CN120214843A 一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm-GNSS电离层层析法

(19)国家知识产权局(10)申请公布号CN120214843A(71)申请人杭州电子科技大学地址310018浙江省杭州市钱塘区白杨街道2号大街1158号(72)发明人林炜苏明坤孙祺程杜俊瑶(54)发明名称一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm/GNSS电离层层析法本发明公开了一种基于混合格网和加权水演区域的有效观测射线数据库；然后建立有效观测射线系数矩阵；进而根据观测射线系数矩阵和由IRI经验模型获得的电子密度初值计算得到域电子密度修正；最后反演区域电子密度修正附加垂直及水平约束，将处理后的电子密度值作为最终的电离层层析结果。该方法能够有效克服因忽略不同区域格网分辨率选取、水平约束权值分采集测量日的采集测量日的GNSS原始观测数据从精密星历文件中提取GNSS卫星的位置从观测文件中提取接收站的位置、伪距、载波相位等原始观测值通过载波相位和伪距计算电离层TEC实测值分测站分卫星排列卫星-接收站连线的电离层TEC实测值，以文本形式存储在本地电脑中输出有效观测射线数据库21.一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm/GNSS电离层层析法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、建立反演区域的有效观测射线数据库，所述有效观测射线为地基接收站和GNSS导航卫星的连线，所述有效观测射线的数据包括该条有效观测射线对应接收站的位置和名称、对应卫星的位置和卫星号，以及电离层TEC实际值，所述有效观测射线数据库中每一行代表一条有效观测射线的数据，并按数据排列顺序给每条有效观测射线进行编码；步骤2-1、将反演区域划分为低分辨率立体网格；步骤2-2、计算反演区域有效观测射线与所有立体网格的截距值，将反演区域内位于相同高度的所有立体网格视为同一立体网格层，根据有效观测射线穿过每个立体网格层的次数，将该立体网格层中的所有立体网格自适应调整为高分辨率立体网格；步骤2-3、重新计算有效观测射线与所有高分辨率立体网格的截距值；步骤2-4、根据穿过有效观测射线的编码和截距长度排列立体网格，并采用IRI经验模型作为立体网格的电子密度初值，最终输出观测射线系数矩阵；所述观测射线系数矩阵的每一行代表一条观测射线，每一列对应一个立体网格，每行中元素的排列顺序对应于立体网格的编码顺序；步骤3、根据观测射线系数矩阵和由IRI经验模型获得的电子密度初值计算得到TEC预测值，采用乘法代数重构法，利用TEC预测值与TEC实测值的比值修正各个立体网格的电子密度，对立体网格电子密度进行多轮迭代更新，直至达到收敛条件，得到反演区域重构后的电子密度值；步骤4、基于Swarm卫星观测数据得到反演区域电子密度修正；步骤5、反演区域电子密度修正附加垂直及水平约束，将处理后的电子密度值作为最终的电离层层析结果。2.根据权利要求1所述的一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm/GNSS电离层层析从精密星历文件中提取测量日反演区域内GNSS导航卫星的位置，所述GNSS原始观测数据包括测量日反演区域内GNSS导航卫星的经纬高位置、地基接收站的经纬高位置、时间、伪距、载波相位。3.根据权利要求2所述的一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm/GNSS电离层层析法，其特征在于，所述有效观测射线的TEC实际值通过载波相位和伪距计算得到，将有效观效观测射线编号，进而得到有效观测射线数据库。4.根据权利要求2所述的一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm/GNSS电离层层析法，其特征在于，所述步骤2-1中，对反演区域进行立体网格划分的度、纬度、高度方向上分别划分为d,f,r个立体网格，即整个反演区域被划分为d×f×r个立体网格，再按照先沿经度，再沿纬度，最后沿高度的顺序对立体网格由小到大依次进行编5.根据权利要求1所述的一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm/GNSS电离层层析36.根据权利要求5所述的一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm/GNSS电离层层析将反演区域内位于相同高度的所有立体网格视为同一立体网格层，统计每个立体网格层的所有立体网格被有效观测射线穿过的次数，将有效观测射线穿过次数较高的前50%的7.根据权利要求4所述的一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm/GNSS电离层层析首先，求得有效观测射线与每个立体网格的交点坐标后，筛选出有两个交点的立体网格，两个交点表示为P1(X₁,Y₁,Z₁)和P2(X₂,Y₂,Z₂),根据两点间距离公式计算出射线在8.根据权利要求1所述的一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm/GNSS电离层层析<γ<1,用来控制收敛的速度。9.根据权利要求1所述的一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm/GNSS电离层层析正后的电子密度值。10.根据权利要求7所述的一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm/GNSS电离层层值替换为Swarm卫星测量的高精度电子密度实测值，若同一立体网格被多颗Swarm卫星穿411.根据权利要求1所述的一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm/GNSS电离层层首先，通过对低分辨率立体网格进行细分将原先混然后，将位于相同经纬位置连续高度的立体网格划分为同有立体网格对应的电子密度反演值和立体网格中心高度值作为式中，为编号j的低分辨率立体网格细分成的第m个子立体网格的电子密度，由13.根据权利要求1所述的一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm/GNSS电离层层5式中，9为邻域立体网格的总个数，Pi为邻域立体网格中第个立体网格穿过观测射线的数量，ti为邻域立体网格中第i个立体网格的权重因子，为修正第j个立体网格时其6技术领域[0001]本发明涉及导航卫星遥感反演领域，具体是一种基于混合格网和加权水平约束的背景技术[0002]电离层，是地球大气层中距离地表约60千米至2000千米的高空区域，由大气分子在太阳辐射和宇宙射线作用下发生电离而形成，主要包含自由电子、正离子和负离子，具有显著的时空变化特征。电离层不仅是地球空间环境的重要组成部分，也是无线电信号传播的关键介质，其电子密度分布直接影响卫星导航信号的传播路径和精度，同时对短波通信、雷达探测等技术系统的性能具有决定性作用。因此，研究并构建高精度电离层延迟修正模型，可以显著降低卫星导航定位误差，以及优化无线电通信链路设计，减少信号传播中断风险，是当前电离层层析亟需解决的重要问题。[0003]当前，电离层层析方法主要有三类。第一类方法是利用地面探测仪的层析方法，通过电离层测高仪或斜侧仪发射电磁波并接收电离层反射信号来获取电子密度等参数，尽管可获得较高的精度，但水平分辨率不足，无法满足大范围测量。第二类方法是无线电掩星的层析方法，当发生掩星事件时，GPS卫星向LEO卫星发射的信号经过折射后被接收，通过分析接收信号的相位时延等信息，可以获取电离层参数，其优势在于全球覆盖且垂直分辨率高，但掩星事件的空间分布受卫星轨道限制，单次探测仅覆盖特定路径，空间连续性较差。第三类是基于GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)导航卫星进行电离层层析，该方法利用GNSS卫星的观测数据提取电离层的TEC(TotalElectronContent),从而实时获取大范围的电离层电子密度。然而，现有方法没有考虑有效观测射线在反演区域中的非均匀分布，往往采用统一的格网分辨率，导致个别格网穿过有效观测射线过量或不足，降低层析精度。同时，现有方法没有考虑有更多射线穿过的格网相对于更少甚至无射线穿过的格网具有更高的可信度和可依赖性，而采用统一权重的均值平滑水平约束，导致层析精度降低。此外，现有方法往往仅采用单一的GNSS数据源，忽略了地面测站数量有限且分布不均匀带来的观测信息不足的影响，导致反演出现不适定、结果精度不高的问题。发明内容[0004]本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm/GNSS电离层层析法，该方法能够有效克服因忽略不同区域格网分辨率选取、水平约束权值分配、单一数据源信息缺乏等影响而导致的反演精度低、初值依赖严重等问题。通过分层自适应调整格网分辨率，提升电离层反演的稳定性和可靠性。通过国际参考模型(InternationalReferenceIonosphere,IRI)作为迭代的初值，提高反演的收敛速度和精确度。采用乘法代数重构法(MultiplicativeAlgebraicReconstructionTechnique,MART)对格网电子密度值进行修正，解决了反演过程中出现的秩亏问题。通过Swarm卫星携7带的电子密度探测器，精确修正运动路径的电子密度，减少了重建电离层的误差。采用每一层格网采用非等权水平约束，有效克服对初值依赖的问题，提升重建电离层的平滑性。[0005]为了实现上述目的，本发明具体采用的技术方案如下：[0006]一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm/GNSS电离层层析法，包括如下步骤：[0007]第一步：建立有效观测射线数据库。利用大地测量型接收机采集测量日的GNSS原始观测数据。从精密星历文件中提取测量日反演区域内GNSS导航卫星的位置，从观测文件中提取反演区域内地基接收站的位置、时间、伪距、载波相位等原始观测值。并通过伪距和载波相位计算出相应历元时刻的卫星-接收站连线的高精度电离层TEC值，作为后续解算中离层TEC值按照时间顺序分测站分卫星排列，建立有效观测射线数据库，该数据库以文本的形式存储在本地电脑中。三维进行低分辨率格网化处理，得到若干个三维的立体网格，并假设每个三维立体网格内的电子密度短时间内均为常量，其中经纬度单位划分为度、高度划分为千米。其次，计算反演区域内有效观测射线(即第一步建立好的有效观测射线数据库)与层析模型格网空间内各个立体网格的截距值。由于单个立体网格中有效观测射线过量或为零都会直接影响该立体网格后续被观测射线迭代更新的情况，所以对立体网格空间进行分层自适应调整分辨率，将相同高度的立体网格划分为同一立体网格层，对于穿过有效观测射线数量少的立体网格层仍然保留原先的低分辨率，穿过射线数量更多的立体网格层则改为更高分辨率，并重新计算有效观测射线在该层立体网格内的截距值。然后，根据立体网格的划分顺序进行编码，并利用立体网格内有效观测射线的截距长度，构造观测射线系数矩阵。最后，根据反演区域、反演时间和立体网格尺度，从IRI经验模型中提取测量日的电离层电子密度，作为电离层层析的初始估计。[0009]第三步：迭代算法完成反演区域电子密度的重构。迭代算法采用基于最大熵原理的乘法代数重构法，通过有效观测射线穿过各个立体网格的截距值(即第二步建立的观测射线系数矩阵)和各个立体网格的电子密度初值(第二步中求出)可得出该观测射线传播路径上的电离层TEC预测值，将其与基于GNSS观测数据提取的电离层TEC实测值(第一步中求出)进行相除，将比值通过一定的比例分配到该观测射线所穿过立体网格的电子密度值中，将反演区域内全部有效观测射线穿过的立体网格均更新一次称为一轮迭代，以此类推，对反演区域立体网格空间的电子密度进行多轮迭代更新，逐步改善反演区域电离层的初始估计，直至达到收敛条件迭代终止，得到反演区域重构后的电子密度值。[0010]第四步：基于Swarm卫星观测数据的反演区域电子密度修正。利用Swarm卫星接收机获取测量日的原始观测数据，主要包括Swarm的A,B,C三颗卫星的运动时间、运动位置和其携带的朗缪尔探针测量的原位电子密度值。根据上述信息分析A,B,C三颗Swarm卫星的运动轨迹，筛选出在反演区域立体网格空间内的运行路径，将其路径穿过的立体网格电子密度修正为该时刻朗缪尔探针实测的高精度电子密度，替代了原本基于GNSS观测数据的反演值(第三步中求出),通过Swarm/GNSS多源数据融合改善了单一数据源观测信息不足导致的估算偏差问题，有效提高重建电离层的精确度和可靠性。8[0011]第五步：反演结果附加垂直及水平约束。针对观测噪声的影响，体网格空间采用Chapman函数垂直约束。将位于同一经纬位置连续高度的立体网格划分为格网束，用最小二乘法拟合各格网束中立体网格电子密度与高度的Chapman函数关系式，并在拟合过程中调整Chapman函数参数使生成的Chapman函数式与Swarm卫星实测电子密度值(第四步中求出)更贴合，提升拟合的准确性。各格网束再基于其拟合的Chapman函数重构其垂直方向的电子密度，实现垂直方向上的精确约束。针对反演结果初值依赖的问题，采用考虑有效观测射线分布情况的非等权水平约束。利用邻域范围内立体网格的电子密度值对中心立体网格的电子密度值进行约束改正，由此控制中心立体网格与相邻立体网格的电子密度差值。同时，由于有更多观测射线穿过的立体网格相对于更少甚至无射线穿过的立体网格具有更高的可信度和可依赖性，所以根据邻域立体网格穿过有效观测射线的数量来划分对中心立体网格的约束权值。按上述方法对反演区域内各立体网格进行水平约束，将处理后的电子密度值作为最终的电离层层析结果。[0012]经过上述电离层层析算法处理，可有效解决现有方法因忽略不同区域立体网格分辨率选取、水平约束权值分配、单一数据源信息缺乏等影响而导致的反演精度低、初值依赖严重等问题，有效提高电离层层析的实时性、精确性和稳定性，为电离层的重构提供保障。[0013]研究顾及不同区域立体网格分辨率的选取、水平约束的权重分配、单一数据源观测信息的不足对电离层层析精度的影响，有效解决电离层层析的结果精度低、反演对初值依赖严重等问题，不仅可以满足电离层层析时间和空间分辨率要求，同时也可以满足层析的精确度、实时性和稳定性等要求，为电离层层析提供强有力的支撑。[0014]本发明具有以下的特点和有益效果：[0015]采用本发明所述方法，可利用现有Swarm卫星/GNSS导航系统卫星对电离层进行层析，与现有基于地面探测仪以及无线电掩星的层析方法相比，既可以解决水平分辨率不足，无法满足大范围测量等问题，又可以解决受卫星轨道限制，空间连续性较差等问题。与现有基于GNSS导航卫星的层析方法相比，既可以解决不同区域立体网格分辨率选取对迭代反演精确度影响等问题，又可以解决水平约束时忽略立体网格可信度、单一数据源信息缺乏而导致的反演精度低、初值依赖严重等问题。通过分层自适应调整立体网格分辨率，使有效观测射线在立体网格中均匀分布，保证各个立体网格得到充分的迭代修正，提升电离层反演的稳定性和可靠性。通过IRI模型作为迭代的初值，提高反演的收敛速度和准确性。采用乘法代数重构法对立体网格电子密度值进行修正，改善了反演过程中出现的秩亏问题。通过Swarm卫星携带的朗缪尔电子密度探针，精确修正了反演区域内其经过立体网格的电子密度，提升了重建电离层的精确度。采用Chapman函数垂直约束，削弱观测噪声的影响并提高重建电离层的垂直精度。对每一层立体网格采用非等权水平约束，通过立体网格穿过有效观测射线的数量确定其权值，使更有可信度的立体网格被赋予更高权值，克服了未被观测射线穿过并更新的立体网格产生的负面约束和反演的初值依赖问题，进一步保证电离层层附图说明[0016]图1基于GNSS观测数据的有效观测射线数据库建立流程图[0017]图2基于分层自适应立体网格的观测射线系数矩阵建立流程图9[0018]图3基于乘法代数重构法的电子密度迭代反演流程图[0019]图4基于Swarm卫星观测数据的电子密度修正流程图[0020]图5基于Chapman函数垂直约束与非等权水平约束的反演结果优化流程图。具体实施方式[0021]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。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。[0022]一种基于混合格网和加权水平约束的Swarm/GNSS电离层层析法，包括如下步骤：[0023]步骤1:提取GNSS导航卫星的原始观测数据，建立有效观测射线数据库。[0024]具体的，如图1所示，提取的原始观测数据主要包括测量日反演区域内GNSS导航卫导航卫星的位置可以从精密星历文件中直接提取，反演区域内地基接收站的位置、时间、伪距和载波相位可以从观测文件中直接提取。地基接收站和GNSS导航卫星的连线称为有效观测射线，对应历元时刻有效观测射线的高精度电离层TEC可以通过载波相位和伪距计算得到。该过程属于定位领域常识，这里不再详细列举计算过程。分时间分测站分卫星分别计算其有效观测射线的高精度电离层TEC实际值，按照时间顺序排列每条有效观测射线的数据并按排列顺序对有效观测射线进行编号，所述有效观测射线的数据包括该条有效观测射线对应接收站的位置和名称、对应卫星的位置和卫星号，以及电离层TEC实际值，建立数据库，以文本的形式存储在本地电脑中。这里提取的高精度电离层TEC值称为电离层TEC实测值，为方便后续陈述，在后续步骤中用TECR表示。地基接收站的经度、纬度、高度分别表示为[0025]步骤2:对反演区域进行格网划分并建立观测射线系数矩阵。传统方法采用统一的立体网格分辨率，没有考虑个别立体网格穿过有效观测射线数量超过最佳反演量或为零，导致层析精度降低。因此，这里采用考虑有效观测射线分布情况的分层自适应立体网格分[0026]首先，将反演区域划分为低分辨率的立体立体网格，通过低分辨率减少了穿过观测射线数量为零的立体网格，改善立体网格未能被射线更新导致的初值依赖问题。将反演区域在经度、纬度、高度方向上分别划分为d,f,r个低分辨率的立体网格，其中低分辨率的立体网格具体指的是：经度跨度2度、纬度跨度2度、高度跨度50千米的立体网格；即整个反演区域被划分为d×f×r个立体网格，其中经纬度单位划分为度、高度单位划分为千米。再按照先沿经度，再沿纬度，最后沿高度的顺序对立体网格由小到大依次进行编号，每个立体网格的位置由其中心的经度Xg、纬度Yg、高度Zg表[0027]其次，求解观测射线系数矩阵，即求出每条射线在立体网格内的截距值并存放在与立体网格位置对应的矩阵中，在求解过程中，为了提高层析模型的反演精度，把地球作为理想条件下规则的椭球体，在地球椭球坐标系中进行解算，其中该椭球体的长半轴a=[0028]1)计算有效观测射线的直线方程。在地球椭球坐标系中，根据地基接收站的空间坐标(Xt,Yt,Zt)(步骤1中求出),和GNSS导航卫星的空间坐标(Xs,Ys,Zs)(步骤1中求[0031]2)解算有效观测射线与每个立体网格的交点坐标。每个立体网格均由六个面构[0032]经度面与纬度面垂直且均穿过上述地球椭球坐标系的Z轴，确定地球椭球坐标系[0042]3)计算有效观测射线截距值。求得有效观测射线与每个立体网格的交点坐标后，筛选出有两个交点的立体网格，两个交点表示为P1(X₁,Y₁,Z₁)和P2(X₂,Y₂,Z₂),根据两点间距离公式计算出射线在该立体网格内的截过率。将每一立体网格层的射线穿过率从大到小进行排序，位于前50%的立体网格层则为网格层内的立体网格，将反演区域内位于相同高度的所有立体网格视为同一立体网格层，数较高的前50%的立体网格层进行立体网格再划分，即将该立体网格层的每个立体网格的测射线在立体网格内的截距值(步骤2中求出)与上一次迭代计算的电子密度值相乘即可得离层TEC实测值(步骤1中求出),ai为观测射线系数矩阵(步骤2中求出)的第i个行向量，对应为第i条观测射线在第j个立体网格内的截距，γ是迭代的松弛因子，0<γ<1,用来控制收敛的速度，本案例中γ=0.2。当每条观测射相应时刻卫星位置的高精度电子密度值。通过Swarm卫星的高精度测量值对反演后立体网[0055]2)筛选出Swarm卫星在反演区域内的运动路径。将运动路径数据库中Swarm卫星的位置(Xw,Yw,Zw)和反演区域的经纬高范围进行对比，将位于反演区域外的[0056]3)根据运动路径数据库中Swarm卫星的位置(Xw,Yw,Zw)得到其位于的立体网[0057]步骤6:对反演区域内的立体网格空间附加Chapman函数垂直约束。由于受到观测剖面特征的Chapman函数给立体网格空间的电子密度附加垂直约束，提升重建电离层的精[0058]1)统一立体网格分辨率。本案例电离层层析的立体网格空间为低分辨率和高分辨率立体网格的混合组合，由于Chapman函数垂直约束时需要用统一分辨率的立体网相同，即一个低分辨率立体网格细分后得到八个与原先电子密度相同的高分辨率立体网通过对