一种基于GNSS载波相位观测值的电离层监测与建模方法

摘要

本发明提供了一种基于GNSS载波相位观测值的电离层监测与建模方法，基于非差非组合的PPP模型，通过增加电离层先验信息约束、空间域和时间域的约束，将电离层延迟误差当作未知参数进行实时估计，为电离层的动态监测和科学研究提供了一种新的手段；同时以高精度载波相位为观测量，提高了GNSS伪距观测进行电离层监测与建模的精度；此外，通过建立实时高分辨率的电离层模型，提高了电离层产品的时效性和单频用户导航定位服务质量。本发明具有算法先进、精度高、稳定性好，实时性强、易操作等特点，并兼具BDS、GPS、GLONASS等多模卫星导航系统的整体封装，实现简单。

主权项

一种基于GNSS载波相位观测值的电离层监测与建模方法，其特征在于包括下述步骤：第一步，进行电离层约束，形成电离层约束的虚拟观测方程；基于先验的电离层模型，计算得到先验信息约束值ion_prior(t)＝f(t)*VTEC(t)+ε_prior；其中，ion为斜路径电离层延迟误差，角标prior代表先验信息约束，t表示当前历元，f为总电子含量与电离层延迟等效距离间的投影系数，VTEC为天顶方向总电子含量，ε_prior为先验模型误差，为电离层先验模型噪声方差；基于先验模型计算各颗卫星值，进行平面建模，得到空间约束的模型系数，进而计算得到空间域约束值ion_temp(t)＝f(t)*[VTEC(t‑1)+ΔVTEC(t)]+ε_temp；其中，角标temp代表时间约束，t‑1表示上一历元，ΔVTEC为电离层总电子含量的历元变化，ε_temp为电离层延迟历元变化量的误差，为历元变化量的噪声方差；同时，基于电离层的历元变化信息，计算得到时间域约束值其中，角标space代表空间约束的含义，λ为电离层穿刺点的经纬度，J₀、J₁、C₁₁和S₁₁为模型系数；当前历元，当卫星个数大于4颗时，模型系数可以联合先验信息约束值和时间域约束值进行最小二乘求解得到；当卫星个数不足4颗时，采用上一历元模型系数代替；ε_space为空间约束值的误差，为空间约束值的噪声方差；第二步，建立非差非组合PPP模型，并进行参数估计，实时获取电离层总电子含量TEC；所述的非差非组合PPP模型如下：$\begin{array}{cc}{P}_F^i\left(t\right)={\rho }^i+[trop+{\mathrm{ion}}_F^i-{\mathrm{DCB}}_F-{\mathrm{c\delta t}}_r]+[{\mathrm{c\delta t}}^i+{\mathrm{DCB}}_F^i+M_P^i]+{ϵ}_{P,F}^i& {ϵ}_{P,F}^i~N(0,{\delta }_{P,F}^2)\end{array}$$\begin{array}{cc}{\Phi }_F^i\left(t\right)={\rho }^i+[trop-{\mathrm{ion}}_F^i-{\mathrm{c\delta t}}_r+{\lambda }_F{\mathrm{Amb}}_F]+[{\mathrm{c\delta t}}^i+M_{\Phi }^i]+{ϵ}_{\Phi ,F}^i& {ϵ}_{\Phi ,F}^i~N(0,{\delta }_{\Phi ,F}^2)\end{array}$$\begin{array}{cc}{\mathrm{ion}}_{prior}^i\left(t\right)={\mathrm{ion}}_F^i+{ϵ}_{prior}& {ϵ}_{prior}~N\left(0,{\delta }_{prior}^2\right)\end{array}$$\begin{array}{cc}{\mathrm{ion}}_{temp}^i\left(t\right)={\mathrm{ion}}_F^i+{ϵ}_{temp}& {ϵ}_{temp}~N(0,{\delta }_{temp}^2)\end{array}$$\begin{array}{cc}{\mathrm{ion}}_{space}^i\left(t\right)={\mathrm{ion}}_F^i+{ϵ}_{space}& {ϵ}_{space}~N(0,{\delta }_{space}^2)\end{array}$其中，P，Φ分别为伪距和载波观测值，上角标i表示卫星，下角标r表示接收机，下角标F表示频率，ρ表示卫星和测站间的真实几何距离，λ和Amb分别为波长和相位模糊度，C为光速，trop和ion分别为对流层和电离层延迟误差，M_p和M_φ分别为伪距和载波观测其它误差的综合改正，ε为误差噪声，δ²为其对应的噪声方差；δ_t为卫星钟差，δ_tr为接收机钟差，DCB_F表示接收机DCB延迟，表示卫星的DCB延迟； 采用序贯最小二乘逐历元进行解算，每历元的未知参数为接收机的三维位置、电离层延迟、接收机DCB延迟、对流层残余误差、载波相位模糊度和接收机钟差； 第三步，基于提取的TEC和单层假设模型，建立实时电离层模型，对于小于200km²的区域采用曲面模型，对于大于等于200km²的区域采用球谐函数模型； 所述的曲面模型如下：其中，为穿刺点的经纬度，为区域几何中心的经纬度，E_ij为模型系数，m，n为模型系数阶数，n取值为1～2，m取值为2～4；基于各颗卫星上的VTEC值，采用最小二乘方法求解E_ij值； 所述的球谐函数模型如下：其中，表示点上垂直方向的总电子含量，为正规化勒让德函数，为模型系数；基于各颗卫星上的VTEC值，采用最小二乘方法求解值。