電離層誤差修正方法
【專利摘要】本申請公開了本發(fā)明提出的電離層誤差修正方法，該方法以國際參考電離層模型為基礎，通過建立各時間段上任意經緯度處電子濃度總含量的IRI模型理論值相對于實測值的修正比例模型，利用該模型，確定出服務區(qū)內預設基準點到導航衛(wèi)星路徑上電子濃度總含量估計值，用戶根據該估計值可以得到相應的電離層誤差修正值。這種直接對用戶與導航衛(wèi)星斜向路徑上的電離層誤差進行修正，得到斜向電離層誤差修正值的方法，可以避免垂向TEC到斜向TEC的轉換過程所帶來的系統(tǒng)誤差、有效提高衛(wèi)星導航信號電離層時延修正的精確度。
【專利說明】電罔層誤差修正方法【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及移動通信技術，特別是涉及一種電離層誤差修正方法。
【背景技術】
[0002]目前，多數(shù)全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)(GNSS)自身會在廣播星歷中預報電離層模型參數(shù)，供各單頻用戶實時開展電離層誤差修正。如GPS系統(tǒng)采用的Klobuchar模型，Galileo系統(tǒng)采用的NeQuick模型,北斗系統(tǒng)采用的類Klobuchar模型。
[0003]Klobuchar模型是由美國科學家J.A.Klobuchar于1987年提出的，GPS衛(wèi)星導航電文中播發(fā)其模型參數(shù)供用戶使用，這一模型對電離層的時空變化與地球、太陽直接的相對運行之間的密切關系有著最簡單、最直接的描述。從大尺度上保證了電離層預報的可靠性，是一種比較實用而有效的方法。該模型的修正精度較低，一般在40 %~60 %左右，近年來很多學者對Klobuchar模型進行了改進，使得修正精度得到改善。
[0004]NeQuick模型是由意大利薩拉姆國際理論物理中心的高空物理和電波傳播實驗室與奧地利格拉茨大學的地球物理、氣象和天體物理研究所聯(lián)合研究得到的新電離層模型，該模型已經在歐空局EGNOS項目中使用，并建議Galileo系統(tǒng)的單頻用戶采納來修正電離層延遲。該模型不僅可以計算在任意點的垂直方向電子總含量和斜距方向上得電子總含量，也可以用參數(shù)NmF2(F2層的電子密度)和hmF2 (F2層峰值的高度)來表示給定時間和位置的電子濃度，從而得到電離層的垂直電子剖面圖。
[0005]北斗系統(tǒng)目前采用的是與GPS系統(tǒng)的Klobuchar模型相似的電離層誤差修正模型。由于Klobuchar模型 不需要環(huán)境參數(shù)、計算量小、實時性好，北斗區(qū)域系統(tǒng)衛(wèi)星信號的導航電文中包含有類Klobuchar模型參數(shù)，為接收機提供電離層延遲校正數(shù)據。
[0006]隨著衛(wèi)星導航應用的逐步深入和電離層物理研究的不斷進展，從二十世紀九十年代以來，國內外學者對電離層折射誤差實時修正模型進行了深入研究，取得了一定的進展，如格網電離層模型、電離層球諧函數(shù)模型、各類其他函數(shù)模型、全球電離層同化模型等等。
[0007]縱觀上述已有的用于衛(wèi)星導航的電離層模型，其基礎模型基本上都建立在所謂“電離層薄層模型”的基礎上，主要思路是:將電離層看作是一個距離地面350km高度左右的薄層，將斜向電離層時延以簡單的投影關系(僅依賴于仰角)歸算到垂直方向，對垂向電離層時延進行水平空間和時間三維建模，發(fā)播模型參數(shù)，用戶按照垂向時延到斜向時延的投影關系，反推斜向時延，完成電離層誤差的修正。上述薄層模型在電離層時延從垂向到斜向的折算中，不可避免地引入系統(tǒng)誤差，已經成為限制電離層模型精度的主要因素之一。
[0008]目前尚未提出一種可以避免系統(tǒng)誤差、具有較高精確度的電離層誤差修正方法。

【發(fā)明內容】

[0009]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種電離層誤差修正方法，該方法可以有效提高衛(wèi)星導航信號電離層時延修正的精確度。
[0010]為了達到上述目的，本發(fā)明提出的技術方案為:[0011]—種電離層誤差修正方法,包括:
[0012]a、 將一天劃分為N個時間段，在預設統(tǒng)計周期內的每個所述時間段，對于監(jiān)測站在該時間段內可以搜索到的每顆導航衛(wèi)星，確定該監(jiān)測站至該導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實測值TECots,并利用國際電離層參考IRI模型，計算所述路徑上的電子濃度總含量的IRI模型理論值TECm,計算所述TEQbs與所述TECm的比值TOTS/m ；
[0013]b、對于每個所述時間段，根據該時間段內的每個所述比值TffiS/m以及每個所述比值T?s/m對應的所述監(jiān)測站至衛(wèi)星路徑上的穿刺點的經緯度坐標，以經緯度坐標為自變量，在二維空間中關于監(jiān)測站至每個所述導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實測值與IRI模型理論值的比值進行建模，得到該時間段的任意經緯度處電子濃度總含量的IRI模型理論值相對于實測值的修正比例模型；
[0014]C、對于服務區(qū)內的每個預設基準點，利用每個所述時間段的所述修正比例模型，確定在每個所述時間段該基準點至其可觀測到的每個導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實際估計值；
[0015]d、對于服務區(qū)內的每個用戶，根據在每個所述時間段服務區(qū)內每個指定的基準點至對應的每個導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的所述實際估計值，計算在每個所述時間段該用戶至對應的每個導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實際估計值，將所計算的結果作為該用戶的對應路徑上的斜向電離層誤差修正值。
[0016]綜上所述，本發(fā)明提出的電離層誤差修正方法，以國際參考電離層模型為基礎，建立反映電離層實時特征的修正比例模型，利用該模型，確定出服務區(qū)內預設基準點到導航衛(wèi)星路徑上電子濃度總含量估計值，用戶根據該估計值可以得到相應的電離層誤差修正值。這種直接對用戶與導航衛(wèi)星斜向路徑上的電離層誤差進行修正，得到斜向電離層誤差修正值的方法，可以避免現(xiàn)有方法中由于從垂向到斜向的折算而引入的系統(tǒng)誤差、有效提高衛(wèi)星導航信號電離層時延修正的精確度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明實施例一的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0018]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步地詳細描述。
[0019]國際參考電離層(InternationalReference 1nosphere, IRI)是國際空間研究委員會(COSPAR)和國際無線電科學協(xié)會聯(lián)盟聯(lián)合支持的一個項目，該項目成果一幾種版本的IRI模型以及模型所有可用的數(shù)據源均已公開。IRI模型，是根據全球測高儀網、雷達觀測等長期積累的大量地面和衛(wèi)星觀測的電離層參量擬合出來的經驗模型，能夠提供電離層電子濃度和溫度隨高度和太陽地磁活動的變化，對于給定的位置、時間，IRI模型能夠提供從50公里至2000公里高度范圍內每月平均的電子密度、電子溫度、離子溫度等。
[0020]IRI模型能夠較好地反映全球平靜電離層的平均狀態(tài)，經過長期驗證，IRI模型成熟度高，修正精度為50 %~70 %，且國際上有專門的IRI工作組持續(xù)負責它的更新和完善，是一個被廣泛使用和認可的國際參考電離層模型。[0021]考慮到國際參考電離層模型的成熟性，基于此構建電離層修正方法，將能夠很好地體現(xiàn)電離層的平均狀態(tài)，從而可以確保構建的電離層背景模型具有很好的實用性。
[0022]本發(fā)明的核心思想是:以國際電離層參考模型(IRI)為基礎模型，對于監(jiān)測站至衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的IRI理論值與實測值的比例值，在水平空間上進行建模，得到任意經緯度處電子濃度總含量的IRI模型理論值相對于實測值的修正比例模型，然后由中心站根據該修正比例模型確定出服務區(qū)內預設基準點到導航衛(wèi)星路徑上電子濃度總含量估計值。這樣，用戶即可根據該估計值得到相應的電離層誤差修正值。由于這里直接以斜向TEC進行建模，因此，不需要進行垂向到斜向的折算，從而可以大幅度提高衛(wèi)星導航信號電離層時延修正的精確度。
[0023]圖1為本發(fā)明實施例一的流程示意圖，如圖1所示，該實施例主要包括:
[0024]步驟101、將一天劃分為N個時間段，在預設統(tǒng)計周期內的每個所述時間段，對于監(jiān)測站在該時間段內可以搜索到的每顆導航衛(wèi)星，確定該監(jiān)測站至該導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實測值TECots，并利用國際電離層參考IRI模型，計算所述路徑上的電子濃度總含量的IRI模型理論值TECm,計算所述TEQbs與所述TECm的比值T_KI。 [0025]本步驟中，需要在統(tǒng)計周期內的每個時間段確定該時間段上監(jiān)測站至各導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實測值與理論值的比值，以便在步驟102中進行建模得到能夠反映電離層實時特征的修正比例模型。
[0026]在實際應用中，統(tǒng)計周期的時間越長，則模型的精確度越高，但是由于數(shù)據量的增加，算法的運算量也較增加，具體時長可由本領域技術人員根據實際需要進行設置，可以為
一天、一周、一季度等。
[0027]這里，需要將一天劃分為多個時間段，時間段的具體時長可以為M個小時，M為小于24的自然數(shù)。
[0028]本步驟中，所述TECots與所述TECm的具體計算方法為本領域人員所掌握，在此不再贅述。
[0029]步驟102、對于每個所述時間段，根據該時間段內的每個所述比值Totsaki以及每個所述比值I?s/m對應的所述監(jiān)測站至衛(wèi)星路徑上的穿刺點的經緯度坐標，以經緯度坐標為自變量，在二維空間中關于監(jiān)測站至每個所述導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實測值與IRI模型理論值的比值進行建模，得到該時間段的任意經緯度處電子濃度總含量的IRI模型理論值相對于實測值的修正比例模型。
[0030]本步驟用于利用步驟101得到的所述比值，建立各時間段的修正比例模型。
[0031]本步驟中具體的建模方法為本領域人員所掌握，在此不再贅述。這里需要說明的是當統(tǒng)計周期的時長包括W(W>1)天時，步驟101中對于每個時間段在每個路徑上將會得到W個數(shù)據，此時基于該W個數(shù)據的均值建立所述修正比例模型。
[0032]步驟103、對于服務區(qū)內的每個預設基準點，利用每個所述時間段的所述修正比例模型，確定在每個所述時間段該基準點至其可觀測到的每個導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實際估計值。
[0033]本步驟中，用于確定在每個所述時間段，各基準點到其可觀測到的每個導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實際估計值，以便后續(xù)步驟中，服務區(qū)內的用戶基于此得到在每個所述時間段該用戶至對應的每個導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實際估計值。[0034]較佳地，本步驟可以采用下述方法實現(xiàn):
[0035]對于服務區(qū)內的每個預設基準點，利用每個所述時間段的所述修正比例模型，對于在該基準點可觀測到的每個導航衛(wèi)星，根據該基準點至該導航衛(wèi)星路徑上的穿刺點的經緯度坐標，計算在每個所述時間段該基準點至該導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的修正比例值，并利用IRI模型，計算在每個所述時間段該基準點至該導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的IRI模型理論值，將每個所述時間段的所述修正比例值與對應的所述IRI模型理論值相乘，得到在每個所述時間段該基準點至該導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實際估計值。
[0036]步驟104、對于服務區(qū)內的每個用戶，根據在每個所述時間段服務區(qū)內每個指定的基準點至對應的每個導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的所述實際估計值，計算在每個所述時間段該用戶至對應的每個導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實際估計值，將所計算的結果作為該用戶的對應路徑上的斜向電離層誤差修正值。
[0037]本步驟中，利用基準點至對應的每個導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的所述實際估計值，計算得到的在每個所述時間段用戶至對應的每個導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實際估計值，即為用戶至對應的每個導航衛(wèi)星路徑上的斜向電離層誤差修正值。具體的計算方法為本領域技術人員所掌握，在此不再贅述。
[0038]在實際應用中，對于每個用戶，指定服務區(qū)內的哪些基準點，利用其電子濃度總含量的所述實際估計值，來計算斜向電離層誤差修正值，可由本領域技術人員根據實際情況選擇一個或多個，在此不再贅述。
[0039]上述方法中，以國際參考電離層模型為基礎，采用實時數(shù)據驅動，構建反映電離層實時特征的修正比例模型，在此基礎上，直接對用戶與導航衛(wèi)星斜向路徑上的電離層誤差進行修正。相比已有的基于“薄層模型”的既有方法，本發(fā)明巧妙地回避了垂向TEC到斜向TEC的轉換過程所帶來的誤差，可以大幅度提高電離層誤差修正的精確度；相比NeQuick模型和雙/多薄層模型，本發(fā)明基于相對成熟的國際參考電離層模型，具有更強的實用性。
[0040]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種電離層誤差修正方法,其特征在于,包括: a、將一天劃分為N個時間段，在預設統(tǒng)計周期內的每個所述時間段，對于監(jiān)測站在該時間段內可以搜索到的每顆導航衛(wèi)星，確定該監(jiān)測站至該導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實測值TECots，并利用國際電離層參考IRI模型，計算所述路徑上的電子濃度總含量的IRI模型理論值TECm,計算所述TECots與所述TECm的比值Tcbsaki ； b、對于每個所述時間段，根據該時間段內的每個所述比值Totsaki以及每個所述比值Tobs7iei對應的所述監(jiān)測站至衛(wèi)星路徑上的穿刺點的經緯度坐標，以經緯度坐標為自變量，在二維空間中關于電子濃度總含量的實測值與IRI模型理論值的比值進行建模，得到該時間段的任意經緯度處電子濃度總含量的IRI模型理論值相對于實測值的修正比例模型； C、對于服務區(qū)內的每個預設基準點，利用每個所述時間段的所述修正比例模型，確定在每個所述時間段該基準點至其可觀測到的每個導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實際估計值； d、對于服務區(qū)內的每個用戶，根據在每個所述時間段服務區(qū)內每個指定的基準點至對應的每個導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的所述實際估計值，計算在每個所述時間段該用戶至對應的每個導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實際估計值，將所計算的結果作為該用戶的對應路徑上的斜向電離層誤差修正值。
2.根據權利要求1所述的修正方法，其特征在于，所述步驟c包括: 對于服務區(qū)內的每個預設基準點，利用每個所述時間段的所述修正比例模型，對于在該基準點可觀測到的每個導航衛(wèi)星，根據該基準點至該導航衛(wèi)星路徑上的穿刺點的經緯度坐標，計算在每個所述時間段該基準點至該導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的修正比例值，并利用IRI模型，計算在每個所述時間段該基準點至該導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的IRI模型理論值，將每個所述時間段的所述修正比例值與對應的所述IRI模型理論值相乘，得到在每個所述時間段該基準點至該導航衛(wèi)星路徑上的電子濃度總含量的實際估計值。
3.根據權利要求1所述的修正方法，其特征在于，所述時間段的時長為M個小時，M為小于24的自然數(shù)。
【文檔編號】G01S19/07GK103969660SQ201410207014
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月16日 優(yōu)先權日:2014年5月16日
【發(fā)明者】袁洪, 張曉坤, 歐陽光洲, 曲江華, 李子申 申請人:中國科學院光電研究院