一種基于橢球的GNSS電離層層析投影矩陣獲取方法技術

本發明專利技術公開了一種基于橢球的GNSS電離層層析投影矩陣獲取方法，包括以下的步驟：S1：確定電離層層析待反演區域及待反演時段；S2：將待反演區域離散化為一系列三維像素；S3：準備電離層層析待反演區域及待反演時段內的GNSS衛星和GNSS接收機的大地空間直角坐標；S4：計算待反演時段內GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑與三維像素各個面的交點；S5：計算三維像素內GNSS衛星信號的傳播路徑的截距長度；S6：構成投影矩陣。本發明專利技術通過基于橢球的GNSS電離層層析獲取投影矩陣，克服了目前基于圓球提取投影矩陣方法時將地球橢球近似圓球的問題，保證了相對于地球橢球的投影矩陣能真實反映出GNSS信號傳播路徑在反演像素內的真實截距。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及電離層層析投影矩陣獲取方法，特別是涉及一種基于橢球的GNSS電離層層析投影矩陣獲取方法。
技術介紹
在高度約為60～1000km范圍內的大氣層中，由于太陽的紫外線、高能粒子和X射線等作用下，形成的存在著大量自由電子和正離子的區域，這個區域就是電離層。當電磁波在電離層中傳播時會發生反射、折射、散射和吸收導致信號的路徑產生彎曲、傳播速度發生變化等現象。為了解釋這些現象的產生需要對電離層的結構進行探測，電離層探測主要是為了獲取表征電離層特征的參數(主要研究電子密度)。隨著全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)技術的發展，為電離層的研究帶來新的技術和方法。利用GNSS觀測數據對電離層探測，主要是獲得沿衛星信號傳播路徑上的總電子含量(total electron content,TEC)，通常TEC被認為是投影函數與相應垂直總電子含量(Vertical Total Electronic Content，VTEC)的函數。電離層TEC的空間上的分布只能反映出電離層某一層的水平結構，卻難以描述其垂直結構。層次技術(Computerized Tomography,CT)在電離層探測中的應用形成了電離層層析成像技術(Computerized Ionospheric Tomography,CIT)，該技術對電離層電子密度的時空變化進行分層，克服了單層模型的局限性，且適合于大尺度的電離層電子密度垂直分布及其擾動監測，實現了對電離層垂直結構的研究。目前，利用GNSS的電離層層析成像技術取得了很大的發展，但由于GNSS的電離層層析復雜性，電離層層析還有很多問題需要進一步的研究。
技術實現思路
專利技術目的：本專利技術的目的是提供一種有利于分析高分辨率電離層時空變化的基于橢球的GNSS電離層層析投影矩陣獲取方法。技術方案：為達到此目的，本專利技術采用以下技術方案：本專利技術所述的基于橢球的GNSS電離層層析投影矩陣獲取方法，包括以下的步驟：S1：確定電離層層析待反演區域及待反演時段；S2：將待反演區域離散化為一系列三維像素；S3：準備電離層層析待反演區域及待反演時段內的GNSS衛星和GNSS接收機的大地空間直角坐標；S4：計算待反演時段內GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑與三維像素各個面的交點：首先確定折半搜索算法在三維像素各個面的目標位置，然后計算GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑與三維像素各個面的交點；S5：計算三維像素內GNSS衛星信號的傳播路徑的截距長度；S6：構成投影矩陣。進一步，所述步驟S1包括以下的步驟：S1.1：確定電離層層析待反演區域；確定電離層層析待反演區域的經度范圍[L1 Ln]、緯度范圍[B1 Bm]和橢球高范圍[H1 Hq]；S1.2：確定電離層層析待反演時段[T1 Tt]，電離層層析待反演的時刻為[T1 T2... Tt]。進一步，所述步驟S2包括以下的步驟：S2.1：根據電離層層析待反演區域的經度范圍、緯度范圍和橢球高范圍，將待反演區域離散化為一系列的三維像素，即：經度被離散化為[L1 L2 ... Ln]；緯度被離散化為[B1 B2 ... Bm]；橢球高被離散化為[H1 H2 ... Hq]；S2.2：對三維像素按照經度從西到東、緯度從南到北和橢球高從下到上的方式進行編號：當三維像素的左下角的經度為Li、緯度為Bj和橢球高為Hk，根據式(1)確定這個三維像素編號f：f＝(k-1)×((m-1)×(n-1))+(j-1)×(n-1)+i (1)其中i＝1,2,…,n、j＝1,2,…,m、k＝1,2,…,q。進一步，所述步驟S4中確定折半搜索算法在三維像素各個面的目標位置包括以下的步驟：S4.1：確定折半搜索算法在三維像素橢球高面的目標位置：折半搜索算法在三維像素橢球高面的目標位置分別為S2.1中被間隔的橢球高[H1H2 ... Hq]；S4.2：判斷待反演時段內GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑是否屬于電離層層析待反演區域；根據折半搜索算法計算出Ts時刻GNSS信號傳播路徑與橢球高面H1、Hq的交點的大地空間直角坐標分別為[Xh1 Yh1 Zh1]T、[Xhq Yhq Zhq]T，將大地空間直角坐標分別轉換成大地坐標[Lh1 Bh1 Hh1]T、[Lhq Bhq Hhq]T；根據式(2)判斷Ts時刻GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑是否屬于電離層層析待反演區域：若滿足式(2)，則Ts時刻GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑屬于電離層層析待反演區域；若不滿足式(2)，則Ts時刻GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑不屬于電離層層析待反演區域； L 1 < [ L h 1 , L h q ] < L n B 1 < [ B h 1 , B h q ] < B m - - -本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于橢球的GNSS電離層層析投影矩陣獲取方法，其特征在于：包括以下的步驟：S1：確定電離層層析待反演區域及待反演時段；S2：將待反演區域離散化為一系列三維像素；S3：準備電離層層析待反演區域及待反演時段內的GNSS衛星和GNSS接收機的大地空間直角坐標；S4：計算待反演時段內GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑與三維像素各個面的交點：首先確定折半搜索算法在三維像素各個面的目標位置，然后計算GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑與三維像素各個面的交點；S5：計算三維像素內GNSS衛星信號的傳播路徑的截距長度；S6：構成投影矩陣。

【技術特征摘要】
1.一種基于橢球的GNSS電離層層析投影矩陣獲取方法，其特征在于：包括以下的步驟：S1：確定電離層層析待反演區域及待反演時段；S2：將待反演區域離散化為一系列三維像素；S3：準備電離層層析待反演區域及待反演時段內的GNSS衛星和GNSS接收機的大地空間直角坐標；S4：計算待反演時段內GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑與三維像素各個面的交點：首先確定折半搜索算法在三維像素各個面的目標位置，然后計算GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑與三維像素各個面的交點；S5：計算三維像素內GNSS衛星信號的傳播路徑的截距長度；S6：構成投影矩陣。2.根據權利要求1所述的基于橢球的GNSS電離層層析投影矩陣獲取方法，其特征在于：所述步驟S1包括以下的步驟：S1.1：確定電離層層析待反演區域；確定電離層層析待反演區域的經度范圍[L1 Ln]、緯度范圍[B1 Bm]和橢球高范圍[H1Hq]；S1.2：確定電離層層析待反演時段[T1 Tt]，電離層層析待反演的時刻為[T1 T2 ... Tt]。3.根據權利要求1所述的基于橢球的GNSS電離層層析投影矩陣獲取方法，其特征在于：所述步驟S2包括以下的步驟：S2.1：根據電離層層析待反演區域的經度范圍、緯度范圍和橢球高范圍，將待反演區域離散化為一系列的三維像素，即：經度被離散化為[L1 L2 ... Ln]；緯度被離散化為[B1 B2 ... Bm]；橢球高被離散化為[H1 H2 ... Hq]；S2.2：對三維像素按照經度從西到東、緯度從南到北和橢球高從下到上的方式進行編號：當三維像素的左下角的經度為Li、緯度為Bj和橢球高為Hk，根據式(1)確定這個三維像素編號f：f＝(k-1)×((m-1)×(n-1))+(j-1)×(n-1)+i (1)其中i＝1,2,…,n、j＝1,2,…,m、k＝1,2,…,q。4.根據權利要求3所述的基于橢球的GNSS電離層層析投影矩陣獲取方法，其特征在于：所述步驟S4中確定折半搜索算法在三維像素各個面的目標位置包括以下的步驟：S4.1：確定折半搜索算法在三維像素橢球高面的目標位置：折半搜索算法在三維像素橢球高面的目標位置分別為S2.1中被間隔的橢球高[H1 H2... Hq]；S4.2：判斷待反演時段內GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑是否屬于電離層層析待反演區域；根據折半搜索算法計算出Ts時刻GNSS信號傳播路徑與橢球高面H1、Hq的交點的大地空間直角坐標分別為[Xh1 Yh1 Zh1]T、[Xhq Yhq Zhq]T，將大地空間直角坐標分別轉換成大地坐標[Lh1 Bh1 Hh1]T、[Lhq Bhq Hhq]T；根據式(2)判斷Ts時刻GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑是否屬于電離層層析待反演區域：若滿足式(2)，則Ts時刻GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑屬于電離層層析待反演區域；若不滿足式(2)，則Ts時刻GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑不屬于電離層層析待反演區域； L 1 < [ L h 1 , L h q ] < L n B 1 < [ B h 1 , B h q ] < B m - - - ( 2 ) ]]>其中s＝1,2,…,t；S4.3：確定折半搜索算法在三維像素經度面和緯度面的目標位置：根據S4.2，若Ts時刻GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑屬于電離層層析待反演區域，將S2.1中滿足式(3)的經度Li和緯度Bj分別作為折半搜索算法在三維像素經度面和緯度面的目標位置； L h 1 < L i < L h q B h 1 < B j < B h q - - - ( 3 ) . ]]>5.根據權利要求1所述的基于橢球的GNSS電離層層析投影矩陣獲取方法，其特征在于：所述步驟S3包括以下的步驟：S3.1：在電離層層析待反演時段[T1 Tt]內，準備待反演區域內以及周邊的GNSS接收機的大地空間直角坐標；S3.2：獲取電離層層析待反演時段[T1 Tt]內GNSS衛星星歷數據，并根據星歷計算待反演時段內GNSS衛星不同時刻的大地空間直角坐標。6.根據權利要求1所述的基于橢球的GNSS電離層層析投影矩陣獲取方法，其特征在于：所述步驟S4中計算GNSS衛星到GNSS接收機的信號傳播路徑與三維像素各個面的交點包括以下的步驟：S4.4：初始化折半搜索算法的參數：將Ts時刻GNSS衛星的大地直角坐標作為上邊界將GNSS接收機的大地直角坐標作為下邊界設置目標位置LBH，依據實際電離層層析精度需求設置閥值e，其中s＝1,2,…,t；S4.5：計算探測位置，并判定是否繼續折半搜索：根據式(4)計算探測位置的大地空間直角坐標將探測位置的大地空間直角坐標轉換成大地坐標若目標位置LBH與探測位置相應大地坐標值P.LBH的差的絕對值|P.LBH-LBH|＜e，進行步驟S4.7；若|P.LBH-LBH|≥e，進行步驟S4.6； X Y Z P T = ( ...

【專利技術屬性】
技術研發人員：胡伍生，余龍飛，丁茂華，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32