[发明专利]一种边缘增强的电离层层析方法

说明书

本发明提供一种边缘增强的电离层层析方法，包括如下方法步骤：步骤1)，利用GPS码观测值与载波相位观测值联合解算测量的电离层TEC；步骤2)，建立虚拟参考站，通过三角形线性插值计算虚拟TEC值；步骤3)，将待反演区域按照经度、纬度、高度方向均匀划分成一个个网格，求出全部观测信号在每个网格中的截距后，按照网格和观测次数的顺序排列组成观测矩阵A；步骤4)，采用IDW插值方法作为水平约束，使没有信号射线穿过的网格参与层析迭代；步骤5)，构造边缘函数，通过ART迭代算法，求解电离层电子密度分布。本发明充分考虑实际反演中边缘地区观测信号稀缺的情况，对ART算法的修正式加权以限制对边缘地区的修正，防止过度拟合。

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种边缘增强的电离层层析方法。

背景技术

电离层是指地面以上约50千米至1000千米的空间大气，该范围内的地球大气分子由于受到太阳紫外线辐射与地球上层大气原子、分子、宇宙射线中高速粒子相互作用而发生了电离，生成大量自由电子和离子。

电离层是日地系统一个的重要组成部分，也是人类生存的近地空间环境中的重要组成部分，对人类生产与活动具有十分重要的影响。一方面，正常情况下电离层的反射有助于远距离无线电通讯的实现和发展；另一方面，电离层的剧烈变化(如电离层扰动、电离层中的不规则体)会对短波通讯、航空航天和卫星导航等领域产生严重的影响，可能致使航天器受损、卫星和地面通讯设备的失灵以及高压输电网损害等。常用的电离层观测手段如数字斜测仪、电离层垂测仪、大功率散射雷达等，一般只能获得观测站所在位置上电离层相关物理量随高度和时间变化的信息，不能对电离层的顶部进行探测，并且造价昂贵、维护代价较大。

随着卫星技术的发展，将卫星探测和计算机层析技术(ComputerizedTomography，CT)相结合的电离层层析技术(Computerized Ionospheric Tomography，CIT)可实现三维甚至四维电离层电子密度的重构。基于 GNSS的电离层层析成像技术是一种全天候、大范围的电离层探测技术，随着全球范围内GNSS永久监测网的布设和各区域、局域GNSS综合应用网的建成，对电离层进行高时空分辨率的动态监测成为现实。

当前常用的电离层层析算法主要分为函数基和网格基两类。在层析问题中，由于接收机数量、观测角度等因素的限制，函数基算法用少量参数去拟合大区域的分布将很难求解，通过施加约束得到的结果也会过于平滑，掩盖了电离层小尺度扰动。网格基算法中，待反演区域按照经纬高的方向划分成一个个网格，利用经验模型给每个网格赋初始值，再通过迭代使其接近真实值，其中迭代算法如ART(Algebra Reconstruction Technique，代数重构算法)等尤其适用于这种投影数据不完整的情况。

由于前述原因，在实际层析过程中有很多网格没有任何观测信号穿过，使得反演成为一个严重的病态问题，尤其是在待反演区域的边缘地带，相比于中心地带观测值较少，传统的ART算法已经不能很好的适用，未知数太多计算效率低下，边缘地区常出现过度的拟合，难以实现高精度高效率的电离层电子密度反演。

因此，为了克服现有技术中的问题，需要一种边缘增强的电离层层析方法。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种边缘增强的电离层层析方法，所述方法包括如下方法步骤：

步骤1)，利用GPS码观测值与载波相位观测值联合解算测量的电离层TEC；

步骤2)，建立虚拟参考站，利用步骤1)得到的测量的电离层TEC 值，通过三角形线性插值计算虚拟TEC值；

步骤3)，将待反演区域按照经度、纬度、高度方向均匀划分成一个个网格，

计算观测信号射线，求出每条射线在其穿过的网格中的截距，求出全部观测信号在每个网格中的截距后，按照网格和观测次数的顺序排列组成观测矩阵A；