[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

摘要

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。

主权项

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基准站观测量路径上的电离层电子浓度总含量TEC信息；第二步，将步骤1中得到的卫星视线方向LOS的电离层TEC(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(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(λ_i‑λ_j))其中，(φ_i,λ_i)和(φ_j,λ_j)为两穿刺点IPP(Ionospheric Pierce Point)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，得到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处的VTEC值，n为该IGP周围一定范围内的IPP点个数，λ_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。