[发明专利]一种基于时空结构信息的中国区域电离层VTEC精确建模方法

权利要求书

1.一种基于时空结构信息的适用于中国区域电离层VTEC精确建模方法，其特征在于，通过构建灵活可调的半变异函数，将地统计学中的克里金方法引入到电离层VTEC模型化中，方法包括：

第一步，根据基准站双/多频GNSS观测数据，包括伪距和载波相位观测量，提取GNSS基准站视线方向LOS(Line-of-Sight)的电离层电子浓度总含量STEC(SlantTotal ElectronContent)信息；

第二步，将第一步中得到的卫星视线方向的电离层STEC转化为垂直方向的电子浓度总含量VTEC，转化公式为：

STEC＝VTEC·F(Z)

其中，投影函数Z为测站接收机处卫星天顶距；Z′为穿刺点处卫星天顶距；R_e为地球半径；R_r为测站接收机到地心的距离；H_ion为电离层薄层高度；α＝0.9782为比例因子；

第三步，统计电离层VTEC空间相关性和变异性信息，获取电离层空间结构变化信息，用实验半变异函数γ^*(d)进行描述，经验统计值为：

其中，d为距离步长，δ为距离容许误差，N(d)为距离步长为d的电离层穿刺点(Ionospheric Pierce Point，IPP)的点对数量，I(x_k)和I(x_l)分别为IPP点x_k和x_l处的电离层VTEC；对于电离层穿刺点距离采用球面距离进行计算：

d＝(R_e+H_ion)·cos^-1(sinφ_isinφ_j+cosφ_icosφ_jcos(θ_i-θ_j))

其中，(φ_i,θ_i)和(φ_j,θ_j)分别为IPP点x_i和x_j处的地理纬度和经度；

第四步，实时拟合半变异函数，构建灵活可调的半变异函数模型；根据第三步得到实验半变异函数分布形状，在拟合范围内，按照估计方差最小原则，采用线性/非线性最小二乘实时拟合多种有基台值非线性半变异函数理论模型，包括球状模型、指数模型和高斯模型，自适应选取拟合效果最好的半变异函数作为最优半变异函数进行电离层格网点VTEC估计；

所述的球状模型、指数模型和高斯模型如下：

其中，C₀是块金值；C是偏基台值；a是变程；

第五步，基于电离层VTEC时空结构信息构建电离层VTEC克里金电离层延迟优化格网模型，该格网模型为：

其中，为位于x_IGP的电离层格网点IGP(Ionospheric Grid Point)处的VTEC值，n为该IGP周围变程范围内的IPP点个数，m_i为IPP点x_i的权重，在无偏性和估计误差方差最小性原则下，引入拉格朗日函数因子μ，构建方程求取权重系数λ_i：

其中，角标1～n表示第1～n个IPP点，0表示IGP点。

2.如权利要求1所述的一种基于时空结构信息的适用于中国区域电离层VTEC精确建模方法，其特征在于，所述第一步具体包括如下方法：

步骤11，获取基准站GNSS观测数据，包括伪距和载波相位观测量以及卫星星历数据；并根据所述GNSS观测数据采用Kalman滤波方法进行载波相位平滑伪距提取STEC信息；电离层延迟的基础观测方程：

式中，A＝40.28·STEC；b_i-j,r＝b_i,r-b_j,r表示频率f_i、f_j间测站接收机r的硬件延迟DCB(Differential Code Biases)；表示f_i、f_j频率间卫星DCB；分别表示f_i、f_j频率载波相位整周模糊度与相位硬件延迟之和；ε_P和ε_l分别表示伪距和载波相位观测噪声；

Kalman滤波平滑过程为：

构建状态方程和量测方程：

P_4,k＝P_4,k-1+L_4,k-L_4,k-1+W_k-1

P_4,k＝P_4,k+V_k

其中，L_4,k、L_4,k-1、P_4,k分别为k、k-1时刻的相位组合观测值和k时刻的码组合观测值，W_k-1、V_k分别是方差为Q_k-1和R_k的量测噪声；

一步预测均方误差：S_k/k-1＝S_k-1+Q_k-1

滤波增益：K_k＝S_k/k-1(S_k/k-1+R_k)^-1

估计均方误差：S_k＝(1-K_k)S_k/k-1

步骤12，根据全球电离层先验信息和卫星DCB获取基准站接收机DCB，然后从电离层原始观测信息中扣除卫星和接收机DCB，即可获得基准站卫星视线方向上干净的TEC观测量。