[发明专利]一种基于三层球谐近似的GNSS电离层TEC建模方法

说明书

本发明公开了一种基于三层球谐近似的GNSS电离层TEC建模方法，涉及电离层建模技术领域，该方法包括：采用非差非组合PPP方法提取电离层STEC；将所述电离层在垂直方向上分为三个部分，并假设存在三个IPP及对应的三个投影函数，并在每个IPP的位置将斜TEC转换为垂直的天顶方向，获得每个电离层穿刺点IPP处的垂直电子含量VTEC和卫星与接收机传播路径上的电子总含量STEC；对每个电离层穿刺点IPP处的垂直电子含量VTEC通过球谐函数进行建模。本发明通过将电离层在垂直方向上分为三层，并构建三层球谐近似电离层TEC模型，与单层电离层TEC模型相比，本发明的电离层TEC模型精度更高，模型更加稳定。

技术领域

本发明涉及电离层建模技术领域，具体涉及一种基于三层球谐近似的GNSS电离层TEC建模方法。

背景技术

电离层是近地空间环境一个重要组成部分，是地球高空大气的电离区域，位于地面上约60 km到1000 km范围内。电离层的精确建模可改善导航定位用户特别是单频用户的导航定位精度。由于电离层受太阳和地磁活动的影响，空间变化极为复杂，因此对其精确建模仍是一个挑战。单层近似的GNSS (Global Navigation Satellite System)电离层建模最为常见，考虑到电离层F2层的高电子密度，认为电离层薄层的高度在250 km到500 km之间。国际GNSS服务(IGS)各分析中心采用不同的单层近似来描述电离层总电子含量(totalelectron content, TEC)的分布，如CODE采用球谐函数展开，JPL则是在单层电离层球壳上用一个统一的三角格网来描述，ESA采用一个非线性的高斯型电离层指数模型。然而，基于单层近似的电离层TEC建模忽略了垂直领域中的电离层变化，且限制了单层模型的改进范围。因此，如何有效构建更为精确的电离层TEC模型，是一个值得研究的重要科学问题。

近年来，随着GPS、GLONASS、Galileo和北斗在内的多GNSS卫星跟踪站的数量增加，为GNSS电离层TEC建模提供了前所未有的机会。目前，常用的单层近似电离层建模是基于固定高度的单层来简化模型。但是，单层近似建模存在以下问题。其未考虑最大电离层电子密度区域的高度变化和垂直方向上电离层电子密度的不均匀分布。另外，利用投影函数将射线传播方向的TEC转换为天顶方向，且该投影函数仅取决于所观测卫星的高度和假定层的高度，其假定电离层穿刺点(ionospheric pierce point, IPP)周围的电离层电子密度对称分布。然而，在电离层空间分布不均匀的情况下，单层近似可导致1到2个TECu的误差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于三层球谐近似的GNSS电离层TEC建模方法。

本发明提供的具体技术方案为：一种基于三层球谐近似的GNSS电离层TEC建模方法，包括以下步骤：

S1：将所述电离层在垂直方向上分为三层，并采用非差非组合PPP法提取斜总电子含量；

S2：假设每层存在一个IPP及一个对应的投影函数，在每个IPP的位置将倾斜的TEC转换为垂直的天顶方向，获得每个电离层穿刺点IPP处的垂直电子含量VTEC和卫星与接收机传播路径上的电子总含量；

S3：对每个电离层穿刺点IPP处的垂直总电子含量利用球谐函数模型进行拟合，然后将三个球谐函数求和即为三层球谐近似电离层TEC模型。

进一步地，所述方法还包括在提取电离层TEC前对GNSS卫星和接收机的硬件延迟偏差进行校准的过程。

更进一步地，所述投影函数的公式为：

（1）

其中，、和为穿刺点处的投影函数；，，；为接收机相对于电离层穿刺点IPP处的天顶距；和分别为和层卫星传播路径方向穿刺点IPP处的天顶距，其中=200 km， =450 km， =800 km。