一种区域电离层电子密度计算方法、装置及计算机设备与流程

本发明涉及gnss大气监测，尤其涉及一种区域电离层电子密度计算方法、装置及计算机设备。

背景技术：

1、gnss卫星信号经过电离层时，其传播速度和传播路径都会发生变化。传播速度变化的程度主要取决于信号频率以及电离层中的电子密度。其中传播路径的略微弯曲对测距结果造成的影响不大，一般忽略不计；而信号传播时间的延迟会严重影响到定位结果的精度。但也正是因为电离层所具有的色散特性，使得卫星信号的时延与电离层中的电子含量、卫星信号的频率有关，因此，可以通过多频gnss观测资料对电离层延迟进行探测。随着空基和地基gnss的发展，已经积累了充足的多源观测数据，而关于如何处理和融合多源观测数据已经成为当前研究的一大难题。此外，在传统精密单点定位(preci se poi nt pos ition,ppp)定位解算中，受相位小数偏差的影响，模糊度参数为实数解。这限制了ppp收敛速度，使之无法在实时定位服务领域广泛应用。如何消除模糊度参数小数部分的影响，恢复其整数特性也是目前研究的难题。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种区域电离层电子密度计算方法、装置及计算机设备，构建的空基电离层经验模型作为背景场作为初始值保证ppp收敛速度，通过层析算法实现联合空/地基gnss探测电离层电子密度。

2、为实现上述目的，本技术实施例的第一方面提供了一种区域电离层电子密度计算方法，包括：

3、对待层析区域进行网格划分，得到各格网点位置；

4、根据各地面测站gnss观测数据和各端运行数据，采用非差非组合ppp分别计算层析时刻下各地面测站与gnss卫星之间的绝对stec值，并获取各个测站的坐标信息和gnss卫星的坐标信息；

5、根据全部绝对stec值、全部测站的坐标信息和所述gnss卫星的坐标信息，计算信号射线穿过所述待层析区域内每个格网的截距长度，建立层析观测方程；

6、根据所述各格网点位置，利用空基掩星电离层电子密度经验模型生成在所述层析时刻下各格网点电子密度先验初始值；

7、根据所述层析观测方程对格网点电子密度先验初始值进行迭代修正，得到区域电离层电子密度分布。

8、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述对待层析区域进行网格划分，具体包括：

9、对所述待层析区域在纬度、经度和高度三个维度进行格网划分，为各格网点赋予编号。

10、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述根据各地面测站gnss观测数据和各端运行数据，采用非差非组合ppp分别计算层析时刻下各地面测站与gnss卫星之间的绝对stec值，具体包括：

11、根据各地面测站gnss观测数据和各端运行数据，得到非差非组合ppp的观测方程和mw组合观测值；

12、对所述mw组合观测值进行多历元平滑处理，得到宽巷模糊度并进行fcb改正，构造星间单差宽巷模糊度；

13、对所述星间单差宽巷模糊度进行取整固定，得到固定星间单差宽巷模糊度；

14、用所述固定星间单差宽巷模糊度和i f浮点模糊度获取星间单差窄巷模糊度，并进行窄巷fcb改正；

15、用lambda算法对所述星间单差窄巷模糊度进行处理，得到固定星间单差窄巷模糊度；

16、对所述固定星间单差宽巷模糊度和所述固定星间单差窄巷模糊度进行线性组合，得到无电离层组合模糊度；

17、结合所述无电离层组合模糊度和非差非组合ppp的观测方程，得到相应的电离层tec观测值。

18、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述对所述星间单差宽巷模糊度进行取整固定，得到固定星间单差宽巷模糊度之后，还包括：

19、用概率判断函数检验对所述固定星间单差宽巷模糊度的正确性，将正确的固定星间单差宽巷模糊度储存。

20、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述用lambda算法对所述星间单差窄巷模糊度进行处理，得到固定星间单差窄巷模糊度之后，具体包括：

21、用rat io值检验所述固定星间单差窄巷模糊度的正确性，将正确的固定星间单差窄巷模糊度储存。

22、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述根据全部绝对stec值、全部测站的坐标信息和所述gnss卫星的坐标信息，计算信号射线穿过所述待层析区域内每个格网的截距长度，建立层析观测方程，具体包括：

23、分别求出信号射线穿过高度面、经度面和纬度面的多个交点；

24、将多个交点进行升序排序并求出相邻两点之间的距离作为所述信号射线从低到高依次穿过对应格网的截距；

25、按照各格网点编号，格网将所述信号射线穿过对应格网的截距一一赋值给截距矩阵；

26、根据所述距矩阵建立层析观测方程。

27、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述空基掩星电离层电子密度经验模型的建立过程具体为：

28、基于最小二乘从空基测站gnss观测数据中提取关键参数；

29、对时空格网划分，根据所述关键参数重组电离层各关键参数矩阵；

30、对所述电离层各关键参数矩阵进行时空经验正交分解，获取经验正交基函数和时间系数；

31、对各阶模态对应的时间系数进行fourier级数拟合，建立电离层各关键参数经验模型；

32、将电离层各关键参数经验模型值输入到vary-chapman模型中计算，得到第一电子密度；

33、通过指数函数外推的形式计算cosmic系列低轨卫星轨道高度以上部分的电子密度，得到第二电子密度；

34、将所述第一电子密度和所述第二电子密度相加，获得空基掩星电离层电子密度经验模型的电子密度分布。

35、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述根据所述层析观测方程对格网点电子密度先验初始值进行迭代修正，具体包括：

36、根据所述层析观测方程，通过不断的迭代计算直到迭代计算的stec与实测stec之间残差的标准差小于预设阈值。

37、本技术实施例的第二方面提供了一种区域电离层电子密度计算装置，包括：

38、划分模块，用于对待层析区域进行网格划分，得到各格网点位置；

39、计算模块，用于根据各地面测站gnss观测数据和各端运行数据，采用非差非组合ppp分别计算层析时刻下各地面测站与gnss卫星之间的绝对stec值，并获取各个测站的坐标信息和gnss卫星的坐标信息；

40、层析模块，用于根据全部绝对stec值、全部测站的坐标信息和所述gnss卫星的坐标信息，计算信号射线穿过所述待层析区域内每个格网的截距长度，建立层析观测方程；

41、初始模块，用于根据所述各格网点位置，利用空基掩星电离层电子密度经验模型生成在所述层析时刻下各格网点电子密度先验初始值；

42、迭代模块，用于根据所述层析观测方程对格网点电子密度先验初始值进行迭代修正，得到区域电离层电子密度分布。

43、本技术实施例的第二方面提供了一种计算机设备，包括处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述区域电离层电子密度计算方法。

44、相比于现有技术，本发明实施例提供的一种区域电离层电子密度计算方法、装置及计算机设备，为了消除模糊度参数小数部分的影响，恢复其整数特性，同时提高电离层观测值的提取精度，采取了基于igs/mgex提供的卫星姿态四元数和相位偏差产品以获得更优的ppp解算结果的策略和解决卫星偏航姿态的处理难题，并采用了fix-and-hold模式作为ppp中整周模糊度的固定方法，即统一将无电离层组合(ionosphere-free,if)的模糊度分解成宽巷和窄巷模糊度依次进行固定，在非差非组合ppp模型中if组合模糊度由双频的原始模糊度构造得到，在得到固定的if组合模糊度之后，将其作为虚拟观测值并构建虚拟观测方程对卡尔曼滤波状态进行强约束，然后将约束后的模糊度浮点解做为下个历元的模糊度初值，消除模糊度参数小数部分的影响之余作为空基电离层经验模型的初始值大大加快收敛速度：利用cosmic提供的ionprf产品，基于vary-chapman和顶层指数电子密度模型，采用经验正交分解方法和傅里叶级数构建一个顾及经纬度、地方时、年积日和太阳活动指数的区域电离层经验模型。之后将构建的空基电离层经验模型作为背景场，通过层析算法实现联合空/地基gnss探测电离层电子密度。

45、综上所述，本发明实施例利用高精度的相位观测值，并准确估计模糊度值并将模糊度参数固定,以此来提高利用非差非组合精密单点定位技术提取电离层总电子含量观测值的精度。并采用了i gs/mgex提供的卫星姿态四元数和相位偏差产品以获得更优的ppp解算结果以及加快模糊度固定的速度。