CN117055079B - 总电子含量确定方法、装置、电子设备及可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种总电子含量确定方法、装置、电子设备及可读存储介质，该方法包括：获取伪距观测值和载波相位观测值；其中，伪距观测值和载波相位观测值由低轨道地球LEO卫星上搭载的全球导航卫星***GNSS接收机接收得到；根据伪距观测值和载波相位观测值建立目标方程，目标方程中包括目标系数和接收机端伪距码偏差；求解目标方程中的目标系数的目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值；根据伪距观测值、目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值，确定电离层的垂直总电子含量VTEC。
Description
技术领域
本申请属于信息处理技术领域，尤其涉及一种总电子含量确定方法、装置、电子设备及可读存储介质。
背景技术
目前，地球电离层作为日地空间环境的重要组成部分，对人类的生产和生活都有着重要的影响。由于宇宙或太阳活动的影响，电离层区域的带电粒子会变得异常活跃，对于导航定位而言，电波信号经过电离层时产生的信号延迟误差将达到数米到数百米，这会严重限制卫星导航定位服务。其中，总电子含量(Total Electron Content，TEC)是测量地球大气中电离层密度的重要指标，该指标可以体现地球的大气电离层的厚度，也可以提供卫星通信的信号通道信息。因此，确定TEC对卫星导航意义重大。
为了研究方便，一般可以通过电离层投影函数将GNSS信号传播路径上的TEC转化为穿刺点天顶方向的总电子含量，即VTEC。
由于全球导航卫星***（Global Navigation Satellite System，GNSS）监测站需要建立在坚实稳定的地面上，而大部分的地球表面被海洋覆盖，因此地球大部分海洋区域上空无法进行有效监测，另外，随着人类航天航空技术的发展，未来将有越来越多的人造卫星发射入轨，在低轨卫星上搭载GNSS接收机不仅可以获取LEO精密位置信息，同时还可以获取GNSS电子总含量信息；GNSS TEC数据因其全球覆盖、高精度和高时空分辨率等优点、可作为重要的空间天气研究的产品之一。
发明内容
本申请实施例提供一种总电子含量确定方法、装置、设备及可读存储介质，能够解决目前电离层VTEC的监测范围受限且精度不高的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种总电子含量确定方法，该方法包括：
获取伪距观测值和载波相位观测值；其中，伪距观测值和载波相位观测值由低轨道地球LEO卫星上搭载的全球导航卫星***GNSS接收机接收得到；
根据伪距观测值和载波相位观测值建立目标方程，目标方程中包括目标系数和接收机端伪距码偏差；
求解目标方程中的目标系数的目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值；
根据伪距观测值、目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值，确定电离层的垂直总电子含量VTEC。
第二方面，本申请实施例提供一种总电子含量确定装置，该装置包括：
获取模块，用于获取伪距观测值和载波相位观测值；其中，伪距观测值和载波相位观测值由LEO卫星上搭载的GNSS接收机接收得到；
建立模块，用于根据伪距观测值和载波相位观测值建立目标方程，目标方程中包括目标系数和接收机端伪距码偏差；
求解模块，用于求解目标方程中的目标系数的目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值；
确定模块，用于根据伪距观测值、目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值，确定电离层的VTEC。
第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，该设备包括：处理器以及存储有计算机程序指令的存储器；处理器执行计算机程序指令时，实现如第一方面或者第一方面的任一可能实现方式中的方法。
第四方面，本申请实施例提供了一种可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，计算机程序指令被处理器执行时实现如第一方面或者第一方面的任一可能实现方式中的方法。
本申请实施例中，通过获取伪距观测值和载波相位观测值；其中，伪距观测值和载波相位观测值由低轨道地球LEO卫星上搭载的全球导航卫星***GNSS接收机接收得到；这里，在轨运行的LEO能够全球飞行，相应地，在轨运行的LEO上搭载的GNSS接收机也随之全球移动，因此可实现海洋区域上空的电离层监测，提升监测范围，解决目前电离层VTEC的监测范围受限的问题；根据伪距观测值和载波相位观测值建立目标方程，目标方程中包括目标系数和接收机端伪距码偏差；然后，求解目标方程中的目标系数的目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值，这里，能够快速准确地确定出目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值；最后，根据伪距观测值、目标系数值和求解出的高精度的接收机端伪距码偏差的偏差值，确定电离层的垂直总电子含量VTEC，由此，能够实现在LEO端对VTEC的实时高精度计算。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种总电子含量确定方法的流程图；
图2是本申请实施例提供的一种建立目标方程的流程图；
图3是本申请实施例提供的一种确定权重值的流程图；
图4是本申请实施例提供的一种总电子含量确定装置结构示意图；
图5是本申请实施例提供的一种电子设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本申请，并不被配置为限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
首先，对于本申请实施例涉及的技术术语进行介绍。
GNSS，又称全球卫星导航***，是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位***。其包括一个或多个卫星星座及其支持特定工作所需的增强***。
历元，是历法中标记时间的开始。在天文学是一些天文变数作为参考的时刻点，例如天球坐标或天体的椭圆轨道要素，因为这些会受到摄动而随着时间变化。
电离层（Ionosphere），是地球大气的一个电离区域。60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把磁层看作电离层的一部分。
对流层中的气体分子由于受到太阳等天体的各种辐射，产生强烈的电离，形成大量的自由电子和正离子，并且两者密度相等，带电粒子的存在将影响电磁波的传播，使传播速度发生变化，传播路径产生弯曲，从而使得信号传播时间At与真空中光速C的乘积不等于信号发出点到信号接收点的几何距离P，这种偏差即为所谓的电离层延迟或电离层折射误差。
电离层延迟的大小取决于信号传播路径上的总电子含量和信号的频率，而总电子含量又与时间、测站位置、太阳黑子数、季节、离地面高度等多个因素有关。与其他电磁波一样，当导航卫星信号通过电离层时，导航卫星信号的路径也要发生弯曲，传播速度也会发生变化。
带电粒子在物理学中是指带有电荷的微粒。它可以是次原子粒子，也可以是离子。
低轨道地球卫星（Low Earth Orbit Satellite，LEO）的运行轨道一般在距离地面400-2000公里之间。
GNSS的全称是全球导航卫星***（Global Navigation Satellite System），GNSS是对北斗***、GPS、GLONASS、Galileo***等这些单个卫星导航定位***和增强型***的统一称谓。
全球卫星定位***（Global Position System），在全球范围内进行定位、导航的***，称为GPS。
全球卫星导航***（GLObal Navigation Satellite System，GLONASS，GLONASS），也称格洛纳斯。
伽利略卫星导航***（GALILEO），是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位***，该计划于1999年2月由欧洲委员会公布，欧洲委员会和欧空局共同负责。
北斗卫星导航***（Beidou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航***，也是继GPS、GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航***。
准天顶卫星***（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）是以三颗人造卫星透过时间转移完成全球定位***区域性功能的卫星扩增***。
广播星历是由GNSS***的地面控制部分所确定和提供的，是导航卫星发播的无线电信号上载有预报一定时间内卫星轨道根数的电文信息。
地磁坐标，是天文学专有名词。磁层坐标系，根据地磁场的特征制定的各种坐标系。磁层内的过程受地磁场的控制，按照地磁场特征确定的坐标系可以比较简捷地描述这种过程。
接收机的硬件延迟(Differential Code Biases，DCB)是利用GNSS数据提取电离层TEC的主要误差源。
与接收机无关的交换格式（Receiver Independent Exchange Format，RINEX），是一种在GNSS测量应用中普遍采用的标准数据格式。该格式采用文本文件存储数据，数据记录格式与接收机的制造厂商和具体型号无关。
本申请实施例提供的总电子含量确定方法至少可以应用于下述应用场景中，下面进行说明。
地球电离层作为日地空间环境的重要组成部分，对人类生产生活都有着重要的影响。由于宇宙或太阳活动的影响，电离层区域的带电粒子会变得异常活跃，对于导航定位而言，电波信号经过电离层时信号延迟误差将达到数米到数百米，会严重限制卫星导航定位服务。
利用GNSS手段监测电离层常常采用地面监测站进行，由于GNSS监测站需要建立在坚实稳定的地面上，地球表面大部分被海洋覆盖，地面站无法均匀分布，对于地球大部分海洋区域上空无法进行有效监测。
随着GNSS四大导航***的完善与航天科技不断发展，未来LEO卫星数量会不断增加，其上搭载GNSS接收机的情况会比较多，在提供导航定位功能的同时，还可以对LEO轨道之上的电离层进行探测。
通常情况下，GNSS电离层TEC计算用到的双频电离层观测值中包含需要扣除的卫星端硬件码偏差和接收机端硬件码偏差。卫星端码偏差长期稳定性较好，可以按日/周/月为单位视为常数估计，而接收机端码偏差会因为周围环境（比如温度）变化出现日内波动变化，这给电离层延迟估计带来不利影响。
基于上述应用场景，下面对本申请实施例提供的总电子含量确定方法进行详细说明。
图1为本申请实施例提供的一种总电子含量确定方法的流程图。
如图1所示，该总电子含量确定方法可以包括步骤110-步骤140，该方法应用于总电子含量确定装置，具体如下所示：
步骤110，获取伪距观测值和载波相位观测值；其中，伪距观测值和载波相位观测值由低轨道地球LEO卫星上搭载的全球导航卫星***GNSS接收机接收得到；
步骤120，根据伪距观测值和载波相位观测值建立目标方程，目标方程中包括目标系数和接收机端伪距码偏差；
步骤130，求解目标方程中的目标系数的目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值；
步骤140，根据伪距观测值、目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值，确定电离层的垂直总电子含量VTEC。
本申请提供的总电子含量确定方法中，通过获取伪距观测值和载波相位观测值；其中，伪距观测值和载波相位观测值由低轨道地球LEO卫星上搭载的全球导航卫星***GNSS接收机接收得到；这里，在轨运行的LEO能够全球飞行，相应地，在轨运行的LEO上搭载的GNSS接收机也随之全球移动，因此可实现海洋区域上空的电离层监测，提升监测范围；根据伪距观测值和载波相位观测值建立目标方程，目标方程中包括目标系数和接收机端伪距码偏差；然后，求解目标方程中的目标系数的目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值，这里，能够快速准确地确定出目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值；最后，根据伪距观测值、目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值，确定电离层的垂直总电子含量VTEC，由此，能够实现在LEO端对VTEC的实时高精度计算。
下面，对步骤110-步骤140的内容分别进行描述：
涉及步骤110。
步骤110，获取伪距观测值和载波相位观测值；其中，伪距观测值和载波相位观测值由低轨道地球LEO卫星上搭载的全球导航卫星***GNSS接收机接收得到；
其中，获取到的伪距观测值精度一般是米级别的；载波相位观测值的精度一般是毫米级别的，因此需要采集伪距观测值和载波相位观测值，同时进行后续的计算。
其中，载波相位观测值是指GNSS观测信息，GNSS观测信息具体可以包括：GPS***双频观测值、GLONASS***双频观测值、GALILEO***双频观测值、BDS***双频观测值和QZSS***双频观测值，其采样间隔可以是0.1秒、1秒或者5秒等高频采样。
其中，导航***与伪距观测类型的对应关系如表1所示：
表1
在本申请的实施例中，获取由低轨道地球LEO卫星上搭载的GNSS接收机接收得到的伪距观测值和载波相位观测值，这里，在轨运行的LEO能够全球飞行，相应地，在轨运行的LEO上搭载的GNSS接收机也随之全球移动，因此可实现海洋区域上空的电离层监测，提升监测范围，解决目前电离层VTEC的监测范围受限的问题。
涉及步骤120。
步骤120，根据伪距观测值和载波相位观测值建立目标方程，目标方程中包括目标系数和接收机端伪距码偏差；
根据伪距观测值和载波相位观测值建立目标方程，如下所示：
其中，为权重矩阵、/>为相位平滑伪距矩阵，/>为第一矩阵，其中，第一矩阵中包括待估计的参数，/>为第二矩阵。权重矩阵、相位平滑矩阵，第一矩阵和第二矩阵均由伪距观测值、载波相位观测值确定得到。其中，伪距观测值和载波相位观测值的原始观测量可以表示为：
式中：c为光速；
s表示导航卫星，r表示LEO卫星。
，表示伪距观测值；
，表示载波相位观测值；
表示频率；/>表示星地距离；/>表示钟差；/>和/>表示对流层投影函数和天顶延迟量；/>和/>表示电离层延迟系数与延迟值；/>和/>分别表示伪距偏差和相位偏差；/>和/>表示频率波长和整周模糊度；/>和/>表示伪距和相位观测噪声。
在一种可能的实施例中，步骤120，包括：
步骤210，根据目标系数和接收机端伪距码偏差建立第一矩阵；
步骤220，根据载波相位观测值和预先建立的投影函数、建立第二矩阵；
步骤230，根据伪距观测值和载波相位观测值，确定相位平滑伪距矩阵；
步骤240，根据载波相位观测值，建立权重矩阵；
步骤250，基于权重矩阵、相位平滑伪距矩阵，第一矩阵和第二矩阵、建立目标方程。下面，依次对步骤210-步骤250进行说明：
步骤210，根据目标系数和接收机端伪距码偏差建立第一矩阵。
在一种可能的实施例中，目标系数包括第一系数、第二系数和第三系数，步骤210，包括：
根据第一系数、第二系数、第三系数和接收机端伪距码偏差建立第一矩阵；其中，地磁坐标和VTEC的函数关系中包括第一系数、第二系数和第三系数。
，/>
其中，a0、a1和a2，分别为第一系数、第二系数和第三系数；这里，预设某个历元可观测到m个***共n颗卫星，表示***，m为正整数，n表示导航卫星的数量，n为正整数。为接收机端伪距码偏差；/>为卫星端伪距码偏差。
这里，第一矩阵中的接收机端伪距码偏差为未知数，也就是需要求解的数值。
地磁坐标和VTEC的函数关系为：
其中，地磁坐标为（M，L），地磁坐标和VTEC的函数关系中包括第一系数、第二系数和第三系数。
步骤220，根据载波相位观测值和预先建立的投影函数、建立第二矩阵。
其中，为频率系数；
在一种可能的实施例中，在步骤220之前，方法还包括：
获取地球半径、电离层有效高度、低轨道卫星的轨道高度和天顶角；
根据地球半径、电离层有效高度、低轨道卫星的轨道高度和天顶角，建立投影函数。
其中，是投影函数，/>是地球半径，/>为电离层有效高度(IonosphereEffective Height，IEH),/>为低轨道卫星的轨道高度，/>是天顶角。
步骤230，根据伪距观测值和载波相位观测值，确定相位平滑伪距矩阵。
L=
其中，s表示导航卫星，r表示LEO卫星，n表示导航卫星的数量，n为正整数。smth表示相位平滑处理。
在一种可能的实施例中，步骤230，包括：
根据伪距观测值和载波相位观测值，计算无几何组合观测量；
根据无几何组合观测量，确定相位平滑伪距矩阵。这里，是利用GNSS信号中两个频率的载波相位观测数据组成无几何距离组合以探测周跳，以第L1和L2为例，L1和L2频点，用于分别标识不同波长的电磁波。
基于L1和L2频点信号形成无几何组合观测量（Geometry-Free, GF）；
其中，根据伪距观测值和载波相位观测值，计算无几何组合观测量具体可以包括：
；
；
其中，是基于伪距观测值计算得到的绝对TEC；/>为频率系数，该频率系数根据L1的频率和L2的频率确定；
是基于载波相位观测值计算得到的绝对TEC。
式中：
其中，为L1的频率，/>为L2的频率；
对于前k个连续观测的伪距和载波相位GF观测量，可得到：
其中，表示模糊度；
其中，根据无几何组合观测量，确定相位平滑伪距矩阵，具体可以包括：
这里，对伪距观测值和载波相位观测值做平滑处理，处理结果可以认为连续伪距观测值和载波相位观测值。
上述公式表示，载波相位观测值减去模糊度，得到电离层观测值，电离层观测值等于电离层模型加接收机端伪距码偏差。
步骤240，根据载波相位观测值，建立权重矩阵。这里，根据载波相位观测值，从高度角、信号强度以及相位平滑伪距的平滑长度三个角度对各类观测值进行综合定权，建立权重矩阵。
在一种可能的实施例中，步骤240，包括：
从载波观测信息中获取LEO卫星和导航卫星之间的高度角、导航卫星向LEO卫星发送的信号的信号强度和平滑长度；
根据高度角、信号强度和平滑长度，建立权重矩阵。
其中，载波观测信息中包括LEO卫星和导航卫星之间的高度角、导航卫星向LEO卫星发送的信号的信号强度和平滑长度。可以从从载波观测信息中获取高度角、信号强度和平滑长度，根据高度角、信号强度和平滑长度，建立权重矩阵。
其中，s表示导航卫星，r表示LEO卫星，n表示导航卫星的数量；
r1表示高度角权重值；r2表示信号强度权重值；r3表示平滑长度权重值。
其中，上述涉及到的根据高度角、信号强度和平滑长度，建立权重矩阵的步骤中，包括：
步骤310，根据高度角，确定高度角权重值；
步骤320，根据信号强度，确定信号强度权重值；
步骤330，根据平滑长度，计算平滑长度权重值；
其中，权重矩阵包括：高度角权重值、信号强度权重值和平滑长度权重值。
其中，导航卫星发射信号，经过大气和大气中的水汽，经过卫星方板的反射，信号会经过衰减；由于信号发射强度是固定的，经过衰减，到达接收机的接收信号强度会改变，因此，需要考虑信号强度对应的信号强度权重值。
由于，伪距观测值的测量是直接测量，是粗精度的测量，可以通过载波相位观测值对伪距观测值进行平滑处理。
相位平滑伪距是通过对GPS接收机接收到的卫星信号的相位进行平滑处理，得到一种类似于伪距的数据。
在一种可能的实施例中，步骤310，包括：
在高度角小于第一阈值的情况下，将高度角权重值确定为第一权重值；或者，
在高度角不小于第一阈值的情况下，根据高度角确定第二权重值；
将高度角权重值确定为第二权重值；
其中，第一权重值大于第二权重值。
基于地面站进行电离层建模或监测应用中，一般会舍弃高度角低于15度以下的观测数据，但是LEO单站可用数据量有限，并考虑低高度角可能带来的误差，对于15度以下的数据进行适当降权处理；
其中，ELE为高度角；
在高度角小于第一阈值（比如15度）的情况下，将高度角权重值确定为第一权重值；
在高度角不小于第一阈值的情况下，根据高度角确定第二权重值，即第二权重值为。
在第一阈值为15度的情况下，由于约等于0.65，/>大于1，因此第一权重值大于第二权重值。
在一种可能的实施例中，步骤320，包括：
获取信号的相位跟踪环带宽和载波相位波长；
根据信号强度、相位跟踪环带宽和载波相位波长，确定信号强度权重值。
信号强度可直接反映观测值的接收质量，而且可直接从RINEX文件中得到，取值范围1-9，代表信号强度从小到大，基于信号强度权重值的定权的公式为：
其中，，/>为相位跟踪环带宽（HZ），/>为载波相位波长（m）。
因此，可以根据信号强度、相位跟踪环带宽和载波相位波长，确定信号强度权重值。
在一种可能的实施例中，步骤330，包括：
在平滑长度小于第二阈值的情况下，根据第二阈值和平滑长度，确定第三权重值；
将平滑长度权重值确定为第三权重值；或者，
在平滑长度不小于第二阈值的情况下，将高度角权重值确定为第四权重值；
其中，第三权重值小于第四权重值。
与地面站观测GNSS卫星不同，高动态的LEO接收机观测到GNSS卫星的时长较短，考虑到多路径误差通过长时间弧段平均后才能消除掉，在实时解算过程中，因某个弧段前面一部分观测数据受到多路径误差影响较大，需要进行降权处理；
其中，LEN为平滑长度；
在平滑长度小于第二阈值的情况下，根据第二阈值和平滑长度，确定第三权重值，即可以将第二阈值与平滑长度之商，作为第三权重值，然后将平滑长度权重值确定为第三权重值；或者，
在平滑长度不小于第二阈值的情况下，将高度角权重值确定为第四权重值，其中，第四权重值可以为1。
其中，在平滑长度小于第二阈值的情况下，第二阈值与平滑长度之商大于1，因此，第四权重值大于第三权重值。
步骤250，基于权重矩阵、相位平滑伪距矩阵，第一矩阵和第二矩阵、建立目标方程。
由此，可以基于上述分别构建的权重矩阵、相位平滑伪距矩阵，第一矩阵和第二矩阵建立目标方程。
涉及步骤130。
步骤130，求解目标方程中的目标系数的目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值；
这里，可以以序贯最小二乘法进行单站电离层TEC建模与伪距码偏差估计，解算出接收机端伪距码偏差值，进而计算出当前历元各个站星连线的VTEC值。
在一种可能的实施例中，目标系数包括第一系数、第二系数和第三系数，步骤130，包括：
基于权重矩阵、相位平滑伪距矩阵，第一矩阵和第二矩阵，求解第一系数的第一系数值、第二系数的第二系数值、第三系数的第三系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值。
其中分别对应上述三种定权方式，即高度角权重值、信号强度权重值和平滑长度权重值。
其中，目标方程中的未知量包括：目标系数的目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值。
在本申请的实施例中，求解基于伪距观测值和载波相位观测值建立的目标方程中的目标系数的目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值，这里，能够快速准确地确定出目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值，以便后续根据伪距观测值、目标系数值和求解出的高精度的接收机端伪距码偏差的偏差值，确定电离层的垂直总电子含量VTEC，以实现在LEO端对VTEC的实时高精度计算。
涉及步骤140。
步骤140，根据伪距观测值、目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值，确定电离层的垂直总电子含量VTEC。
单站电离层建模可以选取多项式函数模型、三角级函数模型以及低阶的球谐函数模型，这里以多项式函数模型为例进行展示：
在一种可能的实施例中，步骤140，包括：
根据伪距观测值、第一系数值、第二系数值、第三系数值和接收机端伪距码偏差，确定VTEC。
其中，上述涉及的多项式函数模型为：
其中，地磁坐标为（M，L），和/>，分别为基于上述目标方程求解出来的第一系数值、第二系数值和第三系数值。
在一种可能的实施例中，步骤140，包括：
根据伪距观测值和获取到的广播星历信息确定地磁坐标、卫星高度角和方位角信息；
根据地磁坐标、卫星高度角、方位角信息和目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值，确定VTEC。
广播星历信息是指导航卫星播发的未来一段时间内卫星轨道根数的电文信息。
在一种可能的实施例中，上述涉及到的根据伪距观测值和获取到的广播星历信息确定地磁坐标、卫星高度角和方位角信息的步骤中，包括：
根据伪距观测值和广播星历信息进行实时单点定位，计算得到接收机的位置信息；
根据接收机的位置信息，计算电离层穿刺点的地磁坐标、卫星高度角和方位角信息。
利用GNSS伪距观测值和广播星历信息对接收机进行实时单点定位，获取接收机三维坐标，进而计算得到电离层穿刺点处的地磁坐标。
在一种可能的实施例中，获取接收机的历史温度值，和历史温度值对应的接收机端伪距码偏差的历史偏差值；
根据历史温度值和历史偏差值，建立接收机端伪距码偏差和接收机的温度信息之间的多项式函数，多项式函数中包括多个参数；
根据多项式函数和获取到的接收机的温度值，估计接收机端伪距码偏差的偏差值。
GNSS接收机温度信息是指星载接收机的实时温度情况，其采样间隔与GNSS观测值一致。
同时顾及到TEC模型参数与接收机端伪距码偏差是每个历元均估计，为了防止矩阵计算秩亏，增加虚拟观测方程进行约束；
历史温度值可以为每一秒采集一个温度，也可以给一个标定值；根据伪距观测值，构建电离层模型，可以估计出来接收机端伪距码偏差的偏差值。
对于接收机端码偏差约束，将采集的接收机温度信息和之前历元估计的DCB值构建相应函数模型，预报当前历元的DCB值；由于伪距码偏差会随着温度的日内变化而变化，这里以多项式函数建立接收机端伪距码偏差与接收机内部温度的关系：
其中，a为模型参数，t为温度值，F(t)为接收机端伪距码偏差。
在一种可能的实施例中，在上述涉及到的根据历史温度值和历史偏差值，建立接收机端伪距码偏差和接收机的温度信息之间的多项式函数的步骤之后，还可以包括：
调节多项式函数中的参数，以使接收机端伪距码偏差在预设范围内。对于卫星端码偏差参数约束，通过每日法方程累加解算出一组卫星端码偏差值，作为下一日TEC解算的紧约束条件；同时对各***卫星端码偏差采用零均值约束进行基准统一。
由于空间环境比较稳定，GNSS卫星因此内部延迟稳定；
LEO处于高速飞行的状态，接收机端伪距码偏差变化的比较频繁；
每一个多项式函数中的参数分别对应一个矩阵，为了接收机端伪距码偏差在预设范围内，可以调节多项式函数。即可以调节多项式函数中的参数，以使接收机端伪距码偏差在预设范围内的估值不超过预设范围。
由此，本申请的实施例，可以通过在星上进行实时TEC解算，对该卫星轨道上层的电离层延迟变化进行实时监测，对于研究电离层各层分界高度、太阳活动监测，电离层异常和电离层层析等带来有益的帮助。
综上，在本申请实施例中，通过获取伪距观测值和载波相位观测值；其中，伪距观测值和载波相位观测值由低轨道地球LEO卫星上搭载的全球导航卫星***GNSS接收机接收得到；这里，在轨运行的LEO能够全球飞行，相应地，在轨运行的LEO上搭载的GNSS接收机也随之全球移动，因此可实现海洋区域上空的电离层监测，提升监测范围；根据伪距观测值和载波相位观测值建立目标方程，目标方程中包括目标系数和接收机端伪距码偏差；然后，求解目标方程中的目标系数的目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值，这里，能够快速准确地确定出目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值；最后，根据伪距观测值、目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值，确定电离层的垂直总电子含量VTEC，由此，能够实现在LEO端对VTEC的实时高精度计算。
基于上述图1所示的总电子含量确定方法，本申请实施例还提供一种数据处理的装置，如图4所示，该装置400可以包括：
获取模块410，用于获取伪距观测值和载波相位观测值；其中，伪距观测值和载波相位观测值由LEO卫星上搭载的GNSS接收机接收得到；
建立模块420，用于根据伪距观测值和载波相位观测值建立目标方程，目标方程中包括目标系数和接收机端伪距码偏差；
求解模块430，用于求解目标方程中的目标系数的目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值；
确定模块440，用于根据伪距观测值、目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值，确定电离层的VTEC。
在一种可能的实施例中，确定模块440，具体用于：
根据所述伪距观测值和获取到的广播星历信息确定地磁坐标、卫星高度角和方位角信息；
根据所述地磁坐标、卫星高度角、方位角信息和所述目标系数值和所述接收机端伪距码偏差的偏差值，确定所述VTEC。
在一种可能的实施例中，确定模块440，具体用于：
根据所述伪距观测值和所述广播星历信息进行实时单点定位，计算得到所述接收机的位置信息；
根据所述接收机的位置信息，计算电离层穿刺点的所述地磁坐标、卫星高度角和方位角信息。
在一种可能的实施例中，建立模块420，具体用于：
根据所述目标系数和所述接收机端伪距码偏差建立第一矩阵；
根据所述载波相位观测值和预先建立的投影函数、建立第二矩阵；
根据所述伪距观测值和所述载波相位观测值，确定相位平滑伪距矩阵；
根据所述载波相位观测值，建立权重矩阵；
基于所述权重矩阵、所述相位平滑伪距矩阵，所述第一矩阵和所述第二矩阵、建立所述目标方程。
在一种可能的实施例中，建立模块420，具体用于：
相位观测值和预先建立的投影函数、建立第二矩阵之前，所述方法还包括：
获取地球半径、电离层有效高度、低轨道卫星的轨道高度和天顶角；
根据所述地球半径、所述电离层有效高度、所述低轨道卫星的轨道高度和所述天顶角，建立所述投影函数。
在一种可能的实施例中，建立模块420，具体用于：
根据所述伪距观测值和载波相位观测值，计算无几何组合观测量；
根据所述无几何组合观测量，确定所述相位平滑伪距矩阵。
在一种可能的实施例中，建立模块420，具体用于：
根据所述第一系数、所述第二系数、所述第三系数和所述接收机端伪距码偏差建立所述第一矩阵；其中，地磁坐标和所述VTEC的函数关系中包括所述第一系数、所述第二系数和所述第三系数。
在一种可能的实施例中，建立模块420，具体用于：
从所述载波观测信息中获取所述LEO卫星和导航卫星之间的高度角、所述导航卫星向所述LEO卫星发送的信号的信号强度和平滑长度；
根据所述高度角、所述信号强度和所述平滑长度，建立所述权重矩阵。
在一种可能的实施例中，建立模块420，具体用于：
根据所述高度角，确定高度角权重值；
根据所述信号强度，确定信号强度权重值；
根据所述平滑长度，计算平滑长度权重值；
其中，所述权重矩阵包括：所述高度角权重值、所述信号强度权重值和所述平滑长度权重值。
在一种可能的实施例中，建立模块420，具体用于：
在所述高度角小于第一阈值的情况下，将所述高度角权重值确定为第一权重值；或者，
在所述高度角不小于所述第一阈值的情况下，根据所述高度角确定第二权重值；
将所述高度角权重值确定为所述第二权重值；
其中，所述第一权重值大于所述第二权重值。
在一种可能的实施例中，建立模块420，具体用于：
获取所述信号的相位跟踪环带宽和载波相位波长；
根据所述信号强度、所述相位跟踪环带宽和所述载波相位波长，确定所述信号强度权重值。
在一种可能的实施例中，建立模块420，具体用于：
在所述平滑长度小于第二阈值的情况下，根据所述第二阈值和所述平滑长度，确定第三权重值；
将所述平滑长度权重值确定为所述第三权重值；或者，
在所述平滑长度不小于所述第二阈值的情况下，将所述高度角权重值确定为第四权重值；
其中，所述第三权重值小于所述第四权重值。
在一种可能的实施例中，求解模块430，具体用于：
基于所述权重矩阵、所述相位平滑伪距矩阵，所述第一矩阵和所述第二矩阵，求解所述第一系数的第一系数值、所述第二系数的第二系数值、所述第三系数的第三系数值和所述接收机端伪距码偏差的偏差值。
在一种可能的实施例中，确定模块440，具体用于：
根据所述伪距观测值、所述第一系数值、所述第二系数值、所述第三系数值和所述接收机端伪距码偏差，确定所述VTEC。
在一种可能的实施例中，该装置400可以包括：
估计模块，具体用于：
获取所述接收机的历史温度值，和所述历史温度值对应的所述接收机端伪距码偏差的历史偏差值；
根据所述历史温度值和所述历史偏差值，建立所述接收机端伪距码偏差和所述接收机的温度信息之间的多项式函数，所述多项式函数中包括多个参数；
根据所述多项式函数和获取到的所述接收机的温度值，估计所述所述接收机端伪距码偏差的偏差值。
在一种可能的实施例中，该装置400可以包括：
调节模块，用于调节所述多项式函数中的参数，以使所述接收机端伪距码偏差在预设范围内。
综上，在本申请实施例中，通过获取伪距观测值和载波相位观测值；其中，伪距观测值和载波相位观测值由低轨道地球LEO卫星上搭载的全球导航卫星***GNSS接收机接收得到；这里，在轨运行的LEO能够全球飞行，相应地，在轨运行的LEO上搭载的GNSS接收机也随之全球移动，因此可实现海洋区域上空的电离层监测，提升监测范围；根据伪距观测值和载波相位观测值建立目标方程，目标方程中包括目标系数和接收机端伪距码偏差；然后，求解目标方程中的目标系数的目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值，这里，能够快速准确地确定出目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值；最后，根据伪距观测值、目标系数值和接收机端伪距码偏差的偏差值，确定电离层的垂直总电子含量VTEC，由此，能够实现在LEO端对VTEC的实时高精度计算。
图5示出了本申请实施例提供的一种电子设备的硬件结构示意图。
在电子设备可以包括处理器501以及存储有计算机程序指令的存储器502。
具体地，上述处理器501可以包括中央处理器（CPU），或者特定集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
存储器502可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器502可包括硬盘驱动器（Hard Disk Drive，HDD）、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器502可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器502可在综合网关容灾设备的内部或外部。在特定实施例中，存储器502是非易失性固态存储器。在特定实施例中，存储器502包括只读存储器（ROM）。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM（PROM）、可擦除PROM（EPROM）、电可擦除PROM（EEPROM）、电可改写ROM（EAROM）或闪存或者两个或更多个以上这些的组合。
处理器501通过读取并执行存储器502中存储的计算机程序指令，以实现图所示实施例中的任意一种总电子含量确定方法。
在一个示例中，电子设备还可包括通信接口503和总线510。其中，如图5所示，处理器501、存储器502、通信接口503通过总线510连接并完成相互间的通信。
通信接口503，主要用于实现本申请实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。
总线510包括硬件、软件或两者，将电子设备的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线可包括加速图形端口（AGP）或其他图形总线、增强工业标准架构（EISA）总线、前端总线（FSB）、超传输（HT）互连、工业标准架构（ISA）总线、无限带宽互连、低引脚数（LPC）总线、存储器总线、微信道架构（MCA）总线、***组件互连（PCI）总线、PCI-Express（PCI-X）总线、串行高级技术附件（SATA）总线、视频电子标准协会局部（VLB）总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线510可包括一个或多个总线。尽管本申请实施例描述和示出了特定的总线，但本申请考虑任何合适的总线或互连。
该电子设备可以执行本申请实施例中的总电子含量确定方法，从而实现结合图1至图3描述的总电子含量确定方法。
另外，结合上述实施例中的总电子含量确定方法，本申请实施例可提供一种计算机可读存储介质来实现。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现图1至图3中的总电子含量确定方法。
需要明确的是，本申请并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本申请的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本申请的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路（ASIC）、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本申请的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM（EROM）、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频（RF）链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
还需要说明的是，本申请中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或***。但是，本申请不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的***、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (20)
1.一种总电子含量确定方法，其特征在于，所述方法包括：
获取伪距观测值和载波相位观测值；其中，所述伪距观测值和所述载波相位观测值由低轨道地球LEO卫星上搭载的全球导航卫星***GNSS接收机接收得到；
根据所述伪距观测值和载波相位观测值建立目标方程，所述目标方程中包括目标系数和接收机端伪距码偏差；
求解所述目标方程中的所述目标系数的目标系数值和所述接收机端伪距码偏差的偏差值；
根据所述伪距观测值、所述目标系数值和所述接收机端伪距码偏差的偏差值，确定电离层的垂直总电子含量VTEC。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述伪距观测值、所述目标系数值和所述接收机端伪距码偏差的偏差值，确定电离层的垂直总电子含量VTEC，包括：
根据所述伪距观测值和获取到的广播星历信息确定地磁坐标、卫星高度角和方位角信息；
根据所述地磁坐标、所述卫星高度角、所述方位角信息和所述目标系数值和所述接收机端伪距码偏差的偏差值，确定所述VTEC。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述伪距观测值和获取到的广播星历信息确定地磁坐标、卫星高度角和方位角信息，包括：
根据所述伪距观测值和所述广播星历信息进行实时单点定位，计算得到所述接收机的位置信息；
根据所述接收机的位置信息，计算电离层穿刺点的所述地磁坐标、所述卫星高度角和所述方位角信息。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述伪距观测值和载波相位观测值建立目标方程，包括：
根据所述目标系数和所述接收机端伪距码偏差建立第一矩阵；
根据所述载波相位观测值和预先建立的投影函数、建立第二矩阵；
根据所述伪距观测值和所述载波相位观测值，确定相位平滑伪距矩阵；
根据所述载波相位观测值，建立权重矩阵；
基于所述权重矩阵、所述相位平滑伪距矩阵，所述第一矩阵和所述第二矩阵、建立所述目标方程。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述根据所述载波相位观测值和预先建立的投影函数、建立第二矩阵之前，所述方法还包括：
获取地球半径、电离层有效高度、低轨道卫星的轨道高度和天顶角；
根据所述地球半径、所述电离层有效高度、所述低轨道卫星的轨道高度和所述天顶角，建立所述投影函数。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述伪距观测值和所述载波相位观测值，确定相位平滑伪距矩阵，包括：
根据所述伪距观测值和载波相位观测值，计算无几何组合观测量；
根据所述无几何组合观测量，确定所述相位平滑伪距矩阵。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述目标系数包括第一系数、第二系数和第三系数，所述根据所述目标系数和所述接收机端伪距码偏差建立第一矩阵，包括：
根据所述第一系数、所述第二系数、所述第三系数和所述接收机端伪距码偏差建立所述第一矩阵；其中，地磁坐标和所述VTEC的函数关系中包括所述第一系数、所述第二系数和所述第三系数。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述载波相位观测值，建立权重矩阵，包括：
从所述载波观测信息中获取所述LEO卫星和导航卫星之间的高度角、所述导航卫星向所述LEO卫星发送的信号的信号强度和平滑长度；
根据所述高度角、所述信号强度和所述平滑长度，建立所述权重矩阵。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述高度角、所述信号强度和所述平滑长度，建立所述权重矩阵，包括：
根据所述高度角，确定高度角权重值；
根据所述信号强度，确定信号强度权重值；
根据所述平滑长度，计算平滑长度权重值；
其中，所述权重矩阵包括：所述高度角权重值、所述信号强度权重值和所述平滑长度权重值。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述高度角，确定高度角权重值，包括：
在所述高度角小于第一阈值的情况下，将所述高度角权重值确定为第一权重值；或者，
在所述高度角不小于所述第一阈值的情况下，根据所述高度角确定第二权重值；
将所述高度角权重值确定为所述第二权重值；
其中，所述第一权重值大于所述第二权重值。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述信号强度，确定信号强度权重值，包括：
获取所述信号的相位跟踪环带宽和载波相位波长；
根据所述信号强度、所述相位跟踪环带宽和所述载波相位波长，确定所述信号强度权重值。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述平滑长度，计算平滑长度权重值，包括：
在所述平滑长度小于第二阈值的情况下，根据所述第二阈值和所述平滑长度，确定第三权重值；
将所述平滑长度权重值确定为所述第三权重值；或者，
在所述平滑长度不小于所述第二阈值的情况下，将所述高度角权重值确定为第四权重值；
其中，所述第三权重值小于所述第四权重值。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述目标系数包括第一系数、第二系数和第三系数，所述求解所述目标方程中的所述目标系数的目标系数值和接收机端伪距码偏差，包括：
基于所述权重矩阵、所述相位平滑伪距矩阵，所述第一矩阵和所述第二矩阵，求解所述第一系数的第一系数值、所述第二系数的第二系数值、所述第三系数的第三系数值和所述接收机端伪距码偏差的偏差值。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述根据所述伪距观测值、所述目标系数值和所述接收机端伪距码偏差的偏差值，确定电离层的垂直总电子含量VTEC，包括：
根据所述伪距观测值、所述第一系数值、所述第二系数值、所述第三系数值和所述接收机端伪距码偏差，确定所述VTEC。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取所述接收机的历史温度值，和所述历史温度值对应的所述接收机端伪距码偏差的历史偏差值；
根据所述历史温度值和所述历史偏差值，建立所述接收机端伪距码偏差和所述接收机的温度信息之间的多项式函数，所述多项式函数中包括多个参数；
根据所述多项式函数和获取到的所述接收机的温度值，估计所述接收机端伪距码偏差的偏差值。
16.根据权利要求15所述的方法，在所述根据所述历史温度值和所述历史偏差值，建立所述接收机端伪距码偏差和所述接收机的温度信息之间的多项式函数之后，所述方法还包括：
调节所述多项式函数中的参数，以使所述接收机端伪距码偏差在预设范围内。
17.一种总电子含量确定装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取伪距观测值和载波相位观测值；其中，伪距观测值和载波相位观测值由LEO卫星上搭载的GNSS接收机接收得到；
建立模块，用于根据所述伪距观测值和载波相位观测值建立目标方程，所述目标方程中包括目标系数和接收机端伪距码偏差；
求解模块，用于求解所述目标方程中的所述目标系数的目标系数值和所述接收机端伪距码偏差的偏差值；
确定模块，用于根据所述伪距观测值、所述目标系数值和所述接收机端伪距码偏差的偏差值，确定电离层的VTEC。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述建立模块，具体用于：
根据所述目标系数和所述接收机端伪距码偏差建立第一矩阵；
根据所述载波相位观测值和预先建立的投影函数、建立第二矩阵；
根据所述伪距观测值和所述载波相位观测值，确定相位平滑伪距矩阵；
根据所述载波相位观测值，建立权重矩阵；
基于所述权重矩阵、所述相位平滑伪距矩阵，所述第一矩阵和所述第二矩阵、建立所述目标方程。
19.一种电子设备，其特征在于，所述设备包括：处理器以及存储有计算机程序指令的存储器；所述处理器执行所述计算机程序指令时实现如权利要求1-16任意一项所述的总电子含量确定方法。
20.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1-16任意一项所述的总电子含量确定方法。
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Citations (9)
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-
2023
- 2023-10-12 CN CN202311320360.5A patent/CN117055079B/zh active Active
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