CN120214831A 一种天基探测电离层数据的电子总量计算和校正方法

(19)国家知识产权局申请人无锡云遥宇航气象科技有限公司北京云遥宇航科技有限公司(72)发明人赵裕慧刘春洋付乃锋许波波郭银秀崔汪安寅玛娜卓玛有限公司12226中间辅助侧数据掩星侧数据碰撞参数相位—否→一本发明提供了一种天基探测电离层数据的种计算和校正方法实现从星地无线电探测电离一21.一种天基探测电离层数据的电子总量计算和校正方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、地固坐标系转换；S2、碰撞参数计算；S3、碰撞参数和相位阵列排序；S5、掩星校正电子总量；在步骤S3中，碰撞参数和相位阵列排序，包括：S31、对含有最大碰撞参数的样本进行识别，判断参数样本中是否包含正高度角样本；S32、对于掩星侧负高度角数据和辅助侧正高度角数据，将碰撞参数和相位阵列重新排序为单独阵列；S33、卫星位置和切点坐标重新排序，并将其存储在掩星一侧；S41、根据切点高度和卫星轨道高度进行高度范围掩星筛选；S42、根据采样率进行时间差掩星筛选；S43、将辅助侧的相位数据样条插值到掩星侧的碰撞参数网格上；S44、根据所选的校准模式校准相位数据。2.根据权利要求1所述的一种天基探测电离层数据的电子总量计算和校正方法，其特地心惯性坐标系：坐标系原点为地球质心，z轴沿着地球自转轴指向协议地极，x轴位于赤道平面内，并指向春分点，y轴符合右手笛卡尔坐标系；S11、在地心惯性坐标系下估计卫星绕地球的位置和速度；S12、将地心惯性坐标系下的坐标转换为实际的地理坐标；S13、将笛卡尔坐标下的卫星位置由地心惯性坐标系框架转换到地固参考框架。3.根据权利要求1所述的一种天基探测电离层数据的电子总量计算和校正方法，其特基于局部球对称和GNSS信号沿直线传播的假设，碰撞参数表征地心到LEO卫星与GNSS掩星之间连线的垂直距离，计算公式如下：式中，θ为GNSS卫星与LEO卫星关于地心连线向量的夹角；YG和IL分别为GNSS卫星和LEO卫星的地心向径。4.根据权利要求1所述的一种天基探测电离层数据的电子总量计算和校正方法，其特征在于：在步骤S5中，掩星校正电子总量，包括：校准后的掩星TEC由校准后的相位△L计算得到，计算公式如下：35.根据权利要求1所述的一种天基探测电离层数据的电子总量计算和校正方法，其特如果采集数据包含正高度角样本，则最大碰撞参数在碰撞参数数组的中间位置，如果只采集负高度角数据，则最大碰撞参数在第一个样本处或附近。6.根据权利要求1所述的一种天基探测电离层数据的电子总量计算和校正方法，其特S412、找出切点高度覆盖卫星轨道高度以下150km至1km默认高度范围的掩星，且剔除不在此高度范围的掩星；S413、如果使用辅助侧的数据进行定标，则要求辅助侧的碰撞参数范围包含掩星侧的碰撞参数，且剔除不符合要求的掩星。7.根据权利要求1所述的一种天基探测电离层数据的电子总量计算和校正方法，其特在掩星侧和辅助侧均进行时间间隔检查，如果探测到任何时间间隔，则掩星被剔除。8.根据权利要求1所述的一种天基探测电离层数据的电子总量计算和校正方法，其特将相位的平方作为碰撞参数的函数进行插值。9.根据权利要求1所述的一种天基探测电离层数据的电子总量计算和校正方法，其特S441、校准模式1包括从掩星侧相位数据中减去插值后的辅助相位数据；S442、如果没有辅助侧的数据，则选择使用校准模式0,从掩星侧所有样本的相位数据中减去最大碰撞参数的观测相位。10.根据权利要求3所述的一种天基探测电离层数据的电子总量计算和校正方法，其特征在于：4技术领域[0001]本发明属于电离层探测领域，尤其是涉及一种天基探测电离层数据的电子总量计算和校正方法。背景技术[0002]总电子含量(TEC)是观测视线方向底面积为1的柱体内所含的总自由电子数。电离层是地球大气的一个电离区域，从离地面约50km～60km开始，一直延伸到约1000km高度的地球高层大气空域，其中存在相当多的自由电子和离子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射。电离层总电子含量是描述电离层状态和特征的电离层参量，同时又反映电离层对无线电波传播的影响。掩星探测电离层电子总含量主要通过对低轨卫星接收到的全球导航卫星系统(GNSS)发射的导航信号进行反演获得。卫星相关技术的快速发展使得星地信息可通过超高频及以上的无线电波段进行传输，在传输过程中将会主要以透射的方式在电离层中传播，电离层电子总含量TEC这一重要电离层参量的出现对反映电离层在传播过程中的影响具有重要意义。GNSS掩星探测技术具有功耗低、重量轻、全天时全天候灵活探座的建成，GNSS掩星探测数据处理技术也需进一步发展和提升。基于星地无线电波传播对电离层信息的迫切需求，根据电离层电子总含量与电离层引起的无线电波传播的附加时延成正比，运用一种计算实现从星地无线电探测电离层数据中获取总电子含量并在此基础上采用相位校准方法对其进行校正获得更加准确的结果，这在卫星定位导航的电波修正、空间环境监测等方面具有重要意义。发明内容[0003]有鉴于此，本发明旨在提出一种天基探测电离层数据的电子总量计算和校正方法，以解决当下基于星地无线电波传播获取电离层信息的迫切需求。[0004]为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种天基探测电离层数据的电子总量计算和校正方法，包括以下步骤：S31、对含有最大碰撞参数的样本进行识别，判断参数样本中是否包含正高度角样S32、对于掩星侧负高度角数据和辅助侧正高度角数据，将碰撞参数和相位阵列重新排序为单独阵列；5S33、卫星位置和切点坐标重新排序，并将其存储在掩星一侧；S41、根据切点高度和卫星轨道高度进行高度范围掩星筛选；S42、根据采样率进行时间差掩星筛选；S43、将辅助侧的相位数据样条插值到掩星侧的碰撞参数网格上；S44、根据所选的校准模式校准相位数据。地心惯性坐标系：坐标系原点为地球质心，z轴沿着地球自转轴指向协议地极，x轴S11、在地心惯性坐标系下估计卫星绕地球的位置和速度；S12、将地心惯性坐标系下的坐标转换为实际的地理坐标；S13、将笛卡尔坐标下的卫星位置由地心惯性坐标系框架转换到地固参考框架。基于局部球对称和GNSS信号沿直线传播的假设，碰撞参数表征地心到LEO卫星与GNSS掩星之间连线的垂直距离，计算公式如下：星和LEO卫星的地心向径。校准后的掩星TEC由校准后的相位△L计算得到，如果采集数据包含正高度角样本，则最大碰撞参数在碰撞参数数组的中间位置，如果只采集负高度角数据，则最大碰撞参数在第一个样本处或附近。S412、找出切点高度覆盖卫星轨道高度以下150km至1km默认高度范围的掩星，且剔除不在此高度范围的掩星；S413、如果使用辅助侧的数据进行定标，则要求辅助侧的碰撞参数范围包含掩星侧的碰撞参数，且剔除不符合要求的掩星。在掩星侧和辅助侧均进行时间间隔检查，如果探测到任何时间间隔，则掩星被剔6将相位的平方作为碰撞参数的函数进行插值。S441、校准模式1包括从掩星侧相位数据中减去插值后的辅助相位数据；S442、如果没有辅助侧的数据，则选择使用校准模式0,从掩星侧所有样本的相位数据中减去最大碰撞参数的观测相位。[0014]相对于现有技术，本发明所述的一种天基探测电离层数据的电子总量计算和校正方法具有以下有益效果：本发明根据电离层电子总含量与电离层引起的无线电波传播的附加时延的正向关系，运用一种计算和校正方法实现从星地无线电探测电离层数据中获取准确的总电子含量，在卫星定位导航的电波修正、空间环境监测等方面具有重要意义。附图说明[0015]构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明实施例所述的碰撞参数和相位阵列排序计算原理示意图；图2为本发明实施例所述的相位校准原理示意图。具体实施方式[0016]需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0019]下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。[0020]如图1至图2所示，一种天基探测电离层数据的电子总量计算和校正方法，包括以下步骤：71.地固坐标系转换在空间保持静止或匀速直线运动(无加速度)的坐标系称为惯性坐标系，通常卫星轨道是在地心惯性坐标系(ECI)下的。在惯性系下完成卫星绕地球的位置和速度估计，地心惯性坐标系的坐标系原点为地球质心；z轴沿着地球自转轴指向协议地极；x轴位于赤道平面内，并指向春分点；y轴符合右手笛卡尔坐标系。在实际计算中将上述ECI下的坐标转换为实际的地理坐标，并考虑掩星期间地球的自转，这跟儒略日和掩星事件的世界时(UT)有关。之后将笛卡尔坐标下的卫星位置由ECI框架转换到地固参考框架。基于局部球对称和GNSS信号沿直线传播的假设，碰撞参数表征地心到LEO卫星与GNSS掩星之间连线的垂直距离。碰撞参数的具体计算公式如下：式中θ为GNSS卫星与LEO卫星关于地心连线向量的夹角；YG和rL分别为G和LEO卫星的地心向径。式(1)计算的TEC是从GNSS卫星到LEO卫星整个路径的电子总量。但是由于碰撞参数的最大值只能达到LEO轨道高度rL,导致积分上限也只能取到YL,因此真正需要的TEC是从反演高度到IL这一段路径的电子总量。[0023]3.碰撞参数和相位阵列排序对最大碰撞参数两侧的碰撞参数和相位阵列进行重新排序。具体地如下图1所示，通过对含有最大碰撞参数的样本进行识别。当采集的数据包含正高度角的样本时，碰撞参数的最大值通常会出现在碰撞参数数组的中间位置。在基本只采集负高度角数据的情况下，最大碰撞参数将在第一个样本(对于一个设定掩星)处或附近。然后，对负高度角数据(掩星侧)和正高度角数据(辅助侧),将碰撞参数和相位阵列(以及时间序列)重新排序为单独的阵列。卫星位置和切点坐标也重新排序，并将其存储在掩星一侧。最终所有阵列都是有序的，这样使得第一个样本是碰撞参数最小的一个。如下图2所示，在进行相位校准之前需要检查是否有足够的高度范围以及时间差。首先找出切点高度覆盖卫星轨道高度以下150km(默认值；可以在parms文件中更改)高度至1km(默认值；可以在parms文件中更改)高度范围的掩星。如果数据不落在这个范围内，则将掩星剔除。如果使用辅助侧(通过parms文件中的输入参数进行控制)的数据进行定标，则需要辅助侧的碰撞参数范围包含掩星侧的碰撞参数，否则丢弃掩星。在检查时间差方面，因为时间间隔可能与较大的周跳有关，数据在掩星侧和辅助侧都进行时间间隔检查。时间差的识别取决于采样率(采样率必须在parms文件中正确指定),若探测到任何时间间隔掩星就会被丢弃。为对相位进行校准将辅助侧的相位数据样条插值到掩星侧的碰撞参数网格上。其中为正确处理相位接近轨道高度的函数形式(平方根形式0),将相位的平方作为碰撞参8式1包括从掩星侧相位数据中减去插值后的辅助相位数据。假设掩星平面和近地轨道平面择使用校准模式0也称为准校准这种校准方法比模式1校准稍微复杂一些。当选择模式0校对含有最大碰撞参数的样本进行识别，判断参数样本中是否包含正高度角样本。对负高度角数据(掩星侧)和正高度角数据(辅助侧),将碰撞参数和相位阵列(以9度至1km(默认值；可以在parms文件中更改)高度范围的掩星。如果数据不落在这个范围内，则将掩星剔除。如果使用辅助侧(通过parms文件中的输入参数进行控制)的数据进行定标，则需要辅助侧的碰撞参数范围包含掩星侧的碰撞参数，否则丢弃掩星。这样通过设定切点高度范围对掩星进行筛选，能够剔除不符合要求的数据，减少无关数据对分析结果的干扰。确保用于研究和分析的数据集中在特定的高度范围内，提高数据的质量和有效性。同时，对辅助侧数据的碰撞参数范围进行检查，保证了数据定标的准确性，使分析结果更可靠。[0030]5.时间差掩星功能对数据进行时间差检查，因为时间间隔可能与较大的周跳有关，数据在掩星侧和辅助侧都进行时间间隔检查。时间差的识别取决于采样率(采样率必须在parms文件中正确指定),若探测到任何时间间隔掩星就会被丢弃。这样通过对数据进行时间差检查，能够及时发现与较大周跳有关的数据问题。由于周跳可能会影响数据的准确性和连续性，通过丢弃存在时间间隔问题的掩星数据，可以保证分析数据的质量，避免因数据误差导致的错误[0031]6.样条插值功能将辅助侧的相位数据样条插值到掩星侧的碰撞参数网格上。其中为正确处理相位接近轨道高度的函数形式(平方根形式0),将相位的平方作为碰撞参数的函数进行插值。[0032]定义了一个300级的规则高度网格，对轨道坐标和切点坐标进行插值。[0033]这样将辅助侧的相位数据样条插值到掩星侧的碰撞参数网格上，并对轨道坐标和切点坐标进行插值，能够在不同的数据之间建立更平滑的联系。特别是对相位平方进行插值，能更好地处理接近轨道高度的函数形式，提高数据的分辨率和精度。定义规则高度网格进行插值，有助于统一数据的格式和尺度，方便后续的数据分析和比较。根据所选的校准模式(parms文件中的0或1)校准相位数据。校准模式1包括从掩星侧相位数据中减去插值后的辅助相位数据。假设掩星平面和近地轨道平面接近重合，电离层在数据收集期间没有明显变化。因此模式1校准允许估计LEO轨道内的掩星TEC,即不包括GPS卫星高度与辅助侧LE0高度之间的TEC。当没有辅助侧的数据时，可以选择使用校准模式0也称为准校准这种校准方法比模式1校准稍微复杂一些。当选择模式0校准时，从掩星侧所有样本