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

本发明实施例中所述的电离层是指分散在地球大气层中50km到1000km高度的介质层。电离层包含由于太阳辐射激发出的自由电子和离子，这些电荷的存在造成了通过这个介质层的电磁波的相位提前和群传播时延。gnss卫星发出的信号通过电离层时，同样会受到电离层的干扰。这个干扰造成的误差会随着电离层的变化而变化，而电离层的变化和太阳活动、地球磁场变化以及当地的纬度和季节等多种因素有关，因此难于建立一个精确的误差模型来描述这个误差。电离层对gnss信号的干扰，严重时会造成数十米的误差，带来的影响较大。

通常情况下，用户通过地基增强系统(gbas)差分修正可以将电离层误差减小到在实际运行中可以忽略的程度，因为在用户和gbas地面站之间的距离较近(20-100km)时，两者的电离层误差在时间和空间上存在很强的相关性(电离层梯度在2-3mm/km内，1σ)。而在电离层异常情况发生时，这种相关性会被突然出现的巨大电离层梯度破坏。在这种情况下，用户使用gbas地面站提供的差分修正量并不能将自己受到的电离层误差减小到安全的程度，而用户自身和gbas地面站如果都没有捕获到电离层异常，也就不会触发告警机制，这将使用户收到危险误导信息(hmi)。为此，修正电离层延迟误差是提高导航定位性能的所亟待解决的主要问题之一。

为了保证gbas在突发的电离层异常情况下的可用性，我们就需要根据经验数据对gbas在电离层异常情况下的运行情况做出合理的评估。因为无法控制和预测电离层异常在现实情况下发生的时间和地点，我们只能通过建立合理的电离层威胁模型，配置合理的参数来包络可能出现的电离层异常并使用模拟的手段来计算和评估电离层异常对gbas带来的影响。

对于gbas面对的异常电离层梯度，我们可以用一个电离层梯度有着线性变化的楔型锋面，以固定速度移动的电离层锋面模型来模拟，该电离层锋面模型为上述的电离层威胁模型中的一种，具体参照图1所示。

其中，锋面移动的速度为v，楔形的宽度为w，线性变化的梯度为g，电离层的最大垂直延迟为d。锋面移动速度v为，锋面相对于地面的移动速度。楔形宽度w是垂直方向上的电离层最大和最小延迟之间的水平距离。梯度g定义为垂直方向上的电离层最大和最小延迟之间的线性变化。速度v、楔形宽度w和梯度g是异常电离层模型的三个关键参数，而电离层的最大垂直延迟d可以用楔形宽度w乘以电离层梯度参数g来表示。

其中，对于gbas地面站来说，最相关的参数就是电离层梯度参数g。这个参数在gbas的type2电文中发送给用户，以确保在发生电离层异常的情况下，用户可以利用gbas地面站发送的电离层梯度参数包络住电离层异常造成的延迟误差，从而避免收到危险误导信息的情况发生。

本发明实施例公开了一种电离层梯度参数的确定方法，参照图2所示，该方法主要包括下列步骤：

201、通过gnss接收机获取gnss卫星在测量时间段内连续的测量数据；

202、对测量数据进行预处理，得到处理后的测量数据；

203、根据处理后的测量数据，通过计算出的电离层延迟确定电离层梯度参数估计值。

在步骤201中，对于gbas地面站来说，需要采集以其为圆心、半径为10～40公里范围内(也就是其服务范围)的电离层相关数据。

gbas地面站中设置有双频gnss接收机，通过该gnss接收机可以接收gnss卫星在测量时间段内连续的测量数据。一般地，该测量时间段可以根据实际需要来设置，通常设置为一年。

由于gnss卫星会同时发出两个载波频率下的数据，即第一载波频率f1和第二载波频率f2，通常第一载波频率f1为主要的载波频率，因此gnss接收机在测量时间段内会连续地同时接收到这两个载波频率下的测量数据，同时还会计算出这两个载波频率下的伪距测量值。

在步骤202中，针对gnss接收机获取到的测量数据，需要进行预处理，目的是去除受到干扰而误差较大的数据，以得到较为准确的测量数据。

优选地，上述的预处理包括对测量数据依次进行的去除低仰角数据处理、周跳检测和修复处理、短弧段移除处理、多项式平滑和相邻弧段融合处理和极端值排除处理。

具体地，上述各个处理过程具体如下：

去除低仰角数据处理：由于低仰角的测量数据会由于外界因素的影响而引入大量的噪声，所以会去除低仰角的测量数据。具体地，根据gnss接收机接收到的gnss卫星的测量数据，确定gnss接收机在测量时间段内每个历元可见的gnss卫星的位置。另外，由于gnss接收机的设置位置可以事先测定，因此通过这两个位置就可以得到每个历元可见的gnss卫星的仰角，最后将仰角低于10度的该gnss卫星的测量数据去除。

周跳检测和修复处理：由于gnss接收机对于电离层误差延迟的计算需要精确的载波测量值，而通常在载波测量值中会存在整周模糊度和周跳，其中整周模糊度可以通过对载波测量值做单差来消除，但周跳则需要通过特定算法的数据处理，将gnss接收机接收到的测量数据处理为能够清晰反应出周跳的检测数据。检测出周跳后可以计算出周跳的大小，进而在误差计算时排除周跳带来的影响。具体地，可以联合采用电离层残差法和melbourne-wuebbena组合法来进行周跳检测和修复处理。

采用电离层残差法进行周跳检测的检测量csd1为：

其中，f1和f2分别表示gnss卫星的第一载波频率和第二载波频率，和分别为f1和f2对应的载波测量值；当不存在周跳，电离层变化稳定时，csd1的值应该小于门限值并在0附近波动，而当存在周跳时，假设载波在历元t2发生周跳，f1和f2对应的周跳值分别是δn1和δn2，则有

显然当时，电离层残差法无法有效检测周跳，所以还需要melbourne-wuebbena组合法再进行检验。

melbourne-wuebbena组合法进行周跳检测时，其模糊度n为

假设载波在历元t2发生周跳，f1和f2对应的周跳值分别是δn1和δn2，则melbourne-wuebbena组合法得到的检测量csd2为：

csd2＝n(t2)-n(t1)＝δn1-δn2，

其中，p1、p1分别为f1和f2下的伪距测量值。

通常情况下，联合csd1和csd2的方程就可以求出δn1和δn2。在电离层残差法无法检测出周跳而melbourne-wuebbena组合法检测出周跳时，可以认为在melbourne-wuebbena组合法无法检测出周跳而电离层残差法能够检测出周跳时，需要先检验是否是电离层剧烈变化引起的载波变化，如果不是则可以认为δn1＝δn2。

短弧段移除处理：由于gnss接收机对gnss卫星的测量数据接收的中断，会导致接收到的测量数据不连续，而在外界干扰或者存在遮挡情况下gnss接收机对gnss卫星的测量数据的接收会频繁的中断。这会使gnss接收机获取到的测量数据中存在不连续的短弧段，同时由于干扰或遮挡的影响，这些测量数据也会存在大量噪声，所以在预处理中需要将这些短弧段数据去除。具体地，可将测量数据中连续数据小于10个或者连续时间小于5分钟的数据去除。

多项式平滑和相邻弧段融合处理：为了去除测量数据中偶发的极端采样值，以及填补由于短弧段移除处理后带来的测量数据的空白，可以对测量数据做多项式拟合平滑处理。使用3阶多项式拟合测量数据，可以得到连续平滑的测量数据拟合曲线。相邻弧段间由于短弧段移除造成的测量数据的空白也可以用拟合值来补充。

极端值排除：在上述通过多项式拟合测量数据去除部分极端采样值后，为了获得更加精确的测量数据，需要在预处理中进一步将这种偶发的极端采样值排除。具体地，在连续弧段中计算每个测量值和多项式拟合值的差值，然后分别比较每个点差值和其前4个点差值的均值以及后4个点差值的均值。如果前后差值比较结果都大于设定的门限值，就可以认为是极端采样值并从测量数据中排除。

通过上述一系列处理，能够去除测量数据中受到干扰而误差较大的数据，从而得到较为准确的测量数据，以确保后续的计算准确性。

在步骤203中，根据上述处理后的测量数据确定电离层梯度参数估计值时，先要计算出电离层延迟，然后再基于该电离层最终确定出电离层梯度参数估计值。

优选地，在一种可能的实现方式中，步骤203可以按照如下方式具体实施：

2031、在测量时间段内选取两个不同的时刻后，根据处理后的测量数据，分别计算gnss卫星在两个不同时刻的斜距域的电离层延迟值。

该步骤中，为了计算电离层延迟，先建立电离层薄壳模型，参照图3所示，即将电离层等效为距地面固定高度为350公里的薄壳，然后观测并计算同一颗gnss卫星s1在上述的测量时间段任意选取的两个时刻t1和t2斜距上的电离层延迟值iiono(t2)和iiono(t1)。

具体地，采用双频伪距来计算这两个时刻的电离层延迟值，可通过下式进行计算：

其中iiono(t1)表示t1时刻在第一载波频率f1下的电离层延迟值，p1和p2分别表示第一载波频率f1和第二载波频率f2下的伪距测量值。

同样地，可以根据上式计算出t2时刻在第一载波频率f1下的电离层延迟值。

这里需要注意的是，计算出的电离层延迟值是在斜距域的电离层延迟值。

2032、基于电离层薄壳模型，将两个斜距域的电离层延迟值分别转化为两个垂直域的电离层延迟值；

该步骤中，电离层统计需要用到垂直域的电离层梯度，因为电离层延迟是随着gnss卫星的仰角变化而变化的。斜距域的电离层延迟可以通过电离层薄壳模型转化为等价的垂直域的电离层延迟。

该电离层薄壳模型中，斜率因子可用下式表示：

其中，re是地球半径，hl是电离层薄壳模型的高度，el是gnss卫星的仰角。

通过该斜率因子，gnss卫星在t1时刻和t2时刻的斜距域的电离层延迟值就可以转化为等效的穿刺点下的垂直域的电离层延迟值ivert，具体可分别通过下式进行计算：

这里需要注意的是，上述的穿刺点(ipp)表示gnss卫星与gnss接收机的连线与电离层薄壳的交点。

2033、根据两个垂直域的电离层延迟值，确定电离层梯度参数估计值。

上述过程中，先计算gnss卫星在t1时刻的穿刺点ipp1和在t2时刻的穿刺点ipp2之间的直接距离d。然后，基于该直接距离，通过下式计算电离层梯度参数估计值：

g＝(ivert(t2)-ivert(t1))/d。

在步骤203之后，还包括如下步骤：

204、根据至少一个电离层梯度参数估计值，基于膨胀电离层梯度的高斯分布函数获取优化后的电离层梯度参数标准值。

步骤204中，由于上述计算出来的电离层梯度参数估计值的精确度尚有欠缺，因此可以通过处理长期计算出来的至少一个电离层梯度参数估计值，找到合适的电离层梯度参数标准值，使得用户在使用这个参数时能够包络绝大部分电离层异常的情况而不产生危险误导信息。通常情况下，选取至少17个电离层梯度参数估计值进行基于膨胀电离层梯度的高斯分布函数的优化处理，效果更佳，结果更加精确。

具体地，使用膨胀电离层梯度的高斯分布函数来包络尾部的方法确定优化后的电离层梯度参数标准值。按照实际使用需要将测量数据的值域划分为n个区间，并将采集到的测量数据按区间进行分组，计算每个分组在总测量数据中所占的密度，得到离散概率密度分布、均值μ和标准差σstd_ion_overt。然后利用膨胀的高斯分布函数去包络数据的概率密度分布，从而计算出膨胀因子f，最终得到的优化后的电离层梯度参数标准值为：

σiono_vert＝μ+fσstd_iono_vert。

需要说明的是，对于上述方法的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必须的。

基于同一发明构思，本发明实施例提供一种电离层梯度参数的确定装置，参照图4所示，该装置包括：

数据获取单元41，用于通过gnss接收机获取gnss卫星在测量时间段内连续的测量数据；

数据处理单元42，用于对测量数据进行预处理，得到处理后的测量数据；

参数确定单元43，用于根据处理后的测量数据，通过计算出的电离层延迟确定电离层梯度参数估计值。

优选地，该装置还包括：

参数优化单元44，用于根据至少一个电离层梯度参数估计值，基于膨胀电离层梯度的高斯分布函数获取优化后的电离层梯度参数标准值。

优选地，参数确定单元43具体用于：

在测量时间段内选取两个不同的时刻后，根据处理后的测量数据，分别计算gnss卫星在两个不同时刻的斜距域的电离层延迟值；

基于电离层薄壳模型，将两个斜距域的电离层延迟值分别转化为两个垂直域的电离层延迟值；

根据两个垂直域的电离层延迟值，确定电离层梯度参数估计值。

需要说明的是，本发明实施例提供的电离层梯度参数的确定装置与前述实施例所述的电离层梯度参数的确定方法属于相同的技术构思，其具体实施过程可参照前述实施例中对方法步骤的说明，在此不再赘述。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种系统，参照图5所示，该系统包括：

gnss卫星51；

gnss接收机52，用于接收gnss卫星在测量时间段内连续的测量数据；

以及如上述任一实施例中所述的电离层梯度参数的确定装置53。

本发明实施例提供的电离层梯度参数的确定方法、装置及系统，该方法通过对获取到的gnss卫星在测量时间段内连续的测量数据进行预处理，去除由于多径干扰等因素影响而误差较大的低仰角测量数据，并对测量数据依次做消除载波周跳、短弧段移除和极端值排除等处理以得到更加准确的测量数据，然后根据处理后的测量数据计算出gnss卫星在两个不同时刻的电离层延迟，再根据这两个电离层延迟最终确定出电离层梯度参数估计值。该方法完整且系统地建立了一种确定该电离层梯度参数的方法，整个确定过程简单、易执行，确定的电离层梯度参数也比较精确，符合实际需要的gbas电离层播发参数。

本领域技术人员可以理解，实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤，而前述的存储介质包括rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。