[发明专利]一种基于多源卫星信号的电离层层析成像系统观测数据模拟方法

权利要求书

1.一种基于多源卫星信号的电离层层析成像系统观测数据模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，获取低轨道LEO信标卫星和GNSS卫星的星历：

步骤11，下载获取LEO信标卫星两行轨道根数文件，即TLE文件；

步骤12，读取TLE星历并解析出LEO卫星的轨道参数信息，包括卫星编号、历元时刻、轨道倾角、历元时刻升交点赤经、轨道偏心率、历元时刻近地点幅角、历元时刻的平近点角、平均转速；

步骤13，从国际GNSS服务下载获取RINEX格式的GNSS卫星广播星历文件；

步骤14，读取广播星历文件并解析出GNSS卫星的轨道参数信息，包括卫星在近地点时刻t_p的轨道长半轴、偏心率、近地点角距、升交点赤经和轨道倾角；

步骤2，解算LEO信标卫星和GNSS卫星的轨道坐标；

步骤21，利用SGP4模型读取LEO信标卫星的轨道参数信息，解算LEO信标卫星的经度、纬度和高度坐标；

步骤22，利用导航卫星ICD公布的模型读取GNSS卫星的轨道参数信息，解算GNSS卫星的经度、纬度和高度坐标；

步骤3，获取接收机可见卫星的过境时间和坐标信息：

步骤31，将LEO信标卫星和GNSS卫星的经纬高坐标转换为空间直角XYZ坐标，分别标记为(X₀,Y₀,Z₀)和(X₁,Y₁,Z₁)，转换表达式为：

其中R_e为地球半径，e²＝0.00669437999013；

步骤32，将接收机和卫星的空间直角坐标转换为站心直角坐标(N,E,U)，转换表达式为：

其中：T为旋转矩阵，计算方法如下：

其中：分别对应接收机的经度和纬度坐标；

步骤33，计算接收机与卫星间的仰角E，计算表达式为：

步骤34，计算接收机与卫星间的方位角A，计算表达式为：

步骤35，设定接收机可视卫星的仰角范围[E_min，E_max]和方位角范围[A_min，A_max]，判定卫星与接收机之间的仰角和方位角是否在视线范围内，如果是，则提取可视的时间信息和卫星的轨道坐标信息并保存；

步骤4，根据可视的卫星和接收机几何路径，构建电离层层析成像的投影矩阵：

步骤41，划定电离层层析成像区域的地理坐标范围和网格大小，纬度范围为纬度网格步长为经度范围为[λ_min,λ_max]，经度网格步长为dλ；高度范围为[h_min,h_max]，高度网格步长为dh，第i个经度、纬度和高度网格点计算方法如下：

λ_grid,i＝λ_min+(i-1)dλ，i＝1,2...,N_λ，N_λ＝(λ_max-λ_min)/dλ

h_grid,i＝h_min+(k-1)dh，k＝1,2...,N_h，N_h＝(h_max-h_min)/dh

其中：N_λ，N_h分别表示层析成像区域经度、纬度和高度方向的网格点数目；

步骤42，将接收机和卫星经纬高坐标转换为空间直角XYZ坐标，分别标记为(X_r,Y_r,Z_r)和(X_s,Y_s,Z_s)，转换表达式为：

其中R_e表示地球半径，e²＝0.00669437999013；

步骤43，根据接收机和卫星之间的相对位置建立直线方程，计算表达式如下：

其中：(X,Y,Z)表示射线上的任何一点的直角坐标，K表示比例常数；

步骤44，确定射线与层析成像区域的交叉的经度面L、纬度面B和高度面H，方法如下：

其中：经度面L、纬度面B和高度面H必须满足B∈[λ_min,λ_max]、H∈[h_min,h_max]；

步骤45，计算射线与层析成像网格的经度面，纬度面和高度面的交叉点(X_i,Y_i,Z_i)，其中i为交叉点编号；

步骤46，将交叉点的坐标由直角坐标(X_i,Y_i,Z_i)转换为地理坐标系计算公式如下：

式中：e'为参考椭球的第二偏心率；a＝6378.137，b＝6356.752；

步骤47，根据交叉点的地理坐标按顺序计算交叉点相互中间的中点计算方法如下：

步骤48，根据中点判定该所属网格索引值判定方法如下：

ID_λ＝count(λ_o≥λ_grid)；ID_h＝count(h_o≥h_grid)；

其中：λ_grid表示经度网格点；表示纬度网格点；h_grid表示高度网格点，count(·)表示统计计数；

步骤49，计算交叉点中点所在的网格编号，其在层析反演矩阵中的编号计算方法如下：

其中：N_λ表示经度方向划分的网格数，表示纬度方向划分的网格数；

步骤410，通过两点间的距离公式计算射线交叉点在网格中的截距，并将截距填入到层析反演矩阵A中，计算方法如下：

其中：ΔR表示射线在对应网格中的截距，p表示层析成像使用的第p根射线；下标i，i+1分别代表射线在同一网格内的起始点和结束点，遍历所有可视的路径射线，无射线经过的网格，反演矩阵统一填充0值，得到电离层层析成像的反演矩阵A；

步骤5，层析区域三维背景电离层电子密度信息生成：

步骤51，获取日地空间环境参量数据，包括太阳辐射通量和地磁指数；

步骤52，输入层析成像模拟数据生成的时刻信息，包括年，月，日和UT时刻；

步骤53，输入需要计算电离层电子密度信息网格点的经度、纬度和高度坐标；

步骤54，运行电离层模型，读取太阳辐射通量、地磁指数、计算时刻和网格点的坐标信息，计算得到三维背景电离层电子密度；

步骤55，将三维网格点按照设定的顺序进行一维排序，并将对应网格点的电子密度值存储为向量x；

步骤6，模拟并生成电离层层析成像系统观测的总电子含量数据：

步骤61，将步骤4获取的层析反演矩阵A和步骤5获取的电子密度值向量x进行矩阵乘法运算，计算得到电离层TEC数据：

y＝Ax

其中y即为所有观测样本对应的电离层TEC观测向量；

步骤62，为模拟测量噪声的影响，所有TEC数据加入幅度约为1％的随机误差；

步骤63，将TEC值对应的观测时刻、台站名称、台站坐标、卫星编号、卫星坐标和电离层TEC值放到一个数据集合中，并输出至文本文件中进行存储。