[发明专利]一种基于北斗GEO的电离层TEC同化建模方法

说明书

本发明公开了一种基于北斗GEO的电离层TEC同化建模方法，包括：同化方法：利用逐步订正法进行数据同化实验，将IRI模型作为先验信息，利用北斗GEO电离层TEC数据进行逐步订正；北斗GEO电离层TEC提取；提取国际参考电离层模型IRI的TEC格网值，利用改进的逐步订正法，将北斗GEO电离层TEC值同化到IRI模型中；同化模型的精度评定。本发明的方法，利用改进的逐步订正法将其同化到国际参考电离层模型IRI中，并与全球电离层图GIM以及未参与建模的北斗GEO电离层TEC值进行对比分析，评估其精度。在GNSS导航定位精度提高和空间环境的减灾和防灾能力具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及电离层技术，具体涉及一种基于北斗GEO的电离层TEC同化建模方法。

背景技术

目前，电离层是一个复杂变化的系统，不仅表现出明显的气候变化，而且在受到太阳、地磁和气象影响后也表现出明显的天气扰动。电离层扰动会对导航定位、短波通信、电网等产生严重影响。为了修正卫星导航和轨道定位中的电离层误差并减轻该误差对军事和民用系统的影响，在实际应用中尽可能提供准确、可靠的电离层产品显得至关重要。全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）技术极大地推动了全球电离层建模和区域电离层建模的发展，在确定电离层的动态特征方面起着至关重要的作用。另外，经验模型、分析和参数化模型以及数值模型等诸多建模技术可重现电离层大规模的形态特征和进行电离层预测。然而，由于仅仅对离散电离层测量值进行插值和缺乏对电离层的可靠估计，使得这些电离层建模技术无法较好的重现电离层扰动形态。以上是电离层建模的面临的关键难题，近年来，数据同化技术已成为一种常用的方法，其是通过将观测值同化到电离层模型中来提高监测和预报系统的准确性。数据同化技术是通过某种分析算法将观测值投影到适当的规模或合适的全局或区域网格上，然后与背景模型值组合以进行预测。数据同化方法在气象和海洋学上已取得了巨大的成功，积累了许多经验和成熟的同化算法如变分法、Kalman滤波法等，近年来，这些同化方法广泛应用于电离层模型构建。电离层同化模型的关键是同化方法和同化数据源，鲜有文献利用北斗GEO (GeostationaryEarth Orbit)电离层TEC来提高电离层模型精度。

现有技术中：

(1) 同化方法：逐步订正法(Successive Correction Method, SCM)是一种迭代经验方法。利用逐步订正法进行数据同化实验，将IRI模型作为先验信息，利用北斗GEO电离层TEC数据进行逐步订正。是给定的格网点的初始信息，由IRI模型给定，具体迭代如下：

(1)

式中，为订正次数，为影响半径内格网点的总数，为第次观测点，为对观测点上的第次估计，为第个格网点上经过次迭代后的值，为测量误差方差与先验误差方差之比的估计，为第次迭代时，第个观测值的权重因子；将权重因子定义为观测点与格网点之间的距离平方成反比或与平方距离的指数成反比的减小，融合北斗GEO电离层TEC值，权重因子定义如下：

(2)

式中，为大圆半径内格网点和的距离，为格网点之间的平面关联长度，为一个网格点对其邻域的影响的迭代半径。

(2) 同化数据源：以国际参考电离层模型IRI(International ReferenceIonosphere)为先验模型，利用GNSS中轨道（MEO,Medium Earth Orbit)卫星获取电离层TEC，并将其同化到IRI先验模型中。

(1) SCM是通过观测资料与先验信息之差去订正前次推测值，该方法的函数权重在迭代过程中恒定不变。

(2) 利用MEO卫星（例如GPS或GLONASS卫星）的TEC数据同化电离层IRI先验模型，然而，这些TEC数据受到卫星移动导致空间梯度变化的影响。

本发明基于改进逐步订正法，利用北斗GEO卫星电离层TEC和国际参考电离层模型IRI(International Reference Ionosphere)构建电离层同化模型。