[发明专利]一种增量式电离层折射误差修正方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航系统的电离层折射误差修正领域，尤其涉及一种应用于GNSS单频用户的增量式电离层折射误差修正方法。

背景技术

早在20世纪90年代中期开始，欧盟为了打破美国在卫星定位、导航、授时市场中的垄断地位，就致力于一个雄心勃勃的民用全球导航卫星系统计划，称之为全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)。该计划分两步实施：第一步是建立一个综合利用美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统的第一代全球导航卫星系统(当时称为GNSS-1，即后来建成的EGNOS)；第二步是建立一个完全独立于美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统之外的第二代全球导航卫星系统，即正在建设中的Galileo卫星导航定位系统。由此可见，GNSS从一问世起，就不是一个单一星座系统，而是一个包括美国的GPS系统、欧洲的Galileo系统、俄罗斯的GLONASS系统以及中国的北斗(Compass)系统等在内的综合星座系统。众所周知，卫星是在天空中环绕地球而运行的，其全球性是不言而喻的；而全球导航是相对于陆基区域性导航而言，以此体现卫星导航的优越性。GNSS系统的快速发展，使得卫星导航定位应用深入到人类生活的方方面面，人们对卫星导航定位系统的性能要求也越来越高。

对于GNSS系统而言，由于电离层的折射会对地面用户接收到的卫星载波和伪距信号产生附加时延效应。这种时延效应最大可达到几十米，将严重削弱卫星导航定位的精度和准确度，是卫星导航定位中的主要误差源之一。对于高端用户而言，通常可以利用电离层延迟效应与信号频率的平方反比关系，采用双频或多频组合方式有效地消除这种影响。对于单频实时导航定位用户而言，采用有效的电离层改正模型可以很好地削弱该误差的影响。

多数GNSS系统自身会在广播星历中预报电离层模型参数，供各单频用户实时开展电离层折射误差修正。如GPS系统采用的Klobuchar模型，Galileo系统拟采用的NeQuick模型，以及北斗系统采用的类Klobuchar模型。

由于广播星历用的预报模型只能在周日尺度上反映电离层的变化特性，而电离层本身存在不稳定性，加上目前对其物理特性的了解还有一定的模糊性，因此采用广播预报模型进行电离层折射误差修正的修正效果对于相当一部分用户来说，难以满足高精度的应用需求。

在这种背景下，从二十世纪九十年代以来，国内外学者对适用于单频用户的电离层折射误差实时修正模型进行了深入研究，取得了一定的进展，如格网电离层模型、电离层球谐函数模型、各类其他函数模型、全球电离层同化模型等等，有些已经付诸工程实现。如美国WAAS系统采用格网电离层模型，欧洲EGONS系统采用NeQuick模型，国际GPS地球动力学服务(IGS)发布电离层模型。用户利用这些模型或方法开展电离层折射误差修正，取得了一定的应用效果。

基于这类模型的电离层修正过程可归纳为三大步骤，第一大步骤是在系统的服务区域内设置一些基准观测站和中心控制站。由基准站观测提取各自到卫星的电波射线路径上的电离层时延，并通过通信信道传送到中心站；第二大步骤是中心站根据各基准站的实时观测值建立计算电离层时延模型的参数，并通过某种广播信道将这些模型参数广播出去；第三大步骤在用户端完成，用户首先接收中心站广播出的电离层时延模型参数，运用这些参数重构电离层时延模型，再通过模型计算用户所需的电离层时延改正值。

从实现步骤来看，此类电离层折射修正方法的性能可以从以下几个方面来进行评估：

1)修正精度：主要是指用户应用各类模型进行电离层折射误差修正所取得的改正精度；

2)监测站的资源配置：一般来说，监测站资源越多，提取的实时观测信息也就越丰富，建立的模型也就越精确，修正精度也就越高，但相应的布站成本也就越高，反之亦然。

3)广播参数容量：往往越精确的模型需要越多的参数来表征，广播这些参数对广播信道容量占用也就越多，参数广播成本也就越高，用户首次定位时间也就越长，反之亦然。

因此，这些模型的性能优劣取决于在模型修正精度、监测站资源配置和广播参数容量之间权衡，针对不同的应用需求和基础资源配置，不能一概而论。