本發(fā)明涉及電離層應(yīng)用研究領(lǐng)域，是一種GNSS、HY-2和COSMIC數(shù)據(jù)融合建立全球電離層格網(wǎng)VTEC模型的方法。

背景技術(shù)：

電離層是日地空間環(huán)境的一個重要組成部分，與人類的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)。GNSS具備無源探測、全球覆蓋、成本低、數(shù)據(jù)量大及在時空上具有很好的連續(xù)性等優(yōu)勢，是大范圍連續(xù)高精度電離層VTEC監(jiān)測的重要技術(shù)手段。1998年，國際IGS組織專門成立電離層工作組，其主要任務(wù)即是利用全球分布的GNSS觀測站的觀測數(shù)據(jù)建立全球電離層模型，并以IONEX數(shù)據(jù)格式面向全球用戶免費發(fā)布。但是，全球范圍內(nèi)GNSS觀測站的分布并不均勻，這就造成全球電離層格網(wǎng)VTEC模型的精度和可靠性存在區(qū)域性差異。在GNSS觀測站分布較少的區(qū)域，模型的精度和可靠性比較差；特別是在南半球和廣闊的海洋區(qū)域，模型的精度和可靠性最差。

海洋衛(wèi)星是專用于觀測海洋中各種現(xiàn)象和過程的一種地球觀測衛(wèi)星。海洋二號A(簡稱“HY-2”)衛(wèi)星是我國第一顆配備高度計的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，2012年完成在軌交付并正式投入使用。HY-2衛(wèi)星是太陽同步軌道衛(wèi)星，同國外Jason-2等在軌海洋衛(wèi)星相比，在緯度高于66°的高緯度和兩極地區(qū)，有更加豐富的觀測數(shù)據(jù)，因而其在全球?qū)Φ赜^測體系中具有更加不可替代的作用。利用HY-2衛(wèi)星高度計電離層改正數(shù)據(jù)能夠反演得到電離層VTEC值，能有效彌補海洋區(qū)域GNSS觀測站缺乏的問題。

COSMIC掩星能同時提供電離層電子密度和VTEC信息，具有全天候、全球覆蓋、高垂直分辨率、準(zhǔn)實時等的特點，能夠彌補海洋、沙漠、極地等特殊區(qū)域電離層觀測資料不足的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對全球范圍內(nèi)GNSS觀測站的分布并不均勻造成的全球電離層格網(wǎng)模型的精度和可靠性區(qū)域性差異問題，融合GNSS、HY-2和COSMIC數(shù)據(jù)建立精度和可靠性分布更加均勻的全球電離層格網(wǎng)VTEC模型。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種GNSS、HY-2和COSMIC數(shù)據(jù)融合建立全球電離層格網(wǎng)VTEC模型的方法，包括以下步驟：

(1)確定建立全球電離層格網(wǎng)VTEC模型的時間；

(2)確定參與建立全球電離層格網(wǎng)VTEC模型的GNSS觀測站；

(3)收集數(shù)據(jù)：收集GNSS觀測站數(shù)據(jù)(包括：觀測文件和星歷文件)、HY-2衛(wèi)星高度計ku波段電離層改正數(shù)據(jù)和COSMIC電子密度數(shù)據(jù)；

(3)利用GNSS觀測數(shù)據(jù)反演電離層VTEC值，用VTEC_G表示；基于15階球諧函數(shù)模型組建方程計算觀測方程系數(shù)，用A_G表示；

(4)利用HY-2衛(wèi)星高度計ku波段電離層改正數(shù)據(jù)反演電離層VTEC值，用VTEC_H表示；基于15階球諧函數(shù)模型組建方程計算觀測方程系數(shù)，用A_H表示；

(5)利用COSMIC電子密度數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，根據(jù)高度進行積分反演電離層VTEC值，用VTEC_C表示；基于15階球諧函數(shù)模型組建方程計算觀測方程系數(shù)，用A_C表示；

(6)確定VTEC_G、VTEC_H和VTEC_C的權(quán)，確權(quán)的方法如下：

假設(shè)VTEC_G、VTEC_H和VTEC_C的數(shù)據(jù)量分別為：N_G、N_H和N_C，表示為：和由于VTEC_G、VTEC_H和VTEC_C中各個觀測值之間是相互獨立的，因此它們的權(quán)矩陣為對角矩陣，設(shè)其均為單位陣，分別為和

假設(shè)L＝[VTEC_G VTEC_H VTEC_C]^T，A＝[A_G A_H A_C]^T，V＝[V_G V_H V_C]^T相應(yīng)的誤差方程是：

V＝AX-L (1)

式(1)中，X表示基于15階球諧函數(shù)的全球電離層VTEC格網(wǎng)模型系數(shù)，V_G表示GPS反演的電離層VTEC值與全球電離層格網(wǎng)VTEC模型的誤差值；V_H表示HY-2衛(wèi)星高度計反演的電離層VTEC值與全球電離層格網(wǎng)VTEC模型的誤差值；V_C表示COSMIC反演的電離層VTEC值與全球電離層格網(wǎng)VTEC模型的誤差值；

由式1可以求出法方程為：

$N\hat{X}=W---\left(2\right)$

式2中，

三類觀測值的赫爾莫特估計公式為：

$S{\widehat{\mathrm{\δ}}}^2=W---\left(3\right)$

式3中，S_ii＝n_i-2tr(N^-1N_i)+tr(N^-1N_i)²，S_ij＝tr(N^-1N_iN^-1N_j)，

式4的解為：

${\widehat{\mathrm{\δ}}}^2=S^{-1}W---\left(4\right)$

如果所求得的和不相等或者相差較大，說明定權(quán)不合理，需要重新定權(quán)。

各觀測值得權(quán)按式5進行調(diào)整，直至滿足和相等或者相差不大為止。

$P_i^{(k+1)}=\frac{c}{{\widehat{\mathrm{\δ}}}_{0i}^2}{P}_i^{\left(k\right)}---\left(5\right)$

式5中，c為任意常數(shù)，k為迭代次數(shù)。反復(fù)進行從式(2)～(5)的過程，直到之間相等或各類單位權(quán)方差之比等于1為止。

確權(quán)的計算步驟如下：

①根據(jù)觀測值，確定VTEC_G、VTEC_H和VTEC_C權(quán)的初值，分別為P_G，P_H和P_C；

②進行第一次平差，求和

③求各類觀測值單位權(quán)方差估計值和

④計算各類觀測值方差的估計值；

⑤根據(jù)定權(quán)公式5再次定權(quán)，再次平差，直到各類單位權(quán)方差的估值相等或者接近相等為止。

(7)在迭代完成以后，最后一次迭代所得到的平差結(jié)果即為融合的球諧函數(shù)模型系數(shù)。

(8)經(jīng)度方向[-180°--+180°]，每5°間隔；緯度方向[-87.5°--+87.5°]，每2.5°間隔；代入球諧函數(shù)模型，即得到融合的全球電離層格網(wǎng)VTEC值。

本發(fā)明的有益效果：

融合GNSS數(shù)據(jù)、HY-2衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)和COSMIC數(shù)據(jù)，建立全球電離層格網(wǎng)VTEC模型，提高了全球電離層格網(wǎng)VTEC模型在南半球和海洋地區(qū)的精度和可靠性。

附圖說明

圖1 GNSS、HY-2和COSMIC數(shù)據(jù)融合建立全球電離層格網(wǎng)VTEC模型流程圖；

圖2參與建立模型的GNSS觀測站分布圖；

圖3 HY2號衛(wèi)星觀測足跡圖；

圖4 COSMIC掩星事件分布圖；

圖5 GNSS、HY2與COSMIC融合的全球電離層格網(wǎng)VTEC模型(單位：TECU)

圖6 GNSS、HY2與COSMIC融合的全球電離層格網(wǎng)VTEC模型差值圖(單位：TECU)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。

本發(fā)明確定建立全球電離層格網(wǎng)VTEC模型的時間為2015年4月11日(2015年第101天)。

圖1為GNSS、HY-2和COSMIC數(shù)據(jù)融合建立全球電離層格網(wǎng)VTEC模型流程圖。

確定參與建立模型的GNSS觀測站數(shù)量為256個，觀測站數(shù)據(jù)采樣間隔為30秒，GNSS觀測站的分布如圖2所示，圖2中三角符號表示GNSS觀測站位置分布。

收集GNSS觀測站數(shù)據(jù)(包括：觀測文件和星歷文件)、HY-2衛(wèi)星高度計ku波段電離層改正數(shù)據(jù)和COSMIC電子密度數(shù)據(jù)。HY-2衛(wèi)星觀測足跡如圖3所示，圖3中紅色符號表示HY-2衛(wèi)星觀測足跡。COSMIC掩星事件分布如圖4所示，圖4中紅色符號表示COSMIC掩星事件發(fā)生位置。

利用GNSS觀測數(shù)據(jù)反演電離層VTEC值，用VTEC_G表示；基于15階球諧函數(shù)模型組建方程計算觀測方程系數(shù)，用A_G表示；

利用HY-2衛(wèi)星高度計ku波段電離層改正數(shù)據(jù)反演電離層VTEC值，用VTEC_H表示；基于15階球諧函數(shù)模型組建方程計算觀測方程系數(shù)，用A_H表示；

利用COSMIC電子密度數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，根據(jù)高度進行積分反演電離層VTEC值，用VTEC_C表示；基于15階球諧函數(shù)模型組建方程計算觀測方程系數(shù)，用A_C表示；

確定VTEC_G、VTEC_H和VTEC_C的權(quán)

在迭代完成以后，最后一次迭代所得到的平差結(jié)果即為融合的球諧函數(shù)模型系數(shù)。

經(jīng)度方向[-180°--+180°]，每5°間隔；緯度方向[-87.5°--+87.5°]，每2.5°間隔；代入球諧函數(shù)模型模型，即得到融合的全球電離層格網(wǎng)VTEC模型，如圖5所示。

圖6GNSS、HY2與COSMIC融合的全球電離層格網(wǎng)VTEC模型差值圖，從圖中可以看出HY2衛(wèi)星與COSMIC電離層VTEC數(shù)據(jù)的加入使全球電離層格網(wǎng)VTEC模型的值發(fā)生了變化，變化較為顯著的地區(qū)主要集中在廣大的海洋地區(qū)，特別是南半球海洋地區(qū)變化更為明顯，變化的幅度為-3～5TECU，陸地區(qū)域的變化較小。

應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。