一种结合NeQuick G模型的电离层层析方法

技术领域

本发明属于电离层探测技术领域，特别涉及一种结合NeQuick G模型的电离层层析方法。

背景技术

随着世界各国对于地外空间探测活动的日益频繁，以及卫星通信导航遥感的应用普及，人类对电离层结构特征及其时空变化规律的监测反演需求日益增强，同时电离层监测反演对于理解其各层结构的形成机制也具有重要的科学意义。电离层探测是获取电离层基本信息和结构特征的重要手段，主要包含地面测高仪、雷达、电离层模型、全球导航卫星系统及电离层层析成像(CIT)等技术。

电离层层析方法展现出了探测电离层电子密度三维分布和变化方面的优势，可以重构电离层空间结构，适合监测电离层电子密度的大尺度空间分布及其变化，具有费用低、操作简单、探测范围广等诸多优势，对于电离层不同尺度结构变化及全球电离层环境监测具有重要意义，但是电离层层析方法的精度方面还有较大的提升空间。

电离层层析方法中需要构建映射矩阵，以解决矩阵秩亏的问题。构建映射矩阵的方法有很多，其中一种就是使用经验正交函数(EOF)来构建垂直轮廓，并使用基于体素的网格来绑定纬度和经度，利用经验正交函数对电离层垂直剖面形成约束。传统的电离层层析方法使用国际参考电离层(IRI)模型生成经验正交函数，所得反演结果的精度较低，所以可使用精度较高的NeQuick G模型构建经验正交函数并应用到电离层层析当中。与国际参考电离层模型相比，NeQuick G模型具有以下特点：NeQuick G模型是三维时变的电离层经验模型，该模型是以Epstein公式为基础，以E层、F1层和F2层峰值数据为锚点建立解析函数公式，能够对参数进行近似实时的改正。NeQuick G模型不仅能计算出电离层中F2层的峰值电子密度(NmF2)和峰值高度(hmF2)，也可以计算出任何位置的电子密度、任意传播信号的倾斜总电子含量(STEC)，并且在全球范围内表现出了较高精度，可消除50％以上的电离层误差，所以将NeQuick G模型的结果生成一个经验正交函数，作为层析技术的映射矩阵，应用到电离层层析反演中，计算得到单点位置处的电子含量Ne、倾斜总电子含量是极具意义的。但目前尚未发现相应的方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结合NeQuick G模型的电离层层析方法。

为了达到上述目的，本发明提供的结合NeQuick G模型的电离层层析方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)确定电离层层析反演区域，并根据GNSS观测文件获得电离层层析反演区域内接收站的具体地理位置；

2)根据电离层层析反演区域的精密星历文件以及步骤1)获得的接收站的具体地理位置，获取卫星的地理位置，由此确定出卫星的轨迹，并设定电离层层析反演时间；

3)根据步骤1)获得的电离层层析反演区域、步骤2)获得的电离层层析反演时间获得月份、世界时，并根据Galileo导航电文计算出NeQuick G模型所需的电离层水平有效参数Az；

4)根据步骤1)获得的接收站的具体地理位置、步骤2)获得的卫星的地理位置、步骤3)获得的电离层水平有效参数Az，利用NeQuick G模型计算出三维空间区域中单点位置处的电子密度Ne；

5)利用步骤4)获得的三维空间区域中单点位置处的电子密度Ne生成经验正交函数EOF作为电离层层析反演的映射矩阵M；

6)利用电离层层析算法，基于步骤2)获得的卫星轨迹、步骤5)获得的映射矩阵M，反演三维空间区域中单点位置处的电子密度Ne与信号传输路径的倾斜总电子含量STEC，之后根据卫星的仰角计算得到垂直总电子含量VTEC。

在步骤1)中，所述确定电离层层析反演区域，并根据GNSS观测文件获得电离层层析反演区域内接收站的具体地理位置的方法是：

首先确定电离层层析反演区域，然后找到该区域内接收站的观测文件，将观测文件中多个接收站的经度、纬度、高度数据提取出来并合并到一个文件中，由此获得接收站的具体地理位置。

在步骤2)中，所述根据电离层层析反演区域的精密星历文件以及步骤1)获得的接收站的具体地理位置，获取卫星的地理位置，由此确定出卫星的轨迹，并设定电离层层析反演时间的方法是：

获取电离层层析反演区域的精密星历文件，然后根据步骤1)中获得的接收站的具体地理位置和精密星历文件，计算出不同卫星在不同时刻所处的包括经度、纬度和高度在内的地理位置，由此确定出卫星的轨迹，同时将电离层层析反演时间间隔设置为30min。

在步骤3)中，所述根据步骤1)获得的电离层层析反演区域、步骤2)获得的电离层层析反演时间获得月份、世界时，并根据Galileo导航电文计算出NeQuick G模型所需的电离层水平有效参数Az的方法是：

根据步骤1)获得的电离层层析反演区域、步骤2)获得的电离层层析反演时间获取所求时刻的月份、世界时，然后在Galileo导航电文中找到当日播发的一组电离层水平有效参数Az。

在步骤4)中，所述根据步骤1)获得的接收站的具体地理位置、步骤2)获得的卫星的地理位置、步骤3)获得的电离层水平有效参数Az，利用NeQuick G模型计算出三维空间区域中单点位置处的电子密度Ne的方法是：

在利用NeQuick G模型计算三维空间区域中单点位置处的电子密度Ne过程中，Epstein函数被用作构建电离层的基本分析函数，其中包含了电离层剖面中的E层峰值高度hmE、F1层峰值高度hmF1、F2层峰值高度hmF2这三个定位点以及相应的临界频率foE、foF1和foF2和传播因子M(3000)F2在内的参数；

Epstein函数的解析式表示为：

式中，就电离层剖面而言，X1表示某层的峰值振幅，Y1表示该层的峰值高度，Z1表示该层的厚度，W1表示该层的高度；

NeQuick G模型的输入参数为接收站的包括经度、纬度、高度在内的具体地理位置、卫星的包括经度、纬度、高度在内的地理位置、世界时和电离层有效水平参数Az，以及CCIR－XX.ASC文件提供的F2层临界频率foF2和传播因子M(3000)F2，MODIP.ASC文件提供的地磁纬度，输出参数为空间区域中单点位置处的电子密度Ne。

在步骤5)中，所述利用步骤4)获得的三维空间区域中单点位置处的电子密度Ne生成经验正交函数EOF作为电离层层析反演的映射矩阵M的方法是：

将步骤4)中获得的一系列三维空间区域中单点位置处的电子密度Ne按经度、纬度、高度整合为一个矩阵，然后对该矩阵使用svds函数进行奇异值分解，获得奇异值和奇异向量，再对奇异向量进行矩阵标准化，获得经验正交函数EOF作为电离层层析反演的映射矩阵M。

在步骤6)中，所述利用电离层层析算法，基于步骤2)获得的卫星轨迹、步骤5)获得的映射矩阵M，反演三维空间区域中单点位置处的电子密度Ne与信号传输路径的倾斜总电子含量STEC，之后根据卫星的仰角计算得到垂直总电子含量VTEC的方法是：

GNSS接收机的RINEX文件包含的GPS可观测数据有:

其中，P

由于相位和码距的观测数据不同，因此由式(2)至式(5)可推导出如下两式：

可通过式(6)中的噪声项计算得到倾斜总电子含量STEC，通过式(7)中与其相关联的整周模糊度的偏置项也可得到倾斜总电子含量STEC；

基于上述倾斜总电子含量STEC，利用多分辨率电离层层析算法反演获得电离层的电子密度X；方法是首先设GNSS接收机与卫星之间的传输路径为h，再将电离层格网化，将无线电波穿过每个格网时在垂直方向上的截距记为H

将电离层层析反演得到的三维空间区域中单点位置处的电子密度Ne沿信号传播路径进行积分，即可得到电离层层析算法的倾斜总电子含量STEC，之后根据已知的卫星仰角即可得到垂直总电子含量VTEC：

式中，Re＝6371.2km是地球的平均半径，h

本发明提供的结合NeQuick G模型的电离层层析方法具有如下有益效果：由于NeQuick G模型精度较高，本发明先是利用NeQuick G模型构建经验正交函数来构建垂直轮廓，EOF对垂直剖面形成了约束，将经验正交函数作为映射矩阵解决电离层层析中的矩阵秩亏问题，使层析反演的精度达到一定的水平。

附图说明

图1为本发明中利用NeQuick G模型计算电离层的电子密度流程图。

图2为本发明提供的基于NeQuick G模型在电离层层析成像方法流程图。

图3为NeQuick G模型、IRI模型分别应用于电离层层析反演所得的F2层峰值电子密度NmF2。

图4为NeQuick G模型、IRI模型分别应用于电离层层析反演所得的F2层峰值高度hmF2。

图5为NeQuick G模型构建的电离层层析结果所得的垂直总电子含量VTEC。

图6为CODE模型所得的垂直总电子含量VTEC。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1-图2所示，本发明提供的结合NeQuick G模型的电离层层析方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)确定电离层层析反演区域，并根据GNSS(全球导航卫星系统)观测文件获得电离层层析反演区域内接收站的具体地理位置；

首先确定电离层层析反演区域，然后找到该区域内接收站的观测文件，将观测文件中多个接收站的经度、纬度、高度数据提取出来并合并到一个文件中，由此获得接收站的具体地理位置。

2)根据电离层层析反演区域的精密星历文件以及步骤1)获得的接收站的具体地理位置，获取卫星的地理位置，由此确定出卫星的轨迹，并设定电离层层析反演时间；

获取电离层层析反演区域的精密星历文件，然后根据步骤1)中获得的接收站的具体地理位置和精密星历文件，计算出不同卫星在不同时刻所处的包括经度、纬度和高度在内的地理位置，由此确定出卫星的轨迹，同时将电离层层析反演时间间隔设置为30min。

3)根据步骤1)获得的电离层层析反演区域、步骤2)获得的电离层层析反演时间获得月份、世界时，并根据Galileo导航电文计算出NeQuick G模型所需的电离层水平有效参数Az；

根据步骤1)获得的电离层层析反演区域、步骤2)获得的电离层层析反演时间获取所求时刻的月份、世界时，然后在Galileo导航电文中找到当日播发的一组电离层水平有效参数Az。

4)根据步骤1)获得的接收站的具体地理位置、步骤2)获得的卫星的地理位置、步骤3)获得的电离层水平有效参数Az，利用NeQuick G模型计算出三维空间区域中单点位置处的电子密度Ne；

在利用NeQuick G模型计算三维空间区域中单点位置处的电子密度Ne过程中，Epstein函数被用作构建电离层的基本分析函数，其中包含了电离层剖面中的E层峰值高度hmE、F1层峰值高度hmF1、F2层峰值高度hmF2这三个定位点以及相应的临界频率foE、foF1和foF2和传播因子M(3000)F2在内的参数；

Epstein函数的解析式表示为：

式中，就电离层剖面而言，X1表示某层的峰值振幅，Y1表示该层的峰值高度，Z1表示该层的厚度，W1表示该层的高度；

NeQuick G模型的输入参数为接收站的包括经度、纬度、高度在内的具体地理位置、卫星的包括经度、纬度、高度在内的地理位置、世界时和电离层有效水平参数Az，以及CCIR－XX.ASC文件提供的F2层临界频率foF2和传播因子M(3000)F2，MODIP.ASC文件提供的地磁纬度，输出参数为空间区域中单点位置处的电子密度Ne。

5)利用步骤4)获得的三维空间区域中单点位置处的电子密度Ne生成经验正交函数EOF作为电离层层析反演的映射矩阵M；

将步骤4)中获得的一系列三维空间区域中单点位置处的电子密度Ne按经度、纬度、高度整合为一个矩阵，然后对该矩阵使用svds函数进行奇异值分解，获得奇异值和奇异向量，再对奇异向量进行矩阵标准化，获得经验正交函数EOF作为电离层层析反演的映射矩阵M。

6)利用电离层层析算法，基于步骤2)获得的卫星轨迹、步骤5)获得的映射矩阵M，反演三维空间区域中单点位置处的电子密度Ne与信号传输路径的倾斜总电子含量STEC，之后根据卫星的仰角计算得到垂直总电子含量VTEC。

GNSS接收机的RINEX文件包含的GPS可观测数据有:

其中，P

由于相位和码距的观测数据不同，因此由式(2)至式(5)可推导出如下两式：

可通过式(6)中的噪声项计算得到倾斜总电子含量STEC，通过式(7)中与其相关联的整周模糊度的偏置项也可得到倾斜总电子含量STEC；

基于上述倾斜总电子含量STEC，利用多分辨率电离层层析算法反演获得电离层的电子密度X；

首先设GNSS接收机与卫星之间的传输路径为h，再将电离层格网化，将无线电波穿过每个格网时在垂直方向上的截距记为H

将电离层层析反演得到的三维空间区域中单点位置处的电子密度Ne沿信号传播路径进行积分，即可得到电离层层析算法的倾斜总电子含量STEC，之后根据已知的卫星仰角即可得到垂直总电子含量VTEC：

式中，Re＝6371.2km是地球的平均半径，h

本发明提供的基于NeQuick G模型在电离层层析成像方法可以通过以下实验结果进一步说明，并进行了结果展示且给出了误差分析。

实验参数描述：本发明使用的测高仪数据来源于DIDBase网站；NeQuick G模型来源于欧洲GNSS服务中心官网；观测文件、NeQuick G模型输入参数均来源于CDDIS网站。电离层层析反演成像区域选择中国及周边区域(70°E，140°E)，(15°N，55°N)。

由于已有的层析算法使用了IRI模型构建映射矩阵，本发明使用NeQuick G模型构建映射矩阵，所以将两种方法所得的层析结果进行精度比较。以某地区为例，图3、图4为NeQuick G模型、IRI模型分别应用于电离层层析反演所得F2层峰值电子密度NmF2、F2层峰值高度hmF2与测高仪数据进行比较。图5为NeQuick G模型构建的电离层层析结果所得垂直总电子含量VTEC，符合电离层垂直总电子含量VTEC的规律。图6为CODE模型所得的垂直总电子含量VTEC。表1、表2则分别给出了NeQuick G模型、IRI模型应用于电离层层析所得结果与测高仪F2层峰值电子密度NmF2、F2层峰值高度hmF2误差比较，从结果来看，本发明在一定程度上提升了电离层层析结果的精度。

表1

表2