一种单站与多站GNSS硬件延迟估算方法

一种单站与多站gnss硬件延迟估算方法
技术领域
1.本发明涉及gnss硬件延迟计算技术领域，特别是涉及一种单站与多站gnss硬件延迟估算方法。


背景技术：

2.电离层总电子含量(total electron content,tec)不仅是描述电离层状态、变化和结构的最重要的参量之一，也是卫星导航精密定位修正所需要的重要参数之一。利用gnss测量电离层tec的最大误差来源于gnss系统卫星和接收机的硬件延迟，因此，准确计算出gnss系统中卫星和接收机的硬件延迟是利用gnss-tec开展空间科学研究与导航定位修正的基础。
3.已有文献针对gnss卫星和接收机硬件延迟问题的解算方法主要有以下几类：(1)对比解算：利用标定好的gnss接收机对即将出厂的gnss接收机硬件延迟进行对比解算；(2)电离层tec模型解算：将电离层垂直tec用某种电离层模型来描述，同时将gnss卫星和接收机硬件延迟假定为一个常数，并结合gnss观测数据，求解电离层垂直tec和gnss卫星与接收机硬件延迟之和；(3)密集gnss台站解算：利用密集的gnss地面台站观测，将台网周围的卫星观测点按经纬度划分成二维网格，假设网格内的垂直tec相等，通过观测方程求解各经纬度网格内的垂直tec和gnss系统的硬件延迟。以上几种方法都存在一定的局限性，第一种方法存在着观测一段时间后，gnss卫星和接收机受观测环境的影响，gnss系统硬件延迟与出厂标定的值会出现比较大的偏差；第二种方法依赖于电离层tec模型的精度，当电离层tec模型不能准确地描述电离层tec的形态与变化时，解算的gnss卫星和接收机硬件延迟将会存在较大的误差；第三种方法存在着需要密集台站的观测，计算量较大，求解速度慢的问题。
4.针对以上三种方法的局限性，提出了一种单站与多站gnss硬件延迟估算方法，该方法根据观测台站的密集程度，灵活地给出了单站和多站的gnss硬件延迟估算方案，使得gnss硬件延迟解算不受观测台站密集程度的影响；同时，针对以往多站解算中计算量较大，求解速度慢的问题，在保证解算精度的前提下通过调整参与解算观测数据的时间间隔，减少计算量，进而提高gnss硬件延迟的解算速度。该方法在保证gnss硬件延解算精度的前提下，扩展了gnss硬件延解算的适用范围，提高了gnss硬件延迟解算效率，为电离层tec的快速与大范围解算提供重要的技术保障，同时为后续空间天气监测、电离层科学研究和卫星导航定位修正提供可靠的数据支撑。


技术实现要素：

5.针对上述已有gnss系统硬件延迟求解方法中存在的不足，本发明提出了一种单站与多站gnss硬件延迟估算方法。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种单站与多站gnss硬件延迟估算方法，包括：
8.基于gnss多系统观测数据，以相同时间间隔提取原始观测数据，并基于所述原始观测数据计算台站上空卫星穿透点处的地理经纬度和仰角；
9.确定局部三维网格的初始设置，基于所述台站的地理经纬度计算对应局部经纬度网格中所有台站的数量，判断所述对应局部经纬度网格中台站数量是否满足多站gnss硬件延迟解算参量的设置要求，得到判断结果，基于所述判断结果计算网格点的垂直tec；
10.基于所述网格点的垂直tec拟合出每颗卫星最小斜tec对应时空处的垂直tec，并结合所述最小斜tec、最小斜tec对应时空处穿透点的仰角，计算出每颗卫星观测的真实垂直tec以及每颗卫星与接收机的硬件延迟之和。
11.优选地，所述原始观测数据包括gnss的斜tec、时间、卫星号、仰角、方位角和台站经纬度。
12.优选地，计算所述台站上空卫星穿透点处的地理经纬度和仰角的方法为：
[0013][0014][0015][0016]
其中，为地理纬度，为地理经度，为仰角，lat0，lon0为观测台站的地理纬度和经度，为地面台站在t时刻相对于第i颗gnss卫星的仰角和方位角，re为地球半径，hm为电离层薄层模型的高度。
[0017]
优选地，所述局部三维网格的初始设置包括：时间网格的初始设置、经度网格的初始设置、纬度网格的初始设置、局部经纬度网格中多站方法平均站台数量的初始设置；所述局部经纬网格指根据台站的经纬度确定的包含所有台站经纬度的最小经纬度网格。
[0018]
优选地，判断所述对应局部经纬度网格中台站数量是否满足多站gnss硬件延迟解算参量的设置要求的方法为：
[0019][0020]
其中，mulstnflag表示网格点中所有台站数量是否满足局部经纬度网格中多站方法平均台站数量要求的参量，若满足，mulstnflag为1，否则mulstnflag为0，表示第i个经度和第j个纬度网格点所有台站数量，mulstnnum为局部经纬度网格中多站方法平均台站数量。
[0021]
优选地，基于所述判断结果计算网格点的垂直tec包括：
[0022]
若满足所述多站gnss硬件延迟解算参量的设置要求，则采用局部三维网格电离层总电子含量相等的多站gnss硬件延迟估算方法解算网格点的垂直tec；
[0023]
若不满足所述多站gnss硬件延迟解算参量的设置要求，则先通过调整局部三维网格中纬度间隔设置，然后采用所述局部三维网格电离层总电子含量相等的单站gnss硬件延
迟估算方法解算网格点的垂直tec。
[0024]
优选地，所述局部三维网格电离层总电子含量相等的多站gnss硬件延迟估算方法如下式：
[0025][0026]
其中，为tk时刻第r个接收机与第s颗卫星观测的斜tec，为tk时刻第r个接收机与第s颗卫星穿透点处仰角的正弦值，为待求的tk时刻第i个经度与第j个纬度网格点上的垂直tec，bs和br分别为待求的第s颗卫星和第r个接收机的硬件延迟。
[0027]
优选地，计算所述每颗卫星观测的真实垂直tec的方法为：
[0028][0029]
其中，为t时刻第s颗卫星与第r个接收机消除gnss系统硬件延迟后的垂直tec，为t时刻第s颗卫星与第r台接收机观测的斜tec，为t时刻第r台接收机与第s颗卫星在穿透点处的仰角，为第s颗卫星与第r台接收机硬件延迟之和。
[0030]
优选地，计算所述每颗卫星与接收机的硬件延迟之和的方法如下式：
[0031][0032]
其中，为第s颗卫星与第r台接收机硬件延迟之和，为第s颗卫星与第r台接收机观测的最小斜tec，fitvtec
mint
为在最小斜tec时刻单站或多站求解的网格点tec拟合台站上空的垂直tec，为在最小斜tec时刻第r台接收机与第s颗卫星在穿透点处的仰角。
[0033]
本发明的有益效果为：
[0034]
本发明基于局部三维网格电离层总电子含量相等的单站与多站gnss硬件延迟估算方法可以大范围地、快速与准确地计算gnss硬件延迟，对进一步获取高精度电离层垂直tec，提高电离层空间天气监测水平具有重要的应用价值。
附图说明
[0035]
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1为本发明实施例中计算的单站所有卫星穿透点处地理经纬度分布示意图；
[0037]
图2为本发明实施例中基于单站数据计算的经度120
°
网格点垂直tec一天内的分布示意图；
[0038]
图3为本发明实施例中基于多站数据计算的经度105
°
网格点垂直tec一天内的分布示意图；
[0039]
图4是本发明实施例中基于单站数据计算的一个站所有卫星与接收机硬件延迟之和在一天内的分布示意图；
[0040]
图5是本发明实施例中基于单站数据计算的一个站所有卫星观测的垂直tec在一天内的分布示意图；
[0041]
图6是本发明实施例中基于多站数据计算的一个站所有卫星与接收机硬件延迟之和在一天内的分布示意图；
[0042]
图7是本发明实施例中基于多站数据计算的一个站所有卫星观测的垂直tec在一天内的分布示意图；
[0043]
图8是本发明实施例中一种单站与多站gnss硬件延迟估算方法流程图。
具体实施方式
[0044]
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。
[0045]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0046]
在本实施例中，以某国稀疏和密集gnss观测站实测数据为例，利用gnss系统接收机采集的卫星号、台站处的仰角与方位角、gnss斜tec、时间和台站经纬度数据，执行以下步骤，如图8所示：
[0047]
步骤1：以某站gps 1号卫星在第1观测时刻的观测信息为例，基于台站坐标(地理经度lon0：115.89
°
，地理纬度lat0：39.61
°
)，台站处卫星的仰角和方位角分别为和电离层薄层模型的高度hm＝400km，地球半球re＝6378.14km，计算得到台站上空第i颗卫星在穿透点处的地理纬度经度和仰角其计算公式为：
[0048]
(1)地球角
[0049][0050]
(2)穿透点处地理纬度
[0051][0052]
(3)穿透点处地理经度
[0053]
[0054]
(4)穿透点处仰角
[0055][0056]
图1显示了本发明提供的一种基于局部三维网格电离层总电子含量相等的单站与多站gnss硬件延迟估算方法计算的单站所有卫星穿透点处地理经纬度分布。
[0057]
步骤2：局部三维网格中时间网格的初始设置uti＝[0:1/12:24]、经度网格的初始设置gridloni＝[75:15:120]、纬度网格的初始设置gridlati＝[-20:2.5:60]，局部经纬度网格中多站方法平均台站数量的初始设置mulstnnum＝2。
[0058]
步骤3：mulstnflag取值为0或1。
[0059]
步骤4：当步骤3中mulstnflag取值为0时，以某站为例，局部三维网格中的时间网格为uti＝[0:1/12:24]、经度网格为gridloni＝[120]、纬度网格设置gridlati＝[31:0.5:47]，以gps 1号卫星的前5次观测为例，局部三维网格电离层总电子含量相等的单站gnss硬件延迟估算方法的观测方程如下：
[0060][0061][0062][0063][0064][0065]
一天一共观测到了31颗卫星，所有可用的卫星组合一共2052个，联立所有的观测方程，使用最小二乘法直接求解，求解结果是各个网格点垂直tec和各颗gnss卫星与接收机硬件延迟之和的最优估计。
[0066]
根据本发明提供的方法结合单站数据计算的经度120
°
网格点垂直tec一天内的分布，如图2所示。
[0067]
步骤5：当步骤3中mulstnflag取值为1时，局部三维网格中的时间网格为uti＝[0:1/12:24]、经度网格为gridloni＝[70:15:120]、纬度网格设置gridlati＝[12:2.5:47]，以经度105
°
的前5次观测为例，局部三维网格电离层总电子含量相等的多站gnss硬件延迟估算方法的观测方程如下：
[0068][0069]
[0070][0071][0072][0073]
一天一共观测到了31颗卫星，所有可用的卫星组合一共250356个，联立所有的观测方程，使用最小二乘法直接求解，求解结果是各个网格点垂直tec和各颗gnss卫星与接收机硬件延迟之和的最优估计。
[0074]
根据本发明提供的方法结合多站数据计算的经度105
°
网格点垂直tec一天内的分布，如图3所示。
[0075]
步骤6：计算第s颗卫星与第r个接收机的硬件延迟之和以及第s颗卫星与第r个接收机观测的垂直tec的公式如下：
[0076]
(1)基于某单站数据，以gps 1号卫星为例，计算gps 1号卫星和接收机硬件延迟之和，以及gps 1号卫星第1个时刻观测的垂直tec，
[0077][0078]
5.31＝(78.10-66.80)
×
0.47
[0079]
图4显示本发明提供的方法基于单站数据计算的一个站所有卫星与接收机硬件延迟之和在一天内的分布。
[0080]
图5显示本发明提供的方法基于单站数据计算的一个站所有卫星观测的垂直tec在一天内的分布。
[0081]
(2)基于105
°
经度多站数据，以某站gps 1号卫星为例，计算gps 1号卫星和该站接收机硬件延迟之和，以及gps 1号卫星第1个时刻观测的垂直tec，
[0082][0083]
5.27＝(72.87-61.65)
×
0.47
[0084]
图6显示本发明提供的方法基于多站数据计算的一个站所有卫星与接收机硬件延迟之和在一天内的分布。
[0085]
图7显示本发明提供的方法基于多站数据计算的一个站所有卫星观测的垂直tec在一天内的分布。
[0086]
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。