[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

说明书

本发明公开了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，通过利用电离层时变性和空间结构对半变异函数进行了优化，构建了灵活可调的半变异函数，充分有效利用了电离层VTEC在时间域上的结构变化和空间域上的相关性、结构性与变异性特征，基于此实现了中国区域电离层VTEC克里金空间优化实时建模，同时提供格网点估计精度，规避了函数模型中模型系数选择受制于区域范围大小和观测值数量、忽略了电离层观测量之间的空间相关性和变异性等空间结构信息的弊端，较适用于中国等电离层活动变化复杂的地区。

技术领域

本发明属于全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的电离层延迟误差改正领域，涉及一种基于时空结构信息进行中国区域电离层VTEC精确建模的方法。

背景技术

电离层处于地球大气层约60～2000公里范围，其大气原子和分子受太阳紫外线、太阳风、X射线以及沉降粒子等辐射因素的影响产生电离现象，由于其色散效应，对无线电波造成信号衰减、弯曲、吸收、反射、折射、散射等多种效应，引起的导航信号延迟可达数米甚至百米级，严重影响GNSS测速、导航、定位、授时等方面的精度，成为无线电导航系统的各类信号数据处理中最棘手的误差源之一。

随着GNSS系统包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、中国BDS和欧盟Galileo的不断建设、发展和升级，各国在导航定位精度和导航服务水平与性能等方面也不断角逐。随之增加的卫星数量、多类型卫星星座和信号构成的多频多模GNSS，为基于GNSS的电离层连续监测与精细化研究带来了全新机遇与挑战，成为当前电离层研究领域中应用最为广泛的主要技术手段。

由于各类观测数据的离散性，电离层模型成为深入定量描述、分析和研究电离层时空分布结构及其变化规律与特征的必不可少的重要手段与方法。区域电离层VTEC的精细模型化不仅可满足单频用户电离层延迟误差改正需求，还可有效提高双频用户精密定位的初始定位精度、加快收敛速度。在区域电离层VTEC建模方面，常用方法为函数模型，主要包括球谐函数、多项式函数、(广义)三角级数、球冠谐函数、人工神经网络以及经验正交函数等。中国区域跨越中低纬，纬度跨越较大，且处于电离层变化复杂区域，数学函数模型参数的设置需要受制于观测量的数量和拟合区域的大小，不同参数的设置直接影响拟合效果及其适用范围，且在电离层变化剧烈的情况下改正效果均不理想。此外，函数模型没有考虑电离层观测量之间的空间相关性和变异性，由于电离层受太阳与地磁活动以及中性风等外部综合效应的影响，使其具有空间相关性、变异性且随机变化的特性，其延迟量的时空结构特征在建模时不可忽略。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了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，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，充分有效利用了电离层VTEC在时间域上的结构变化和空间域上的相关性、结构性与变异性特征，提高了中国区域电离层VTEC建模的精度和可靠性，同时可以提供格网点估计精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：通过GNSS电离层VTEC观测量空间相关性与变异性信息的统计，获取电离层VTEC观测量空间域信息，同时，顾及电离层的时变性，实时选择恰当的半变异函数对空间结构信息进行拟合，最后，基于克里金方法建立中国区域电离层延迟格网模型，具体包括以下步骤：

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基准站卫星视线方向LOS(Line-of-Sight)的电离层电子浓度总含量STEC(SlantTotal Electron Content)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(Vertical Total Electron Content)，转化公式为：

STEC＝VTEC·F(Z)