[发明专利]一种北斗导航系统电离层延迟估计方法及相应接收装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种北斗导航系统电离层延迟估计方法及相应接收装置，尤其是一种根据北斗卫星导航系统导航电文的电离层模型参数和网格电离层信息来修正导航定位结果的方法及相应接收装置。

背景技术

电离层是地球上空距离地面50~1000km的大气层，受太阳紫外线、X射线以及高能粒子作用，该区域的大气分子和原子电离形成大量的自由电子和正离子，电磁波信号穿过时传播路径发生弯曲，传播速度发生变化。经研究表明，在北斗卫星导航系统﹝BeiDou（或BD或COMPASS） Navigation Satellite System﹞中，电离层延迟是影响定位精度的最主要误差源之一。电离延时一般为几米左右，但当太阳黑子活动增强时，电离层中的电子密度会升高，这使得电离层延时也随之增加，其值可达十几米甚至几十米，常用的处理电离层延迟的方法有双频校正法、半和改正法、差分改正法和电离层模型法等。对于单频卫星导航接收机，不能测定电离层延时的大小，只能借助一些数学方法通过电离层模型法模型法来估算、校正电离层时延。

单频接收机一般利用Klobuchar模型来估算在当地时间为                                                时的电离层延时大小，Klobuchar电离层延时模型的数学表达式为：

       （1）

式中，是电离层垂直天顶延迟，单位为秒，是接收机至卫星连线与电离层交点处的地方时（单位为秒，取值范围为0~86400），是余弦函数的振幅，是余弦函数周期，该模型用一个常数来描述午夜至凌晨之间的电离层延时，并在此基础上用半个余弦函数来描述白天的电离层延时变化情况。该模型假设在当地时间14时，即下午2点或者是50400秒时，电离层中的大气分子在阳光照射下分解的最为旺盛，对应的电离层延时也达到最大值。和的值由卫星在其播发的导航电文中提供的电离层延时模型各个参数值计算得到，具体解算为：

            （2）

           （3）

其中，参数、、、、、、、是卫星在其播发的导航电文中提供的电离层延时模型的各个参数值。是电离层穿刺点的大地纬度，单位为半周（），电离层穿刺点是指信号从卫星传播到接收机时与电离层的平均高度面相交的点，如图1所示的P点为电离层穿刺点，电离层穿刺点的大地纬度计算公式为：                 

   （4）

其中，为用户大地纬度，单位为弧度，为卫星方位角，单位为弧度，为用户和穿刺点的地心张角，单位为弧度，其计算公式为：

其中，为地球半径，取值为6378公里；为卫星高度角；单位为弧度；为电离层高度，取值为375公里。

式（1）输出一个以秒为单位的天顶方向上的电离层延时，再乘以一个与频率有关的系数就可计算出卫星信号所受到的电离层延时，是一个与频率有关的函数，对于北斗卫星导航系统，频率取的频点。

Klobuchar模型估算电离层延迟的具体估算流程如图1所示。步骤101估算开始后，步骤102北斗导航接收机解调出电离层模型参数，即参数、、、、、、、。步骤103再根据Klobuchar估算模型计算出余弦函数的振幅和余弦函数周期，得到天顶方向的电离层延时，在步骤104中乘以系数得到实际的电离层延时，步骤105结束电离层估算。

此时估算得到的电离层延时可作为已知量带入北斗卫星导航信号的观测方程式中参与定位解算。对于不同空间跨度的输入数据，Klobuchar估算模型误差的均值和方差基本不变，其空间分布表现为极大值或极小值区域的交替分布，缺少误差较小且平缓的区域，且Klobuchar模型是在已有模型实现上的一种拟合函数形式，尽管在其实现中考虑了相位、幅度等随时间和地点的变化，这个拟合过程本身就降低了实现的精度，且假定夜间电离层延时是常数，也会导致较大的电离层误差，限制了其在许多定位要求较高场合的应用。 

发明内容

本发明的目的是提供一种在北斗卫星导航接收机可接收到GEO（Geostationary Earth Orbit，对地静止轨道）卫星参与定位时的电离层延时估算方法，能够利用GEO卫星播发的格网点电离层改正信息修正电离层误差以提高北斗卫星导航接收机的定位精度。

本发明是这样实现的：