阅读说明：本技术 导航卫星单频数据同步确定大气水汽和总电子含量的方法 (Method for synchronously determining content of atmospheric water vapor and total electrons by single-frequency data of navigation satellite ) 是由 李薇 张宝成 赵传宝 李敏 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：导航卫星单频数据同步确定大气水汽和总电子含量的方法,先采集导航卫星单频观测数据、接收机处的大气压强和温度数据,获取精密卫星轨道、钟差产品,再将其代入构建的单频非组合精密单点定位观测模型中得到对流层天顶延迟和有偏的电离层观测值,然后根据流层天顶延迟和有偏的电离层观测值计算大气水汽含量和电离层垂直总电子含量即可。该设计不仅在保证计算精度的同时降低了成本,而且有利于实现中性大气与电离层的耦合效应观测。(The method for synchronously determining the atmospheric water vapor content and the total electron content by the navigation satellite single-frequency data comprises the steps of firstly acquiring single-frequency observation data of the navigation satellite, atmospheric pressure and temperature data at a receiver, obtaining a precise satellite orbit and a clock error product, substituting the precise satellite orbit and the clock error product into a constructed single-frequency non-combined precise single-point positioning observation model to obtain a troposphere zenith delay and a biased ionosphere observation value, and then calculating the atmospheric water vapor content and the vertical total electron content of an ionosphere according to the troposphere zenith delay and the biased ionosphere observation value. The design not only ensures the calculation precision and reduces the cost, but also is beneficial to realizing the observation of the coupling effect of the neutral atmosphere and the ionized layer.)

导航卫星单频数据同步确定大气水汽和总电子含量的方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种导航卫星单频数据同步确定大气水汽和总电子含量的方法。

背景技术

卫星导航系统发射的电磁波信号穿越地球大气的电离层和中性大气层时会产生信号延迟，分别称为电离层延迟和对流层延迟。对流层延迟结合地表压强和加权平均 温度，可以计算大气的水汽总含量，这是大气物理和气象研究的重要参量。电离层延 迟是影响卫星定位精度的重要因素，如果处理不当会产生数百米的定位误差。电离层 垂直总电子含量与电离层延迟成正比，是电离层变化监测的重要数据。在导航卫星观 测数据的处理中，可以对这两类延迟分别进行精确估计，进而求得大气水汽和总电子 含量。不断增加的卫星导航地面观测站，成为了大气空间环境观测的重要手段。但是 目前绝大部分相关应用都是采用高精度双频导航卫星信号接收机，价格非常昂贵，例 如天宝测地型接收机NETR9价格约为1.5万美元，因此阻碍了导航卫星在大气空间环 境监测上的广泛应用；且现有的技术都只能计算水汽和垂直总电子含量中的一个参 量，不利于系统化处理，效率较低，也不利于中性大气与电离层的耦合效应观测。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种利用导航卫星单频数据同步确定大气水汽和总电子含量的方法。

为实现以上目的，本发明的技术方案如下：

导航卫星单频数据同步确定大气水汽和总电子含量的方法，依次包括以下步骤：

第一步、采用单频GNSS接收机采集导航卫星单频观测数据，并采集接收机处的 大气压强和温度数据，获取精密卫星轨道、钟差产品；

第二步、将第一步得到的数据代入以下单频非组合精密单点定位观测模型中计算得到ZTD_r(k)、

上式中，

分别为导航系统T的卫星S到接收机r在第k历元的单频 伪距、相位观测值减初始计算值，

为卫星S到接收机r的单位向量，为接收机 r近似坐标的改正值向量，ZTD_r(k)为接收机r在第k历元的对流层天顶延迟，GMF为 投影函数，

为卫星S相对接收机r的高度角，

为卫星S到接收机r在第k历 元的有偏的电离层观测值，

为接收机r在第k历元吸收了伪距硬件延迟的接收 机钟差，为卫星S到接收机r吸收了伪距和相位偏差的模糊度参数。

第三步、根据第二步得到的对流层天顶延迟、有偏的电离层观测值分别计算大气水汽含量、电离层垂直总电子含量。

所述第三步采用以下公式计算大气水汽含量：

PWV＝Π×ZWD

T_m＝70.2+0.72Tem_r

ZWD＝ZTD-ZHD

上式中，PWV为大气水汽含量，Π为转换系数，P_r为接收机处的大气压强，ρ_w为液态水的密度，R_v为水汽的气体常数，k₂’＝16.6K/hPa，k₃＝377600K²/hPa，T_m为加 权平均温度，Tem_r为接收机处的大气温度，ZWD为天顶湿延迟，ZTD为对流层天顶 延迟，ZHD为对流层天顶静力学延迟，h分别为接收机的地理纬度、高度。

所述第三步采用以下公式计算电离层垂直总电子含量：

上式中，

为卫星S到接收机r的有偏的电离层观测值，A＝40.28×10¹⁶，f₁为单频GNSS接收机的信号频率，MF为投影函数，

为卫星S相对接收机r的高度角， VTEC为电离层垂直总电子含量，G为消电离层组合系数，

为卫星差分码偏差，

分别为穿刺点、接收机所在的地磁纬度，h为接收机的高度，n、m为广义三 角级数的阶数，k为历元数，λ为穿刺点的太阳经度，E_nm、C_k、S_k为广义三角级数 函数模型的待估系数，H_ion为电离层薄层高度，R_E为地球平均半径。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明导航卫星单频数据同步确定大气水汽和总电子含量的方法通过建立单频非组合精密单点定位观测模型，仅采用低成本的单频接收机即可同步获得大气水汽含 量以及电离层垂直总电子含量，不仅计算精度能够满足观测要求，成本低廉，而且计 算效率高，有利于实现中性大气与电离层的耦合效应观测。因此，本发明不仅在保证 计算精度的同时降低了成本，而且有利于实现中性大气与电离层的耦合效应观测。

附图说明

图1为实施例1得到的大气水汽含量与探空仪检测数据得到的大气水汽含量的对比。

图2为实施例1得到的电离层垂直总电子含量与双频数据计算结果和GIM电离层产品的对比。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

导航卫星单频数据同步确定大气水汽和总电子含量的方法，依次包括以下步骤：

第一步、采用单频GNSS接收机采集导航卫星单频观测数据，并采集接收机处的 大气压强和温度数据，获取精密卫星轨道、钟差产品；

第二步、将第一步得到的数据代入以下单频非组合精密单点定位观测模型中计算得到ZTD_r(k)、

上式中，分别为导航系统T的卫星S到接收机r在第k历元的单频 伪距、相位观测值减初始计算值，为卫星S到接收机r的单位向量，

为接收机 r近似坐标的改正值向量，ZTD_r(k)为接收机r在第k历元的对流层天顶延迟，GMF为 投影函数，

为卫星S相对接收机r的高度角，

为卫星S到接收机r在第k历 元的有偏的电离层观测值，

为接收机r在第k历元吸收了伪距硬件延迟的接收 机钟差，

为卫星S到接收机r吸收了伪距和相位偏差的模糊度参数。

第三步、根据第二步得到的对流层天顶延迟、有偏的电离层观测值分别计算大气水汽含量、电离层垂直总电子含量。

所述第三步采用以下公式计算大气水汽含量：

PWV＝Π×ZWD

T_m＝70.2+0.72Tem_r

ZWD＝ZTD-ZHD

上式中，PWV为大气水汽含量，Π为转换系数，P_r为接收机处的大气压强，ρ_w为液态水的密度，R_v为水汽的气体常数，k₂’＝16.6K/hPa，k₃＝377600K²/hPa，T_m为加 权平均温度，Tem_r为接收机处的大气温度，ZWD为天顶湿延迟，ZTD为对流层天顶 延迟，ZHD为对流层天顶静力学延迟，

h分别为接收机的地理纬度、高度。

所述第三步采用以下公式计算电离层垂直总电子含量：

上式中，

为卫星S到接收机r的有偏的电离层观测值，A＝40.28×10¹⁶，f₁为单频GNSS接收机的信号频率，MF为投影函数，

为卫星S相对接收机r的高度角， VTEC为电离层垂直总电子含量，G为消电离层组合系数，为卫星差分码偏差， 分别为穿刺点、接收机所在的地磁纬度，h为接收机的高度，n、m为广义三 角级数的阶数，k为历元数，λ为穿刺点的太阳经度，E_nm、C_k、S_k为广义三角级数 函数模型的待估系数，H_ion为电离层薄层高度，R_E为地球平均半径。

本发明的原理说明如下：

本发明提供了一种导航卫星单频数据同步确定大气水汽和总电子含量的方法，相比于传统的双频数据计算方法，该发明仅采用单频接收机不仅降低了90％的硬件观测 成本,而且计算精度可以满足观测要求。同时，本方法无需周围的GNSS观测网的辅助， 实施方式非常便利。其中，大气水汽含量利用对流层湿延迟结合转换系数计算得到， 电离层总电子含量采用电离层薄层模型计算得到，所述单频非组合精密单点定位观测 模型的构建过程为：

GNSS单频观测数据的原始观测方程可表示为：

其中，与分别为导航系统T的卫星S到接收机r在历元k的单频伪 距与相位观测值，这是单频接收机采集的数据；下标1表示第一频率；

为卫星到 接收机的几何距离；与分别为接收机与卫星的钟差；

与分别为接收机与 卫星的伪距硬件延迟；

为由接收机到卫星在第一频率的电离层斜延迟；为斜对 流层延迟；

为吸收了接收机与卫星相位偏差的浮点模糊度；为第一频率的波长；

与

分别为伪距和相位观测值中观测噪声与未建模误差等。

由于IGS(国际GNSS服务组织)发布的精密卫星钟差产品通常采用消电离层组合模型进行解算，因此其发布的卫星钟差中吸收了卫星伪距硬件延迟的消电离层组 合形式，即如式2所示：

下标2表示第二频率；f₁和f₂分别表示导航系统发射的双频信号的两个频率。(注：此处由于使用精密卫星钟差才引入了两个频率，并非使用了两个频率的观测数据)

将式2带入式1中可以得到式3：

其中，与分别为公式线性化后的伪距与相位观测值减初始计算值；

为卫星到接收机的单位向量；为接收机近似坐标的改正值向量；

为卫星伪距硬件 延迟。

由于公式中的部分参数(接收机钟差、伪距硬件延迟和相位模糊度等)存在线性相关关系，对其进行参数重组与合并，得到式4：

其中

式中的

和之间仍存在秩亏且秩亏数为1。因此将第1个历元的接收 机钟差参数定为基准，重新定义

并联合第1、2历元的数据可得到式6：

其中

将斜对流层延迟表达为天顶对流层延迟ZTD与投影函数GMF的乘积，如式 8所示：

为卫星S相对接收机r的高度角。

最终得到的模型为：

第1个历元的接收机钟差参数被每个历元的电离层参数吸收，因此估计的电离层参数中含有第1个历元的接收机钟差参数与卫星差分码偏差参数(DCB)。联合第 1、2个历元数据进行最小二乘平差；从第3历元开始进行卡尔曼滤波，滤波传递的参 数为接收机坐标参数、对流层参数和模糊度参数。

实施例1：

导航卫星单频数据同步确定大气水汽和总电子含量的方法，依次按照以下步骤进行：

第一步、采用UBLOX单频GNSS接收机采集导航卫星单频观测数据，采样率为30s，并利用气象仪器采集接收机处的大气压强和温度数据，采样率为30s，在国际GNSS 服务组织(IGS)网站获取精密卫星轨道、钟差产品；

第二步、将第一步得到的数据代入以下单频非组合精密单点定位观测模型中计算得到ZTD_r(k)、

上式中，

分别为导航系统T的卫星S到接收机r在第k历元的单频 伪距、相位观测值减初始计算值，

为卫星S到接收机r的单位向量，为接收机 r近似坐标的改正值向量，ZTD_r(k)为接收机r在第k历元的对流层天顶延迟，GMF为 投影函数，

为卫星S相对接收机r的高度角，

为卫星S到接收机r在第k历 元的有偏的电离层观测值，

为接收机r在第k历元吸收了伪距硬件延迟的接收 机钟差，

为卫星S到接收机r吸收了伪距和相位偏差的模糊度参数。

第三步、根据第二步得到的对流层天顶延迟、有偏的电离层观测值分别计算大气水汽含量、电离层垂直总电子含量，其中，

大气水汽含量的计算公式为：

PWV＝Π×ZWD

T_m＝70.2+0.72Tem_r

ZWD＝ZTD-ZHD

上式中，PWV为大气水汽含量，Π为转换系数，P_r为接收机处的大气压强，ρ_w为液态水的密度，R_v为水汽的气体常数，k₂’＝16.6K/hPa，k₃＝377600K²/hPa，T_m为加 权平均温度，Tem_r为接收机处的大气温度，ZWD为天顶湿延迟，ZTD为对流层天顶 延迟，ZHD为对流层天顶静力学延迟，h分别为接收机的纬度、高度。

电离层垂直总电子含量的计算公式为：

上式中，

为卫星S到接收机r的有偏的电离层观测值，A＝40.28×10¹⁶，f₁为单频GNSS接收机的信号频率，MF为投影函数，

为卫星S相对接收机r的高度角， VTEC为电离层垂直总电子含量，G为消电离层组合系数，

为卫星差分码偏差，

分别为穿刺点、接收机所在的地磁纬度，h为接收机的高度，n、m为广义三 角级数的阶数，k为历元数，λ为穿刺点的太阳经度，E_nm、C_k、S_k为广义三角级数 函数模型的待估系数，H_ion为电离层薄层高度，R_E为地球平均半径。

为考察本发明方法的准确度，进行如下测试：

1、在BG02、UBX0和DLF1三个测站采用实施例1所述方法得到的大气水汽含量 与附近探空仪观测到的数据得到的大气水汽含量进行对比，结果参见图1(图中bias 表示平均偏差，RMS表示均方根误差，为衡量误差大小的指标)。

通过图1所显示的数据可以看到，实施例1所述方法得到的水汽含量与探空仪测到的水汽含量的一致性很好，平均偏差不到1mm，基本不存在系统性偏差。且实施例 1所述方法得到的水汽含量的误差为1.6-2.7mm，可以满足水汽含量的探测要求(误 差小于3mm)。

2、在CAS1和GMSD两个测站采用实施例1单频GNSS数据得到的电离层垂直总电 子含量与常规双频计算得到的结果和IGS(国际GNSS服务组织)发布的GIM电离层产 品进行对比，结果参见图2。

从图2可以看到，实施例1得到的结果与双频和GIM产品的结果非常符合好，且 实施例1计算得到的电离层垂直总电子含量与GIM的差异为0-2TECU，能够满足GNSS 电离层监测的精度要求。