[发明专利]一种用于卫星导航系统中电离层折射时延改正的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种GPS广域增强系统或GPS广域差分系统等卫星导航系统中的电磁波电离层折射时延改正的方法；具体地说，涉及一种建立在改进的电离层薄层模型基础上的电磁波电离层折射时延改正的方法。

背景技术

以卫星信标为基础的卫星导航系统，如美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统等，在军事和民用中有着重要的应用。在卫星导航系统的定位(也包括时间传递)服务中，用户地理位置的确定和时间信息在卫星到用户间传递的时延计算都是由用户到卫星的几何距离出发计算而得的。而这种几何距离的得到无一例外地是通过测量卫星发出的电磁波信标从卫星到用户间的传播时间得到的。围绕地球的电离层作为卫星信标所必需经过的媒质，它对电磁波的折射时延作用产生的信标在传播过程中额外经历的电离层附加时延(简称电离层时延)对卫星到用户间几何距离的折算有着十分显著的影响。因此，电离层折射时延改正问题从来就是各种卫星导航系统中必需解决的重要问题。

卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统是在原有的卫星导航系统(如GPS等)的基础上，以提高原有系统定位、授时(时间传递)精度为目的的系统。其中，电离层时延的改正问题是这类系统所着力解决的问题。目前，在国际上已建立了很多这类系统。在已有的这类系统中，电离层时延的改正过程主要可分为两大步骤。第一大步骤是由这类系统在服务区布设的一些基准观测站(简称基准站)和中心控制站(简称中心站)以及它们两者之间的通信信道来完成的。其工作过程是，基准站观测其到卫星间电波射线路径上的电离层时延值，并通过通信信道发送到中心站，中心站根据各基准站的实时观测值建立计算电离层时延模型的参数，并通过某种广播信道将这些模型参数广播出去。第二大步骤在用户端完成，用户首先接收中心站广播出的电离层时延模型参数，运用这些参数重构电离层时延模型，再通过模型计算用户所需的电离层时延改正值。上述处理过程的核心是建立在一种称为电离层薄层模型的基础上的，该模型将电离层简单地看成一个集中在距地面一定高度(一般取350公里到400公里间的某一高度)并与地面平行的薄层。更确切地说，在中心站由基准站观测数据计算得到的电离层时延模型广播参数是以该电离层薄层模型为依据的，在用户端根据广播参数计算用户所需的修正量也是依据该电离层模型的。

选取上述电离层薄层模型作为卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统中电离层时延改正的基础实际上是在修正精度因素和节约系统广播容量因素之间的一种综合平衡。在地磁中纬地区，选用电离层薄层模型进行电离层时延修正一般可以满足米级的定位或授时(时间传递)精度的要求；与此同时，广播电离层模型参数所占的广播容量也比较小，使得系统容易实现。

但是，上述基于电离层薄层模型的方法和系统有其严重的局限性。主要表现在，在地磁中纬度地区的修正结果比较好，在地磁中低纬度地区，特别是电离层赤道异常地区的修正结果较差，对低仰角信标卫星对应的电离层时延和中午时段的电离层改正精度较差。究其根源，主要是电离层薄层模型对上述地区和时段下真实电离层时延的描述精度相对其它地区(比如地磁中纬度地区)或时段(比如凌晨时段)要差得多。

解决上述问题的根本方法是对电离层薄层模型进行改进或提出新的模型。提出一种能够更精确描述中低纬度地区和午间电离层情况的模型本身并不困难。实际上，在电离层物理研究中已提出过很多种模型，其中很多对电离层的描述精度都比薄层模型好。但是，以这些模型作为卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统电离层时延改正的基础却仍然有很大困难。这种困难主要体现在两个方面。第一，更精确的模型往往需要更多的参数来表征，而卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统的广播容量往往不能满足广播大量电离层模型参数的需要；第二，以电离层薄层模型为电离层时延修正基础的GPS广域增强系统已经在美国等地区建设完毕并正常运行，这一系统的服务区域大多处于地磁中纬度区域，电离层时延改正的效果比较好。由于这一成功系统的示范作用等因素，新的电离层时延改正方法和系统能否在广播参数等方面与这一已有系统相兼容成为衡量新方法及其相应系统能否在工程中实现的重要因素。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述技术存在的问题和不足，提供一种新的用于卫星导航广域增强系统或卫星导航广域差分系统中的电离层折射时延改正的方法。

本发明的目的是这样实现的：