一種確定區(qū)域電離層延遲的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種確定區(qū)域電離層延遲的方法，首先收集資料；根據(jù)收集到的區(qū)域電離層VTEC數(shù)據(jù)，先建立區(qū)域電離層二階項模型；建立VTEC二階項模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合模型；對于本區(qū)域的其他位置的穿刺點，可以利用本發(fā)明方法的融合模型計算其VTEC值。本發(fā)明獲取的區(qū)域電離層延遲量解算結(jié)果精度高，使得CORS測量成果的應(yīng)用范圍擴(kuò)大。經(jīng)過大量工程實例應(yīng)用結(jié)果分析，本發(fā)明方法較之VTEC二階項模型計算結(jié)果精度提高40％。電離層空間活動規(guī)律擬合程度高，時效性強，使用方便。區(qū)域電離層活動規(guī)律可根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合結(jié)果分析得出，可快速修正區(qū)域內(nèi)任一點電離層延遲，提高無線電波傳輸精度和穩(wěn)定性，可為CORS提供更好的服務(wù)提供技術(shù)支持。
【專利說明】一種確定區(qū)域電離層延遲的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對區(qū)域電離層延遲模型進(jìn)行擬合的新方法，屬于大地測量與空間信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前解決電離層延遲誤差的方法一般有雙頻改正法、差分GPS定位法、半和改正法和電離層模型法。現(xiàn)有的電離層模型大體可分為兩類。
[0003](I)第一類模型
[0004]第一類模型是依據(jù)建立模型以前長時期內(nèi)收集到的觀測資料而建立起來的反映電離層變化規(guī)律的一些經(jīng)驗公式，如Bent模型、IRI (InternationalReference1nosphere)模型、Klobuchar模型等。由于影響電離層的因素很多,許多因素又帶有較大的隨意性，而我們對各因素間的相互關(guān)系、變化規(guī)律及其內(nèi)部機(jī)制等又未完全搞清，從而使電離層延遲中產(chǎn)生了很多不規(guī)則變化，所以利用這些模型得到的電離層延遲的精度一般都不太好。
[0005]Bent模型屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，由美國的RodneyBent和Sigrid Llewellyn于1973年提出。在該模型中，電離層的上部用3個指數(shù)層和一個拋物線層來逼近，下部則用雙拋物線層來近似。用該模型可計算IOOOkm以下的電子密度垂直剖面圖，獲得VTEC(Vertical TotalElectron Content,天頂方向的總電子含量)等參數(shù),從而可求得電離層延遲等數(shù)據(jù)。該模型的輸入?yún)?shù)為日期、時間、測站位置、太陽輻射流量及太陽黑子數(shù)等，其電離層延遲修正精度達(dá)60%左右。
[0006]IRI (Internat ional Reference 1nosphere)模型由國際無線電科學(xué)聯(lián)盟(URSI)和空間研究委員會(COSPAR)提出的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗?zāi)Ｐ停钤绲哪Ｐ桶姹緸镮R1-78，發(fā)布于1978年，之后經(jīng)過多次修正，目前采用的多為IR1-90或IR1-2001。IRI模型是目前最有效且被廣泛認(rèn)可的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，它融匯了多個大氣參數(shù)模型，引入了太陽活動和地磁指數(shù)的月平均參數(shù)，采用預(yù)報的電離層特征參數(shù)描述電離層剖面。
[0007]Klobuchar模型也屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，由美國的J.A.Klobuchar于1987年提出，描述了作為時間函數(shù)的電離層時延的周日特性。該模型把晚間的電離層時延看成是一個常數(shù)，取值為5ns，把白天的時延看成是余弦函數(shù)中正的部分。該模型的不足是電離層延遲改正精度有限，適用的空間范圍限定在中緯度地區(qū)。高緯和低緯赤道地區(qū)，由于電離層變化活動劇烈，該模型不能有效反映電離層的真實狀況。經(jīng)驗表明，Klobuchar模型僅改正電離層影響的50% -60%,理想情況可改正至75%。
[0008]國際大地測量協(xié)會于1993年成立了國際GPS服務(wù)機(jī)構(gòu)(IGS)，1998年5月成立了IGS電離層工作組，1998年底，作為IGS電離層信息綜合處理中心的ESA提供了 IGS電離層的第一個比較和綜合結(jié)果，這標(biāo)志著IGS電離層產(chǎn)品開始形成。IGS的各電離層工作組都提供了自己不同的全球TEC模擬方法。如JPL除利用球諧函數(shù)模擬全球電離層外，還將相近各點間的電離層假定為線性相關(guān)，形成三角型格網(wǎng)電離層模型。ESA利用高斯型指數(shù)函數(shù)方法構(gòu)建全球電離層模型，這種方法的缺點在于未知參數(shù)均以非線性形式存在。EMR將全球電離層區(qū)域劃分成若干單元，并將每個單元的TEC值處理成一個常數(shù)。UPC將全球電離層分成兩層，每層也以同樣的方式劃分成若干單元格。以上兩類單元法的缺點在于格元邊界處的TEC值不連續(xù)。UNB則在每個測站計算一個低階的局部TEC模型，然后通過內(nèi)插法形成全球電離層模型。
[0009]第一類模型(經(jīng)驗?zāi)Ｐ?存在的主要問題是:①模型精度低；②模型需要測量區(qū)域多個大氣參數(shù)，費時費力。
[0010](2)第二類模型
[0011]第二類模型則是依據(jù)某一時段中在某一區(qū)域內(nèi)實際測定的電離層延遲采用數(shù)學(xué)方法而擬合出來的一個模型。顯然，建立這種模型時并不要求對電離層變化規(guī)律有透徹的了解，一些時間尺度較長的不規(guī)則變化已經(jīng)在模型中得到了反映。
[0012]第二類模型優(yōu)點是:無需測量區(qū)域大氣參數(shù)，使用方便；與經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖啾龋扔休^大提高。缺點是:①需要實測區(qū)域內(nèi)若干個位置的電離層VTEC數(shù)據(jù)；②區(qū)域擬合模型需要選擇與構(gòu)造，構(gòu)造擬合模型不同，精度差別較大。
[0013]由于對電離層變化規(guī)律還沒有透徹的了解，擬合模型一般是人為假定的某個數(shù)學(xué)函數(shù)模型，因此，構(gòu)造的擬合模型大都存在模型誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的是提出一種高精度的大區(qū)域電離層延遲模型擬合方法。本發(fā)明技術(shù)可幫助人們充分認(rèn)識和掌握電離層結(jié)構(gòu)與活動規(guī)律，對削弱電離層對無線電波傳輸?shù)母蓴_、保障空間信號傳播和航天活動的安全具有積極的意義。
[0015]本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種確定區(qū)域電離層延遲的方法，所述確定區(qū)域電離層延遲的方法包括以下步驟:
[0016]步驟1，資料收集:確定區(qū)域經(jīng)度范圍和緯度范圍，收集或測量區(qū)域內(nèi)若干個穿刺點的電離層VTEC數(shù)據(jù)；
[0017]步驟2，根據(jù)收集到的區(qū)域電離層VTEC數(shù)據(jù)，先建立區(qū)域電離層二階項模型；
[0018]步驟3，計算二階項擬合模型殘差值，建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法的偏差值Λ y的計算模型，計算各穿刺點的電離層VTEC，建立VTEC 二階項模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合模型；
[0019]步驟4，對于本區(qū)域的其他位置的穿刺點，可以利用本發(fā)明方法的融合模型計算其VTEC 值。
[0020]進(jìn)一步，資料收集方法為:
[0021]確定區(qū)域經(jīng)度范圍和緯度范圍，收集或測量區(qū)域內(nèi)若干個穿刺點位置的電離層VTEC數(shù)據(jù)，包括，“穿刺點”點號，緯度，經(jīng)度，觀測時刻，電離層VTEC ；
[0022]獲取穿刺點的電離層VTEC數(shù)據(jù)的方法有:雙頻GPS觀測值，或CORS觀測數(shù)據(jù)，從CORS數(shù)據(jù)中提取出其中的電離層相關(guān)數(shù)據(jù)，從而建立江蘇區(qū)域內(nèi)某一時段的電離層延遲改正模型；
[0023]確定區(qū)域經(jīng)度范圍和緯度范圍之后，要在該區(qū)域內(nèi)獲取數(shù)量N個“穿刺點”的VTEC數(shù)據(jù)，且N個“穿刺點”應(yīng)均勻分布于整個區(qū)域，N必須大于等于18。
[0024]進(jìn)一步，建立VTEC 二階項模型的方法為:[0025]根據(jù)收集到的區(qū)域電離層VTEC數(shù)據(jù)，先建立區(qū)域電離層二階項模型。設(shè)電離層VTEC數(shù)據(jù)為y，其二階項模型具體表達(dá)式為:
[0026]
【權(quán)利要求】
1.一種確定區(qū)域電離層延遲的方法，其特征在于，所述確定區(qū)域電離層延遲的方法包括以下步驟: 步驟1，資料收集:確定區(qū)域經(jīng)度范圍和緯度范圍，收集或測量區(qū)域內(nèi)若干個穿刺點的電離層VTEC數(shù)據(jù)； 步驟2，根據(jù)收集到的區(qū)域電離層VTEC數(shù)據(jù)，先建立區(qū)域電離層二階項模型； 步驟3，計算二階項擬合模型殘差值，建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法的偏差值△ J的計算模型，計算各穿刺點的電離層VTEC，建立VTEC 二階項模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合模型； 步驟4，對于本區(qū)域的其他位置的穿刺點，可以利用本發(fā)明方法的融合模型計算其VTEC 值。
2.如權(quán)利要求1所述的確定區(qū)域電離層延遲的方法，其特征在于，資料收集方法為: 確定區(qū)域經(jīng)度范圍和緯度范圍，收集或測量區(qū)域內(nèi)若干個穿刺點位置的電離層VTEC數(shù)據(jù)，包括，“穿刺點”點號，緯度，經(jīng)度，觀測時刻，電離層VTEC ； 獲取穿刺點的電離層VTEC數(shù)據(jù)的方法有:雙頻GPS觀測值，或CORS觀測數(shù)據(jù)，從CORS數(shù)據(jù)中提取出其中的電離層相關(guān)數(shù)據(jù)，從而建立江蘇區(qū)域內(nèi)某一時段的電離層延遲改正模型； 確定區(qū)域經(jīng)度范圍和緯度范圍之后，要在該區(qū)域內(nèi)獲取數(shù)量N個“穿刺點”的VTEC數(shù)據(jù)，且N個“穿刺點”應(yīng)均勻分布于整個區(qū)域，N必須大于等于18。
3.如權(quán)利要求1所述的確定區(qū)域電離層延遲的方法，其特征在于，建立VTEC二階項模型的方法為: 根據(jù)收集到的區(qū)域電離層VTEC數(shù)據(jù)，先建立區(qū)域電離層二階項模型。設(shè)電離層VTEC數(shù)據(jù)為y，其二階項模型具體表達(dá)式為:

4.如權(quán)利要求1所述的確定區(qū)域電離層延遲的方法，其特征在于，建立VTEC二階項模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合模型的方法為: (1)計算二階項擬合模型殘差值 求出9個待定參數(shù)后，將表I中N個已知點的位置信息和時間信息代入公式(I)中，可以計算出各已知點的VTEC 二階項模型擬合值y'，二階項擬合模型殘差值或偏差值A(chǔ)yj可按下式計算:
Δ Yj = Yj-y' j(j = 1，2,..., N ;N 為已知點個數(shù)) (4) 式中，Yj為穿刺點的VTEC已知數(shù)據(jù)?' j為VTEC 二階項模型擬合值； (2)建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法的偏差值A(chǔ)y的計算模型 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬，將已知點的觀測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)，按9XPX I的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)成學(xué)習(xí)樣本，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法進(jìn)行訓(xùn)練，其中: a)BP網(wǎng)絡(luò)的輸入層元素個數(shù)為9,分別為AS、Δ S2> Αφ > Αφ-AS、Δ,φ-AS-、Αφ2、Αφ 2-AS.Αφ2.Α8\ 乂； AS=太陽時角差；Δ爐=緯差;y'為VTEC 二階項模型擬合值； b)BP網(wǎng)絡(luò)的隱含層元素個數(shù)為P，P值計算公式為: P = 16+INT(N/10) (N為已知點的總個數(shù))(5) c)BP網(wǎng)絡(luò)的輸出層元素個數(shù)為1，為:二階項擬合模型偏差值A(chǔ)y; 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)束后，得到了該區(qū)域Ay的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算模型，該區(qū)域內(nèi)任意點的二階項擬合模型偏差值A(chǔ)y均可根據(jù)該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算得到；不妨設(shè)其函數(shù)關(guān)系式為:Ay = /(Α8,Α82,/\φ,ΑφΑ8,ΑφΑ82,Αφ2,Αφ2Α8,Αφ2Α82,gamma')( 6 ) 由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特殊性，公式(6)沒有具體函數(shù)表達(dá)式，但可以保存訓(xùn)練結(jié)束后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；向該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸入該區(qū)域內(nèi)任意穿刺點的(AS2, Νφ, ΑφΑΞ,ΑφΑΞ2, Αφ2 ,Αφ2ΑΞ, Αφ2ΔΞ2,/)，該模型便可計算出該點的二階項擬合模型偏差值A(chǔ) y ； (3)計算各穿刺點的電離層VTEC 計算公式為: y* = y, +Δgamma(7) 式中，I'為二階項模型的計算結(jié)果；Ay為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算結(jié)果；y*為計算結(jié)果。
5.如權(quán)利要求1所述的確定區(qū)域電離層延遲的方法，其特征在于，融合模型的應(yīng)用方法為: 對于本區(qū)域的其他位置的穿刺點，可以利用本發(fā)明方法的融合模型計算其VTEC值；假設(shè)其位置的緯度、經(jīng)度為P、λ，代入公式可以得到二階項模型的VTEC計算結(jié)果y';再利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算殘差值A(chǔ)y;最后，按照公式(7)計算該點的電離層VTEC數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G06F19/00GK103455702SQ201210515934
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月28日
【發(fā)明者】胡伍生, 趙磊, 鄭敦勇 申請人:東南大學(xué)