一种基于北斗geo的电离层tec同化建模方法
阅读说明：本技术 一种基于北斗geo的电离层tec同化建模方法 (Ionized layer TEC assimilation modeling method based on Beidou GEO ) 是由 汤俊 刘淑琼 李垠健 高鑫 于 2020-11-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于北斗GEO的电离层TEC同化建模方法,包括：同化方法：利用逐步订正法进行数据同化实验,将IRI模型作为先验信息,利用北斗GEO电离层TEC数据进行逐步订正；北斗GEO电离层TEC提取；提取国际参考电离层模型IRI的TEC格网值,利用改进的逐步订正法,将北斗GEO电离层TEC值同化到IRI模型中；同化模型的精度评定。本发明的方法,利用改进的逐步订正法将其同化到国际参考电离层模型IRI中,并与全球电离层图GIM以及未参与建模的北斗GEO电离层TEC值进行对比分析,评估其精度。在GNSS导航定位精度提高和空间环境的减灾和防灾能力具有重要的应用价值。(The invention discloses an ionized layer TEC assimilation modeling method based on Beidou GEO, which comprises the following steps: an assimilation method: carrying out a data assimilation experiment by using a gradual correction method, taking an IRI model as prior information, and gradually correcting by using Beidou GEO ionized layer TEC data; extracting the Beidou GEO ionized layer TEC; extracting a TEC grid value of an international reference ionosphere model IRI, and assimilating the Beidou GEO ionosphere TEC value into the IRI model by using an improved stepwise correction method; and (5) evaluating the accuracy of the assimilation model. The method assimilates the ionized layer into an international reference ionosphere model IRI by an improved gradual correction method, and carries out comparative analysis with a global ionosphere map GIM and Beidou GEO ionosphere TEC values which do not participate in modeling to evaluate the precision of the ionized layer IRI. The method has important application value in GNSS navigation positioning accuracy improvement and disaster reduction and prevention capability in space environment.)
技术领域
本发明涉及电离层技术，具体涉及一种基于北斗GEO的电离层TEC同化建模方法。
背景技术
目前，电离层是一个复杂变化的系统，不仅表现出明显的气候变化，而且在受到太阳、地磁和气象影响后也表现出明显的天气扰动。电离层扰动会对导航定位、短波通信、电网等产生严重影响。为了修正卫星导航和轨道定位中的电离层误差并减轻该误差对军事和民用系统的影响，在实际应用中尽可能提供准确、可靠的电离层产品显得至关重要。全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）技术极大地推动了全球电离层建模和区域电离层建模的发展，在确定电离层的动态特征方面起着至关重要的作用。另外，经验模型、分析和参数化模型以及数值模型等诸多建模技术可重现电离层大规模的形态特征和进行电离层预测。然而，由于仅仅对离散电离层测量值进行插值和缺乏对电离层的可靠估计，使得这些电离层建模技术无法较好的重现电离层扰动形态。以上是电离层建模的面临的关键难题，近年来，数据同化技术已成为一种常用的方法，其是通过将观测值同化到电离层模型中来提高监测和预报系统的准确性。数据同化技术是通过某种分析算法将观测值投影到适当的规模或合适的全局或区域网格上，然后与背景模型值组合以进行预测。数据同化方法在气象和海洋学上已取得了巨大的成功，积累了许多经验和成熟的同化算法如变分法、Kalman滤波法等，近年来，这些同化方法广泛应用于电离层模型构建。电离层同化模型的关键是同化方法和同化数据源，鲜有文献利用北斗GEO (GeostationaryEarth Orbit)电离层TEC来提高电离层模型精度。
现有技术中：
(1) 同化方法：逐步订正法(Successive Correction Method, SCM)是一种迭代经验方法。利用逐步订正法进行数据同化实验，将IRI模型作为先验信息，利用北斗GEO电离层TEC数据进行逐步订正。是给定的格网点的初始信息，由IRI模型给定，具体迭代如下：
(1)
式中，为订正次数，为影响半径内格网点的总数，为第次观测点，为对观测点上的第次估计，为第个格网点上经过次迭代后的值，为测量误差方差与先验误差方差之比的估计，为第次迭代时，第个观测值的权重因子；将权重因子定义为观测点与格网点之间的距离平方成反比或与平方距离的指数成反比的减小，融合北斗GEO电离层TEC值，权重因子定义如下：
(2)
式中，为大圆半径内格网点和的距离，为格网点之间的平面关联长度，为一个网格点对其邻域的影响的迭代半径。
(2) 同化数据源：以国际参考电离层模型IRI(International ReferenceIonosphere)为先验模型，利用GNSS中轨道（MEO,Medium Earth Orbit)卫星获取电离层TEC，并将其同化到IRI先验模型中。
(1) SCM是通过观测资料与先验信息之差去订正前次推测值，该方法的函数权重在迭代过程中恒定不变。
(2) 利用MEO卫星（例如GPS或GLONASS卫星）的TEC数据同化电离层IRI先验模型，然而，这些TEC数据受到卫星移动导致空间梯度变化的影响。
本发明基于改进逐步订正法，利用北斗GEO卫星电离层TEC和国际参考电离层模型IRI(International Reference Ionosphere)构建电离层同化模型。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于北斗GEO的电离层TEC同化建模方法，通过选择测量误差方差与先验误差方差之比的合适估计值来改进SCM。
本发明采用的技术方案是：一种基于北斗GEO的电离层TEC同化建模方法，包括：
同化方法：利用逐步订正法进行数据同化实验，将IRI模型作为先验信息，利用北斗GEO电离层TEC数据进行逐步订正；
北斗GEO电离层TEC提取；
提取国际参考电离层模型IRI的TEC格网值，利用改进的逐步订正法，将北斗GEO电离层TEC值同化到IRI模型中；
同化模型的精度评定。
进一步地，所述同化方法包括：
是给定的格网点的初始信息，由IRI模型给定，具体迭代如下：
(1)
式中，为订正次数，为影响半径内格网点的总数，为第次观测点，为对观测点上的第次估计，为第个格网点上经过次迭代后的值，为测量误差方差与先验误差方差之比的估计，为第次迭代时，第个观测值的权重因子；将权重因子定义为观测点与格网点之间的距离平方成反比或与平方距离的指数成反比的减小，融合北斗GEO电离层TEC值，权重因子定义如下：
(2)
式中，为大圆半径内格网点和的距离，为格网点之间的平面关联长度，为一个网格点对其邻域的影响的迭代半径。
更进一步地，所述同化方法还包括：
利用改进的逐步订正法 ISCM进行电离层TEC同化，方法如下：
(3)
式中，为订正次数，为影响半径内格网点的总数，为第个格网点上经过次迭代后的值，为第次观测点，为对观测点上的第次估计，为第次迭代时，第个观测值的权重因子，为模型方差，为北斗GEO电离层TEC值的测量误差方差；通过ISCM，将北斗GEO电离层TEC值同化到IRI模型中。
更进一步地，所述同化模型的精度评定包括：
与全球电离层图GIM进行对比分析，同时与未参与建模的北斗GEO电离层TEC值精度评估。
本发明的优点：
本发明的基于北斗GEO的电离层TEC同化建模方法，基于北斗GEO卫星估计得到的固定穿刺点的TEC，利用改进的逐步订正法将其同化到国际参考电离层模型IRI中，并与全球电离层图GIM以及未参与建模的北斗GEO电离层TEC值进行对比分析，评估其精度。
在GNSS导航定位精度提高和空间环境的减灾和防灾能力具有重要的应用价值。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请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。
图1是本发明的同化建模的北斗测站分布图；
图2是本发明的北斗GEO卫星的电离层TEC分布图；
图3是本发明的ISCM和SCM同化建模结果与北斗GEO一号卫星TEC和GIM-TEC的对比图，其中(a)是CHBT接收到C01卫星信号后解算得到的2017年5月8日一天的电离层VTEC值作为参考值图，(b)是QXSZ接收到C01卫星信号后解算得到的2017年5月8日一天的电离层VTEC值作为参考值图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的基于北斗GEO的电离层TEC同化建模方法包括：
(1) 同化方法：逐步订正法(Successive Correction Method, SCM)是一种迭代经验方法。利用逐步订正法进行数据同化实验，将IRI模型作为先验信息，利用北斗GEO电离层TEC数据进行逐步订正。是给定的格网点的初始信息，由IRI模型给定，具体迭代如下：
(1)
式中，为订正次数，为影响半径内格网点的总数，为第次观测点，为对观测点上的第次估计，为第个格网点上经过次迭代后的值，为测量误差方差与先验误差方差之比的估计，为第次迭代时，第个观测值的权重因子；将权重因子定义为观测点与格网点之间的距离平方成反比或与平方距离的指数成反比的减小。融合北斗GEO电离层TEC值，权重因子定义如下：
(2)
式中，为大圆半径内格网点和的距离，为格网点之间的平面关联长度，为一个网格点对其邻域的影响的迭代半径。
SCM是通过观测资料与先验信息之差去订正前次推测值，该方法的函数权重在迭代过程中恒定不变，为此，通过选择测量误差方差与先验误差方差之比的合适估计值来改进SCM。本发明基于北斗GEO电离层TEC值和先验模型IRI信息，提出利用改进的逐步订正法(Improved Successive Correction Method, ISCM)进行电离层TEC同化。改进的方法如下：
(3)
式中，为订正次数，为影响半径内格网点的总数，为第个格网点上经过次迭代后的值，为第次观测点，为对观测点上的第次估计，为第次迭代时，第个观测值的权重因子，为模型方差，为北斗GEO电离层TEC值的测量误差方差；通过ISCM，将北斗GEO电离层TEC值同化到IRI模型中。
(2) 北斗GEO电离层TEC提取。由于GEO卫星与地球自转保持同步，卫星与地球相对静止的特点使得GEO卫星与地面接收机的信号传播路径几乎保持不变，因此，北斗GEO的电离层TEC不会受到电离层空间和时间梯度的变化影响。本发明利用非差非组合精密单点定位技术提取电离层TEC。
(3) 提取国际参考电离层模型IRI的TEC格网值，利用改进的逐步订正法，将北斗GEO电离层TEC值同化到IRI模型中。
(4) 同化模型的精度评定。与全球电离层图GIM(Global Ionosphere Map)进行对比分析，同时与未参与建模的北斗GEO电离层TEC值精度评估。
其中， SCM是通过观测资料与先验信息之差去订正前次推测值，该方法的函数权重在迭代过程中恒定不变，为此，通过选择测量误差方差与先验误差方差之比的合适估计值来改进SCM。本发明基于北斗GEO电离层TEC值和先验模型IRI信息，提出利用改进的逐步订正法(Improved Successive Correction Method, ISCM)进行电离层TEC同化。
其中，由于GEO卫星与地球自转保持同步，卫星与地球相对静止的特点使得GEO卫星与地面接收机的信号传播路径几乎保持不变，因此，北斗GEO的电离层TEC不会受到电离层空间和时间梯度的变化影响。本发明将北斗GEO电离层TEC值同化到国际参考电离层模型IRI模型中。
附图1展示了同化建模的北斗测站分布，图中▲代表参与同化建模的测站，★代表未参与同化建模的测站，分别是CHBT和QXSZ测站。
附图2展示了2017年5月8日UT12北斗GEO卫星的电离层TEC分布。
附图3展示了ISCM和SCM同化建模结果与北斗GEO一号卫星TEC和GIM-TEC的对比，(a)图是CHBT接收到C01卫星信号后解算得到的2017年5月8日一天的电离层VTEC值作为参考值，(b)图是QXSZ接收到C01卫星信号后解算得到的2017年5月8日一天的电离层VTEC值作为参考值。从中可以看出，利用ISCM同化建模的结果更接近于北斗GEO卫星的电离层TEC值，从而说明ISCM同化建模的结果要优于SCM同化建模的结果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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