基于准四维模型的电离层延迟改正方法及系统

1.本发明属于卫星导航定位系统(global navigation satellite system,gnss)技术领域，特别涉及一种基于经度、纬度、高度角及方位角的准四维电离层延迟模型构建改正方法及系统。


背景技术：

2.全球导航卫星系统(gnss)主要包括美国全球定位系统(global positioning system，gps)、中国的北斗(bds)、俄罗斯的格洛纳斯(glonass)，以及欧洲的伽利略(galileo)四大系统。随着近年来多频多系统的发展，人们对于高精度定位的需求日益增加，而电离层延迟作为gnss观测中与传播路径有关的一个重要误差项，如何高精度改正电离层延迟是目前高精度定位中亟需解决的一个重要问题。
3.电离层延迟是指卫星信号在通过电离层时，其传播路径受带电粒子的干扰产生了弯曲，从而使得实际传播时间乘以光速不等于几何距离而产生的延迟误差。因此在定位中，需要对电离层延迟进行改正，进行获得相对准确的用户位置。电离层延迟改正的精度将直接影响用户定位精度，是影响用户定位性能的关键部分。
4.目前在定位中广泛使用的电离层模型有klobuchar模型、全球电离层格网模型(global ionospheric model,gim)以及斜路径电离层延迟内插模型。其中klobuchar模型只能改正50％-60％的电离层延迟误差，gim格网模型精度为2-8tecu(0.32m-1.28m)，显然不能满足高精度定位的需求；而斜路径电离层延迟内插模型虽然改正精度较高，但是受区域范围及播发量的限制，并未广泛使用。考虑到电离层延迟与传播路径相关，传统电离层延迟模型仅考虑穿刺点(ionosphere piercing point,ipp)经纬度二维信息，仅能改正电离层延迟随经纬度变化的低频部分，但实际中，即使同一经纬度穿刺点电离层延迟也会因其高度角方位角不同而经过的电离层区域不同，即传统电离层延迟产品难以描述的高频部分。因此如何基于经纬度格网电离层模型，将高度角方位角方向信息引入到电离层延迟模型中，进而改正电离层延迟模型中的高频部分是构建高精度电离层延迟模型的关键。


技术实现要素：

5.针对传统电离层延迟模型难以对电离层延迟中的高频部分进行改正的问题，本发明提供了一种准四维电离层延迟模型构建及改正方案。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
7.一种基于准四维模型的电离层延迟改正方法，解算地面参考站相对于不同卫星的斜路径电离层延迟，并按照经度、纬度、高度角、方位角划分为不同子网，从而生成基于经纬度划分的电离层延迟背景场以及基于经度、纬度、高度角、方位角划分的电离层延迟残差改正，以此构建准四维电离层延迟模型；在进行定位解算时，通过获取电离层延迟背景场及电离层延迟残差改正产品计算得到高精度电离层延迟改正。
8.而且，实现过程如下，
9.首先利用基准站观测数据，构建四维电离层延迟改正模型，实现过程包括以下步骤，
10.步骤a1，利用地面基准站观测数据及参考坐标，结合分析中心给出的最终精密轨道钟差产品，静态解算各个历元不同基准站相对于不同卫星的斜路径电离层延迟；
11.步骤a2，利用预设的经纬度、高度角及方位角划分子网个数，根据不同维度子网内电离层延迟std和最小来进一步确定不同维度子网划分区间；
12.步骤a3，将步骤a1中解算所得斜路径电离层延迟划分到步骤a2中确定的不同维度的子网中；
13.步骤a4，利用步骤a3中划分所得不同维度区间内的斜路径电离层延迟，采用线性内插法或球谐函数法解算步骤a2中划分所得各经纬度格网点上电离层延迟，以此作为四维电离层延迟改正模型中的背景场；
14.步骤a5，根据步骤a3划分所得不同维度区间内的斜路径电离层延迟，在扣除背景场电离层延迟的基础上剔除粗差后计算其改正数以及std，同时给出对应的子网索引号，以此作为四维电离层延迟改正模型中的残差改正；
15.步骤a6，将步骤a4中生成的背景场电离层延迟改正以及步骤a5中生成的电离层延迟残差改正配合使用构成四维电离层延迟改正模型；
16.在进行定位解算时，获取电离层延迟产品进行电离层延迟改正，实现过程包括以下步骤，步骤b1，输入四维电离层延迟改正模型；
17.步骤b2，读取电离层延迟背景场产品用于改正电离层低频项延迟，通过线性内插的方式将相近经纬度格网点上的电离层延迟内插到用户对应经纬度的穿刺点上，以此获得用户背景场电离层延迟改正；
18.步骤b3，读取电离层延迟残差改正产品用于改正电离层高频项延迟，通过线性内插的方式将相近经纬度、高度角方位角上的电离层延迟残差改正内插到用户对应经纬度、高度角方位角的穿刺点上，以此获得用户电离层延迟残差改正，
19.步骤b4，结合步骤b2中的背景场电离层延迟改正以及步骤b3中的电离层延迟残差改正，得到用户电离层延迟改正。
20.而且，步骤a2的实现方式包括以下步骤，
21.(1)利用预设事先给定的经纬度、高度角及方位角划分子网个数，对不同维度参数进行等间隔划分；
22.(2)求取不同子网内斜路径电离层延迟std值，并求和；
23.(3)移动子网划分区间，重新获取不同子网内斜路径电离层延迟std和；
24.(4)选取std和最小的子网划分区间作为最优四维电离层子网划分区间。
25.而且，步骤a5的实现方式包括以下步骤，
26.(1)利用斜路径电离层延迟在扣除对应穿刺点内插所得背景场电离层延迟后，获得各斜路径电离层延迟上的残差；
27.(2)剔除同一子网内的斜路径电离层延迟残差中粗差；
28.(3)计算该子网中剔除粗差后的残差改正均值及其std；
29.(4)计算对应子网的索引号；
30.(5)采用稀疏矩阵的存储方式，给出残差改正索引号、改正值及std作为四维电离
层延迟改正模型中的残差改正。
31.而且，步骤a6中构建的四维电离层延迟改正模型，表述如下，
[0032][0033]
其中为电离层背景延迟，与电离层延迟穿刺点ipp经纬度b
ipp
,l
ipp
有关；为电离层残差延迟，与电离层延迟穿刺点ipp经纬度、高度角、方位角有关b
ipp
,l
ipp
,e
ipp
,a
ipp
。
[0034]
而且，步骤b2的实现方式包括以下步骤，
[0035]
(1)获取用户在某个观测传播路径中电离层穿刺点经纬度；
[0036]
(2)依据电离层延迟背景场产品子网划分区间确定与穿刺点相近的四个格网点；
[0037]
(3)采用线性内插的方式对穿刺点上电离层延迟低频项进行改正，获取用户背景场电离层延迟改正。
[0038]
而且，步骤b3的实现方式包括以下步骤，
[0039]
(1)获取用户在某个观测中传播路径电离层穿刺点经纬度、高度角及方位角；
[0040]
(2)依据电离层延迟残差改正产品中的划分区间确定与该穿刺点相近的格网点；
[0041]
(3)获取相近格网点的索引号用于确定该区间内残差改正值及其std；
[0042]
(4)采用线性内插的方式对该穿刺点上电离层延迟高频项进行改正，获取用户电离层延迟残差改正。
[0043]
而且，电离层延迟背景场中对经度、纬度格网采用不均匀划分，
[0044]
而且，电离层延迟残差改正中对经度、纬度、高度角、方位角采用不均匀划分。
[0045]
另一方面，本发明还提供一种基于准四维模型的电离层延迟改正系统，用于实现如上所述的一种基于准四维模型的电离层延迟改正方法。
[0046]
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
[0047]
1.与传统的电离层格网模型相比，该模型不仅考虑到电离层延迟中与经纬度相关的低频部分，同时考虑到电离层延迟中与高度角方位角相关的高频部分，显著提升了电离层模型精度。
[0048]
2.与斜路径电离层内插模型相比，该模型分为电离层延迟改正背景场和电离层延迟残差改正两个部分，同时采用稀疏矩阵存储方式对电离层延迟残差存储，显著压缩了数据存储量。
附图说明
[0049]
图1是本发明实施例方法流程图；
[0050]
图2是本发明实施例格网点内插穿刺背景电离层延迟示意图。
具体实施方式
[0051]
以下结合附图和实施例说明本发明的技术方案。
[0052]
本发明通过ppp静态解算地面参考站相对于不同卫星的斜路径电离层延迟，并将其按照经度、纬度、高度角、方位角划分为不同子网，从而生成基于经纬度划分的电离层延迟背景场以及基于经度、纬度、高度角、方位角划分的电离层延迟残差改正，以此构建准四
维电离层延迟模型。用户则可通过获取电离层延迟背景场及电离层延迟残差改正产品计算得到高精度电离层延迟改正。与传统的电离层格网模型相比，本发明充分考虑电离层延迟中传播路径中的方位角、高度角信息，可以在改正电离层延迟低频项的基础上进一步改正其高频项，其模型精度得到了明显提升。
[0053]
进一步地，提出通过给定经度、纬度、高度角、方位角划分子网个数，依据各子网电离层延迟残差std和最小准则，确定不同维度子网划分区间。然后采用线性内插或球谐函数法构建电离层延迟背景场；扣除背景场并剔除粗差后计算其残差改正值及std，进而生成电离层延迟残差改正产品。用户在使用时，根据观测路径中电离层穿刺点经纬度对电离层延迟背景场线性内插获取各经纬度格网点上低频部分电离层延迟改正，根据穿刺点经纬度、高度角方位角对电离层延迟残差改正产品线性内插获取高频部分电离层延迟残差改正。最后将低频部分及高频部分相加即可获得用户高精度电离层延迟改正。
[0054]
本发明实施例提供了一种基于准四维模型的电离层延迟方法。在考虑电离层延迟与经经纬度相关的低频项基础上，同时考虑不同传播路径中与高度角及方位角相关的电离层延迟高频项，构建电离层延迟低频改正的电离层延迟背景场模型以及电离层延迟高频改正的电离层延迟残差改正模型，以支持高精度电离层延迟改正。
[0055]
电离层模型构建及改正的整体架构如附图1所示，主要分为两个部分：电离层延迟模型构建部分和电离层延迟改正部分。
[0056]
首先是电离层延迟模型构建部分，通过获取基准站观测数据以及精密轨道/钟差等产品，采用ppp静态解算，获取基准站相对于卫星的斜路径电离层延迟；然后通过给定经度/纬度/高度角/方位角划分子网个数，依据各子网电离层延迟残差std和最小准则，确定不同维度子网划分区间；然后采用线性内插或球谐函数法计算各个经纬度格网点上的电离层延迟，从而构建电离层延迟背景场；斜路径电离层延迟在扣除背景场电离层延迟并剔除粗差后计算各个经纬度、高度角、方位角子网内的残差改正值及其延迟残差std，从而生成电离层延迟残差改正产品。
[0057]
其次是电离层延迟改正部分，获取上述电离层延迟模型构建部分构建的电离层延迟背景场产品及电离层延迟残差改正产品后，根据穿刺点经纬度对电离层延迟背景场线性内插获得各经纬度格网点上低频部分电离层延迟改正；根据穿刺点经度、纬度、高度角、方位角对电离层延迟残差改正产品线性内插获取高频部分电离层延迟残差改正。最后将低频部分电离层延迟改正以及高频部分电离层延迟改正相加即可得到用户所需的高精度电离层延迟改正。
[0058]
本发明提出采用不同维度不均匀子网划分的电离层延迟背景场和电离层延迟残差改正，其中：
[0059]
电离层延迟背景场包括与经纬度相关的电离层延迟低频部分。电离层延迟残差改正包括与经度、纬度、高度角、方位角相关的电离层延迟高频部分。
[0060]
用户在获取电离层延迟模型时分为电离层延迟背景场产品和电离层延迟残差改正产品。
[0061]
进一步地，所述的电离层延迟背景场，对经度、纬度格网采用不均匀划分。
[0062]
进一步地，所述的电离层延迟背景场，采用线性内插或球谐函数法构建电离层延迟背景场。
[0063]
进一步地，所述的电离层延迟残差改正，对经度、纬度、高度角、方位角采用不均匀划分。
[0064]
实施例提供的方案包括以下两部分：
[0065]
1、准四维电离层延迟模型构建部分
[0066]
利用基准站观测数据，构建电离层延迟改正模型供用户使用，具体包括以下步骤：
[0067]
步骤a1，利用地面基准站观测数据及其参考坐标，结合分析中心给出的精密轨道钟差等产品，静态解算各个历元不同基准站相对于不同卫星的斜路径电离层延迟。
[0068]
步骤a2，利用预设的经纬度、高度角及方位角划分子网个数，依据不同维度子网内电离层延迟std和最小来进一步确定不同维度子网划分区间。包括步骤：
[0069]
(1)利用事先给定的经纬度、高度角及方位角划分子网个数，对不同维度参数进行等间隔划分(若不为整数则取整)；
[0070]
(2)求取不同子网内斜路径电离层延迟std值，并求和；
[0071]
(3)移动子网划分区间，重新获取不同子网内斜路径电离层延迟std和；
[0072]
(4)重复步骤(3)，获得所有可能子网划分情况下std和；
[0073]
(5)选取其中std和最小的子网划分区间作为最优四维电离层子网划分区间。
[0074]
步骤a3，将步骤a1中解算所得斜路径电离层延迟依据步骤a2所得子网区间划分到不同维度的子网中。
[0075]
步骤a4，根据步骤a3中划分所得不同维度区间内的斜路径电离层延迟，采用线性内插法或球谐函数法计算步骤a2中划分所得各经纬度格网点上电离层延迟，以此作为准四维电离层延迟改正模型中的背景场产品。
[0076]
步骤a5，根据步骤a3中划分所得不同维度区间内的斜路径电离层延迟，扣除步骤a4生成电离层延迟背景场上各经纬度电离层延迟，在剔除粗差后计算其电离层延迟残差改正数及std，同时给出对应的子网索引号，以此作为准四维电离层延迟改正模型中的残差改正产品，包括步骤：
[0077]
(1)利用斜路径电离层延迟在扣除离层延迟背景场上各经纬度电离层延迟后，获得各斜路径电离层延迟上的残差；
[0078]
(2)剔除同一子网内的斜路径电离层延迟残差中粗差；
[0079]
(3)计算该子网中剔除粗差后的残差改正均值及其std；
[0080]
(4)计算对应子网的索引号；
[0081]
(5)采用稀疏矩阵的存储方式，给出各个四维子网残差改正索引号、改正值及其std作为准四维电离层延迟改正模型中的残差改正。
[0082]
步骤a6，将步骤a4中生成的电离层延迟背景场以及步骤a5中生成的电离层延迟残差改正配合使用即为准四维电离层延迟改正模型，可以进一步表述为：
[0083][0084]
其中为电离层背景延迟，与电离层延迟穿刺点ipp经纬度b
ipp
,l
ipp
有关；为电离层残差延迟，与电离层延迟穿刺点ipp经纬度b
ipp
,l
ipp
、高度角e
ipp
、方位角a
ipp
有关。
[0085]
2、准四维电离层延迟改正部分
[0086]
用户在进行定位解算时，获取电离层延迟产品进行高精度电离层延迟改正，具体包括以下步骤：
[0087]
步骤b1，输入电离层延迟改正产品，具体分为电离层延迟背景场产品以及电离层延迟残差改正产品。
[0088]
步骤b2，读取电离层延迟背景场产品用于改正电离层低频项延迟，通过线性内插的方式将相近经纬度格网点上的电离层延迟内插到用户对应经纬度的穿刺点上，以此获得用户背景场电离层延迟改正包括步骤：
[0089]
(1)获取用户在某个观测传播路径中电离层穿刺点经纬度；
[0090]
(2)依据电离层延迟背景场产品子网划分区间确定与该穿刺点相近的四个格网点；
[0091]
(3)采用线性内插的方式计算该穿刺点电离层延迟，从而获取用户背景场电离层延迟改正。
[0092]
步骤b3，读取电离层延迟残差改正产品用于改正电离层高频项延迟，通过线性内插的方式将相近经纬度、高度角方位角上的电离层延迟残差改正内插到用户对应经纬度、高度角方位角的穿刺点上，以而获得用户电离层延迟残差改正包括步骤：
[0093]
(1)获取用户在某个观测中传播路径电离层穿刺点经纬度、高度角及方位角；
[0094]
(2)依据电离层延迟残差改正产品中的划分区间确定与该穿刺点相近的格网点；
[0095]
(3)获取与之相近格网点的索引号用于确定该区间内残差改正值及其std；
[0096]
(4)采用线性内插的方式对该穿刺点上电离层延迟高频项进行改正，获取用户电离层延迟残差改正。
[0097]
步骤b4，结合步骤b2中的背景场电离层延迟改正以及步骤b3中的电离层延迟残差改正，所得用户电离层延迟改正可以表述为式(1)。
[0098]
为便于实施参考起见，提供实施例应用时的准四维电离层延迟划分方法以及用户使用电离层延迟产品具体说明。
[0099]
本发明中，电离层延迟被分解为背景延迟和残差延迟两部分：
[0100][0101]
其中为电离层背景延迟，与电离层延迟穿刺点ipp经纬度b
ipp
,l
ipp
有关；为电离层残差延迟，与电离层延迟穿刺点ipp经纬度b
ipp
,l
ipp
、高度角e
ipp
、方位角a
ipp
有关。
[0102]
在通过步骤a1解算不同基准站相对于卫星的斜路径电离层延迟后，通过事先给定的经度、纬度、高度角、方位角四个维度不均匀划分子网个数，以所有子网内电离层延迟std平方和最小为准则，将四个维度参数进行划分得到如下表：
[0103]
表1电离层延迟纬度、经度、高度角、方位角四维度不均匀划分
[0104][0105]
则格网点总数为：
[0106]gn
＝m
·n·o·
p
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0107]
其中，m为纬度划分格网点个数；n为经度划分格网点个数；o为高度角划分格网点个数；p为方位角划分格网点个数。
[0108]
对于全局索引号为gi的格网点，其纬度、经度、高度角、方位角分别为：
[0109][0110]
其中i1、i2、i3、i4分别为格网点gi分别在纬度、经度、高度角、方位角四个维度上的格网点序号；为向下取整。当纬度、经度、高度角、方位角四个维度格网点序号(i1、i2、i3、i4)已知时，即可获得该格网点全局索引号：
[0111]gi
＝i1
·n·o·
p+i2
·o·
p+i3
·
p+i4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0112]
电离层背景延迟是电离层时空变化的低频部分，反映电离层随经纬度变化的总体趋势。通过电离层延迟背景场产品对电离层延迟低频项进行改正，其改正方式与gim改正方式类似。
[0113]
表2经纬度格网电离层背景延迟
[0114][0115][0116]
设用户穿刺点ipp与周围四个格网点的空间关系如附图2所示，记格网点坐标以及背景电离层延迟vtec分别为以及e
0,0
、e
0,1
、e
1,0
、e
1,1
。设穿刺点经纬度(b
ipp
,l
ipp
)可表示为其中0≤p,q《1，其中p表示穿刺点在及两个格网点间距的比例因子；q表示穿刺点在及两个格网点间距的比例因子。则式(2)中电离层背景延迟可由下式计算：
[0117][0118]
电离层残差延迟是电离层时空变化的高频部分，在电离层背景延迟基础上，进一步做残差改正。可以采用稀疏存储方式对电离层延迟残差产品中的的纬度、经度、高度角、方位角四维不规则格网点全局索引号及其格网点电离层残差延迟进行存储。
[0119]
表3电离层残差延迟
[0120][0121]
由用户穿刺点ipp的纬度、经度、高度角、方位角(b
ipp
,l
ipp
,e
ipp
,a
ipp
)，结合表3，可检索该穿刺点周边格网点纬度经度高度角方位角以及其对应序号(i1,i1+1)、(i2,i2+1)、(i3,i3+1)、(ia,i4+1)。进而可采用式(7)获取该四维空间中16个格网点的全局索引号u1ꢀ…ꢀu16
：
[0122][0123]
其中ui(i＝1、2
…
16)表示与穿刺点经度、纬度、高度角、方位角相近的子网索引号。
[0124]
结合16个格网点的全局索引号u，通过表3获得其对应电离层残差延迟：
[0125]
diu(u∈(u1ꢀ…ꢀu16
))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0126]
设穿刺点在纬度、经度、高度角、方位角四维空间中的向量(b
ipp
,l
ipp
,e
ipp
,a
ipp
)可表示为：
[0127][0128]
其中，p表示穿刺点在及两个纬度格网点间距的比例因子；q表示穿刺点在及两个经度格网点间距的比例因子；r表示穿刺点在及两个高度角格网点间距的比例因子；s表示穿刺点在及两个方位角格网点间距的比例因子。
[0129]
则类似(6)式，可采用线性内插获得用户穿刺点ipp处的电离层残差延迟：
[0130][0131][0132]
其中dii(i＝1、2
…
16)分别表示ui子网索引号内电离层延迟残差改正项。
[0133]
具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。
[0134]
在一些可能的实施例中，提供一种基于准四维模型的电离层延迟改正系统，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种基于准四维模型的电离层延迟改正方法。
[0135]
在一些可能的实施例中，提供一种基于准四维模型的电离层延迟改正系统，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种基于准四维模型的电离层延迟改正方法。
[0136]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。