[发明专利]基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法

说明书

本发明涉及一种基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法，该方法利用分布在不同高度群的全球低地球轨道卫星，通过星载接收机的卫星导航双频观测量计算电离层总电子含量，结合地面卫星导航观测网络的输出产品实现全球电离层总电子含量空间分布的多层解析，然后利用掩星接收机获得的中低层电离层电子密度的垂直分布廓线对多层解析结果进行修正。相比传统的全球电离层总电子含量分布计算方法，本方法能够有效提取不同高度电离层电子密度的分布特征，改进二维电离层总电子含量分布的时空精度，为全面认知电离层总电子含量的全球三维空间分布提供良好的技术支撑。

技术领域

本发明涉及一种基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法，属于电离层领域。

背景技术

电离层是地球上空热层中被太阳辐射电离的部分，其带电粒子主要分布在高度为60km至1000km的范围内。电离层的带电粒子构成空间电波的起伏散射介质，根据带电粒子的分布程度，电离层会引起电波信号的幅度衰减和相位延迟等，是卫星导航信号的主要空间测距误差来源之一。电离层总电子含量可由卫星导航信号的双频观测量进行测量，据此国际卫星导航服务利用全球分布的地面观测站点构成了电离层总电子含量的二维格网模型，并作为产品向全球用户发布。该格网模型假定电离层总电子含量都集中在350km至450km之间的某一个高度上，因此也被称为薄壳模型。尽管现有的电离层总电子含量二维格网模型已经可以提供电离层总电子含量的全球分布，并可在一定程度上描述电离层总电子含量的时空演化特性，然而尚不能全面描述电离层总电子含量的全球垂直分布特征，在对电离层总电子含量的顶层分布特征认识上也存在较多不足和局限性。实际上，电离层总电子含量的空间分布较为复杂，其受太阳辐射、地球磁场强度分布等因素的影响较为强烈，其空间分布具有较强的非线性。特别是当受太阳风暴和地磁暴影响下，电离层存在强变化与扰动，了解并掌握其总电子含量的垂直分布变化有助于进一步揭示空间天气影响下电离层内部的变化机理。因此，考虑电离层本身的空间物理特征，建立全球电离层总电子含量的多层解析模型和方法，可为深入认识电离层三维结构和空间物理变化机理、建立高精准的电离层总电子含量全球分布现报与预报模型提供有效的技术支撑。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法，该方法利用分布在不同高度群的全球低地球轨道卫星，通过星载接收机的卫星导航双频观测量计算电离层总电子含量，结合地面卫星导航观测网络的输出产品实现全球电离层总电子含量空间分布的多层解析，然后利用掩星接收机获得的中低层电离层电子密度的垂直分布廓线对多层解析结果进行修正。相比传统的全球电离层总电子含量分布计算方法，本方法能够有效提取不同高度电离层电子密度的分布特征，改进二维电离层总电子含量分布的时空精度，可更全面认知电离层总电子含量的全球三维空间分布。

本发明的技术方案如下：一种基于低地球轨道卫星全球电离层总电子含量多层解析方法，具体实现步骤为：

(1)按照轨道高度将低地球轨道卫星进行分组，其中每组低地球轨道卫星的数目应不少于24颗，且其星座分布能够满足全球电离层建模的穿透点分布特征。

(2)对每组轨道高度的卫星，根据卫星所接收到的导航观测量建立双频电离层延迟计算模型；其中导航观测量来自GPS、BDS、GLONASS和GALILEO四个系统，每颗导航卫星应提供双频伪距和载波相位测量值，在此基础上双频电离层延迟计算模型可表示为：

其中，为双频解算电离层的延迟，N₁-N₂为整周模糊度的单差，可表示为：