CN110456391A - 一种基于北斗geo卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了空间技术领域的一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法。其技术方案是，采集GNSS多***观测数据，通过平滑差分得到电离层斜TEC；基于GNSS多***观测数据，计算单站多***多星穿透点处地理经纬度和仰角；结合北斗GEO卫星观测，通过电离层斜TEC和穿透点处的仰角构建观测方程；根据太阳活动F107指数对单站电离层垂直TEC取值范围进行约束，计算单站多***多星的硬件延迟和电离层垂直TEC。本发明的有益效果是，基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法可以快速和准确地计算GNSS硬件延迟，对进一步获取高精度电离层垂直TEC，提高电离层空间环境监测水平具有重要价值。

Description

一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算 方法
技术领域
本发明属于GNSS硬件延迟计算方法设计领域，尤其涉及一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法。
背景技术
电离层总电子含量(Total Electron Content，TEC)是描述电离层结构、状态和变化的最重要的参量之一。利用GNSS测量电离层TEC的最大误差为GNSS***的硬件延迟，因此，准确计算出GNSS***的硬件延迟是利用GNSS-TEC开展电离层研究的基础。
以往的文献针对GNSS***硬件延迟的问题从不同方面进行了讨论，其研究方法主要分为三类：(1)利用标定好的GNSS接收机对即将出厂的GNSS接收机硬件延迟进行标定；(2)将GNSS卫星和接收机硬件延迟在一段时间窗口内假定为一个常数，通过相应的电离层模型来描述电离层垂直TEC，并结合GNSS观测数据，求解GNSS***的硬件延迟和电离层垂直TEC；(3)利用密集的GNSS观测台站数据，假定一定时空范围内网格点上空的垂直TEC相等，通过观测方程求解网格上空的垂直TEC和GNSS***的硬件延迟。以上三类方法都存在一定的局限性，第一种方法存在观测一段时间后，GNSS接收机硬件延迟出现误差大的现象；第二种方法依赖于电离层模型的精度，当电离层模型不能准确地描述电离层TEC的变化，计算的GNSS***硬件延迟将存在较大的误差；第三种方法虽然解算GNSS***硬件延迟精度高，但存在着求解速度慢的问题，不能满足实际应用的需求。
针对以上三种方法的局限性，我们提出了一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法，该方法充分利用单站GPS、GLONASS和BDS多***多星的观测数据，选择具有长时间连续性强的北斗GEO卫星观测作为约束，用于单站多***多星硬件延迟的解算，有效减少了GNSS硬件延迟计算时间，提高了GNSS硬件延迟计算的效率和准确性，为后续电离层TEC的科学研究与工程应用提供可靠数据和发挥关键作用。
发明内容
针对上述背景技术中提到的传统方法在GNSS***硬件延迟求解精度与解算速度上的不足，本发明提出了一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法。
一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：采集GNSS多***观测数据，通过平滑差分计算电离层斜TEC；
步骤2：基于GNSS多***观测数据，计算单站多***多星穿透点处地理经纬度和仰角；
步骤3：利用北斗GEO卫星的观测，构建电离层TEC观测方程；
步骤4：基于当前太阳活动F107指数约束电离层垂直TEC的范围，利用三角分解方法求解单站多***多星的硬件延迟和电离层垂直TEC。
步骤1中，电离层斜TEC的计算公式：
其中，STECi为第i时刻GNSS接收机观测的电离层斜TEC，c为光速，f1与f2为GNSS采集数据的两个观测频率，Φ1与Φ2为GNSS采集的相位值，P1与P2为GNSS采集的伪距值，N为电离层斜TEC数据序列的个数。
步骤2中，单站多***多星穿透点处地理经纬度和仰角的计算公式为：
lati＝arcsin(sin(lat)cos(psi))+cos(lat)sin(psi)cos(azi)
其中，lon，lat为观测台站的地理经纬度，ele，azi为台站处相对于GNSS卫星的仰角和方位角，Re为地球半径，h为电离层高度。
步骤3中，观测方程如下：
其中，为i时刻第j台接收机相对于第k颗卫星观测的电离层斜TEC，为i时刻第j台接收机相对于第k颗卫星观测的电离层垂直TEC，为i时刻第j台接收机相对于第k颗卫星穿透点处的仰角，为第j台接收机与第k颗卫星硬件延迟。
步骤4：基于当前太阳活动F107指数约束电离层垂直TEC的范围，单站多***多星的硬件延迟和电离层垂直TEC求解公式如下：
其中，为第j台接收机与第k颗卫星硬件延迟，为i时刻第j台接收机相对于第k颗卫星观测的电离层斜TEC，为i时刻第j台接收机相对于第k颗卫星穿透点处的仰角，U和L分别为通过三角分解矩阵获得的上三角矩阵与下三角矩阵，为i时刻第j台接收机相对于第k颗卫星观测的电离层垂直TEC，基于太阳活动F107指数约束的单站垂直TEC取值范围如表1所示。
本发明的有益效果是，基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法可以快速和准确地计算GNSS硬件延迟，对进一步获取高精度电离层垂直TEC，提高电离层空间环境监测水平具有重要价值。
表1求解单站垂直TEC的范围约束
附图说明
图1是本发明提供的一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法平滑差分GNSS观测参量计算的电离层斜TEC曲线图。
图2是本发明提供的一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法计算的单站多***多星穿透点处地理经纬度分布。
图3是本发明提供的一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法计算的单站多***多星硬件延迟在一天内的分布图。
图4是本发明提供的一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法计算的单站多***多星电离层垂直TEC在一天内的分布图。
图5是本发明提供的一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法计算的单站多***多星电离层垂直TEC在2016年的分布图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
以某GNSS观测站实测数据为例，利用GNSS三***接收机采集观测站处的伪距、相位等数据，执行以下步骤：
步骤1：利用GNSS观测参量平滑差分获得电离层斜TEC：
其中i＝1，2，...682，N＝682，P1，i与P2，i分别为第i时刻的两个频率上的伪距观测量，Φ1，i与Φ2，i分别为第i时刻的两个频率上的相位观测量。STEC1为通过平滑差分获得第1时刻第1号卫星观测的电离层斜TEC，其值为-27.51380TECU。
图1显示了本发明提供的一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法平滑差分GNSS观测参量计算的电离层斜TEC曲线图。
步骤2：基于GNSS多***观测数据，计算单站多***多星穿透点处地理经纬度和仰角：
lati＝arcsin(sin(laat)cos(psi))+cos(lat)sin(psi)cos(azi)
lati＝arcsin(sin(38.8883)cos(psi))+cos(38.8883)sin(psi)cos(227.3586)
其中psi为-3.2200，计算获得的穿透点处地理纬度lati为35.9786度，透点处的地理经度loni为111.6935度，穿透点处的仰角elei为41.7522度。
图2显示了本发明提供的一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法计算的单站多***多星穿透点处地理经纬度分布。
步骤3中，利用步骤1和步骤2得到的电离层斜TEC和穿透点处的仰角构建观测方程，具体如下：
i＝1，2，...682
j＝1
k＝1，2，...12
其中，i表示第i时刻，共有682个时刻，j表示第j台接收机，j为1，k为第k颗GNSS颗卫星，共有12颗卫星，为i时刻第j台接收机相对于第k颗卫星观测的电离层垂直TEC，为i时刻第j台接收机相对于第k颗卫星穿透点处的仰角，为第j台接收机与第k颗卫星硬件延迟，为i时刻第j台接收机相对于第k颗卫星观测的电离层斜TEC。
步骤4：基于当前太阳活动F107指数约束电离层垂直TEC的范围，计算单站多***多星的硬件延迟和电离层垂直TEC：
其中，为i时刻第j台接收机相对于第k颗卫星观测的电离层斜TEC，U和L分别为通过三角分解4092个穿透点处仰角构建的矩阵获得的上三角矩阵与下三角矩阵；根据当时太阳活动F107指数，垂直TEC的取值范围为[0，150]，计算第1号GNSS观测站接收机与第1号卫星的硬件延迟为-32.4100TECU，对应于第1号GNSS观测站接收机与第1号卫星在世界时16:36观测的电离层垂直TEC为6.6466TECU。
图3显示了本发明提供的一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法计算的单站多***多星硬件延迟在一天内的分布图。
图4显示了本发明提供的一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法计算的单站多***多星电离层垂直TEC在一天内的分布图。
图5显示了本发明提供的一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法计算的单站多***多星电离层垂直TEC在2016年的分布图。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：采集GNSS多***观测数据，通过平滑差分计算电离层斜TEC；
步骤2：基于GNSS多***观测数据，计算单站多***多星穿透点处地理经纬度和仰角；
步骤3：利用北斗GEO卫星的观测，构建电离层TEC观测方程；
步骤4：基于当前太阳活动F107指数约束电离层垂直TEC的范围，利用三角分解方法求解单站多***多星的硬件延迟和电离层垂直TEC。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法，其特征在于，所述步骤1中，电离层斜TEC的计算公式：
其中，STECi为第i时刻GNSS接收机观测的电离层斜TEC，c为光速，f1与f2为GNSS采集数据的两个观测频率，Φ1与Φ2为GNSS采集的相位值，P1与P2为GNSS采集的伪距值，N为电离层斜TEC数据序列的个数。
3.根据权利要求1所述的一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法，其特征在于，步骤2中，单站多***多星穿透点处地理经纬度和仰角的计算公式为：
lati＝arcsin(sin(lat)cos(psi))+cos(lat)sin(psi)cos(azi)
其中，lon，lat为观测台站的地理经纬度，ele，azi为台站处相对于GNSS卫星的仰角和方位角，Re为地球半径，h为电离层高度。
4.根据权利要求1所述的一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法，其特征在于，步骤3中，观测方程如下：
其中，为i时刻第j台接收机相对于第k颗卫星观测的电离层斜TEC，为i时刻第j台接收机相对于第k颗卫星观测的电离层垂直TEC，为i时刻第j台接收机相对于第k颗卫星穿透点处的仰角，为第j台接收机与第k颗卫星硬件延迟。
5.根据权利要求1所述的一种基于北斗GEO卫星约束的单站多***多星硬件延迟计算方法，其特征在于，步骤4中，单站多***多星的硬件延迟和电离层垂直TEC求解公式如下：
其中，为第j台接收机与第k颗卫星硬件延迟，为i时刻第j台接收机相对于第k颗卫星观测的电离层斜TEC，为i时刻第j台接收机相对于第k颗卫星穿透点处的仰角，U和L分别为通过三角分解矩阵获得的上三角矩阵与下三角矩阵，为i时刻第j台接收机相对于第k颗卫星观测的电离层垂直TEC，基于太阳活动F107指数约束的单站垂直TEC取值范围如表1所示。
表1 求解单站垂直TEC的范围约束
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