全球卫星导航系统广播电离层时延修正方法

摘要

本发明公开了一种全球卫星导航系统广播电离层时延修正方法，涉及全球卫星导航系统广播发布的电离层时延改正技术。该方法包含下列步骤：(1)全球电离层基础数据库建立，(2)全球电离层基础数据库的更新，(3)全球电离层球谐函数的模型的预报，(4)电离层时延修正参数的发播，(5)接收机端电离层时延的修正。本发明的优点在于：充分利用了多年来全球的GNSS观测站数据，并顾及电离层TEC的太阳11年周期，年、半年、季节、月份、日等不同时间和空间的周期变化特征，采用多种方法，既减小了对卫星通讯的要求，又提高了修正效果。

主权项

1.全球卫星导航系统广播电离层时延修正方法，其特征在于该方法包含下列步骤：a、全球电离层基础数据库的建立a.1基于最近11年全球分布的GNSS基准站观测数据用最小二乘法构建全球电离层球谐函数模型，该模型的数学表达式为：(1)式中TEC(φ，λ)为电离层电子总含量函数，φ为电离层交叉点IPP点的纬度，λ为IPP点的经度，n_dmax为球谐函数的最大度数，为n度m阶的归化勒让德函数，MC(n，m)为归化函数，即：$\mathrm{MC}(n,m)=\sqrt{(n-m)!(2n+1)(2-{\delta }_{0m})/(n+m)!}$其中：δ_0m为Kronecker型δ函数，P_nm(sinφ)为经典勒让德函数，和为全球电离层球谐函数系数；设定n＝m＝15，时间分辨率为2小时，即每2小时为一组，每组共有256个全球电离层球谐函数系数，其中128个128个11年共48216组；a.2在步骤a.1中得到的全球电离层球谐函数模型共256个系数，(1)式中的和其中128个128个逐个提取步骤1.1中48216组全球电离层球谐函数模型的256个全球电离层球谐函数系数，形成256个系数序列，将其表示成和序列长度为48216，其中：128个序列，128个序列，时间分辨率为2小时；a.3用傅立叶变换依次分析步骤a.2中128个序列和128个序列，得到各个序列的周期，将各个周期作为主周期项；a.4用步骤a.3中得到的主周期项，结合下面(2)、(3)式构建用于描述全球电离层球谐函数各系数的三角级数函数模型；$\tilde{A}\left(t\right)=A_0+\underset{i=1}{\overset{n_T}{\Sigma }}(C_{\mathrm{ai}}\cos \left({\omega }_{i}t\right)+S_{\mathrm{ai}}\sin \left({\omega }_{i}t\right))---\left(2\right)$$\tilde{B}\left(t\right)=B_0+\underset{i=1}{\overset{n_T}{\Sigma }}(C_{\mathrm{bi}}\cos \left({\omega }_{i}t\right)+S_{\mathrm{bi}}\sin \left({\omega }_{i}t\right))---\left(3\right)$其中：(2)式中为用于描述全球电离层球谐函数系数的三角函数模型，A₀为常数项，ω_i为步骤1.3中得到的第i个主周期项，C_ai、S_ai为第i个主周期项三角函数系数；(3)式中为用于描述全球电离层球谐函数系数的三角函数模型，B₀为常数项，ω_i为步骤1.3中得到的第i个主周期项，C_bi、S_bi为第i个主周期项三角函数系数；a.5用步骤a.2得到的全球电离层球谐函数系数的序列，采用最小二乘法，重新确定步骤a.4中构建的各个系数的三角级数函数的系数A₀、C_ai、S_ai、B₀、C_bi、S_bi；a.6基于步骤a.5中确定的三角函数系数A₀、C_ai、S_ai、B₀、C_bi、S_bi，确定步骤1.4中各个系数的三角函数模型的具体表达式，将上述确定的256个三角函数的各个系数作为全球电离层基础数据库的基础数据，将全球电离层基础数据库分别存储在数据处理中心和GNSS接收机内存中；b、全球电离层基础数据库的更新b.1用前一天观测得到的GNSS数据，构建步骤a.1中的全球电离层球谐函数模型，参数设置与步骤a.1中相同；b.2将步骤b.1中得到的前一天全球电离层球谐函数模型的12组系数分别追加至步骤a.2中全球电离层球谐函数对应系数的序列之后，形成新的序列；b.3用步骤b.2更新后的全球电离层球谐函数系数的序列，利用最小二乘法重新确定步骤a.4中构建的各个系数的三角级数函数模型的系数A₀、C_ai、S_ai、B₀、C_bi、S_bi；b.4将步骤b.3中确定的256个三角函数模型的各个系数作为新的全球电离层基础数据替换原有全球电离层基础数据库中对应的数据，得到新的全球电离层基础数据库，用新的全球电离层基础数据库替换存储在数据处理中心和GNSS接收机内存中的全球电离层基础数据库，实现数据库的更新；c、全球电离层球谐函数模型的预报c.1将存储在步骤b更新后的全球电离层基础数据库中的A₀、C_ai、S_ai、C_bi、S_bi，结合(2)、(3)式更新和表达式，作为全球电离层球谐函数模型各系数的三角函数模型；c.2按照步骤c.1中得到的和表达式，分别计算指定时刻t₀的全球电离层球谐函数系数和c.3将步骤c.2中计算生成该指定时刻的和回代至(1)式中，确定指定时刻t₀的全球电离层球谐函数模型；d、电离层时延修正参数的发播将步骤c中预报的全球电离层球谐函数模型的前9个系数作为电离层时延修正参数进行电文编码，并发送至各个GNSS卫星，更新周期1天；e、电离层时延的修正e.1GNSS接收机在实施测量时将接收到各个卫星的广播星历，其中包括：卫星轨道、钟差以及步骤d中发送至卫星的电离层时延修正参数等信息；e.2接收机从接收到的卫星广播星历中得到时间信息，用固化在接收机中的全球电离层基础数据库，按照步骤c的方法，预报当天全球电离层球谐函数模型，并将该模型存储在接收机内存上；当接收机跨过世界协调时00:00:00时，接收机用固化在接收机中的电离层基础数据库预报新一天的全球电离层球谐函数模型，将该模型存储在接收机内存上，并覆盖原有的全球电离层球谐函数模型；e.3用步骤e.1中接收到的GNSS卫星轨道和钟差信息，计算该历元观测到的GNSS卫星以及本接收机的概率位置；e.4用广播星历中的全球电离层球谐函数的系数替换接收机中预报的当天全球电离层球谐函数对应的系数，再按照(1)式构建当天全球电离层球谐函数模型；当接收机接收到的卫星广播星历中的电离层信息不可用或无法接收到电离层信息时，采用步骤e.2中存储在接收机内存中的当天全球电离层球谐函数模型；e.5基于步骤e.4中全球电离层球谐函数模型和步骤e.3中计算得到的卫星和接收机的概率位置，确定信号传播路径上的电离层延迟，即可实现全球卫星导航系统广播电离层时延修正。