一種基于多尺度剖分的電離層層析技術(shù)和電離層延遲改正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多尺度剖分的電離層層析技術(shù)和電離層延遲改正方法，將區(qū)域電離層的三維空間按不同的“像素”尺度進(jìn)行剖分，由此得到了多個(gè)不同的單尺度電離層層析模型，將這些模型的未知變量進(jìn)行統(tǒng)一解算，并根據(jù)不同的權(quán)重因子，最終加權(quán)得到多尺度層析模型的解，重構(gòu)區(qū)域的電離層電子密度分布，獲得區(qū)域的電離層延遲。本發(fā)明重構(gòu)的電離層空間活動(dòng)規(guī)律擬合程度高，時(shí)效性強(qiáng)，使用方便；根據(jù)本發(fā)明獲取的區(qū)域電離層延遲量解算結(jié)果精度高，使得CORS測(cè)量成果的應(yīng)用范圍擴(kuò)大。經(jīng)過大量工程實(shí)例應(yīng)用結(jié)果分析，經(jīng)本發(fā)明重構(gòu)的電離層電子密度分布較之傳統(tǒng)的單尺度電離層層析模型更加平滑和合理，且電離層延遲改正精度平均提高了30%。
【專利說明】一種基于多尺度剖分的電離層層析技術(shù)和電離層延遲改正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種基于多尺度剖分的電離層層析技術(shù)和電離層延遲改正方法，屬于大地測(cè)量與空間信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]電離層是距地球表面70_2000km的高層大氣，主要由中間層，熱層和外大氣層組成。而當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)穿過電離層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間延遲(電離層延遲)，因此，衛(wèi)星導(dǎo)航和定位的精度被電離層延遲顯著影響。電離層延遲一般由電離層總電子含量(TEC)表示，其定義是底面積為一個(gè)單位面積時(shí)沿信號(hào)傳播路徑貫穿整個(gè)電離層的一個(gè)柱體內(nèi)所含的電子總數(shù)，即為沿著信號(hào)傳播路徑對(duì)電子密度的一個(gè)線性積分，其單位是TECU。在實(shí)際應(yīng)用中，一般通過雙頻、多頻組合和各種電離層延遲模型消除或改正電離層延遲。
[0003]傳統(tǒng)的電離層建模方法是假定電離層區(qū)域所有的自由電子都集中在一個(gè)特定高度的無限薄的球?qū)由希谶@種單層的二維電離層模型常見的有多項(xiàng)式模型、三角級(jí)數(shù)模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。雖然利用這些方法所建立的電離層模型進(jìn)行短時(shí)間段內(nèi)的TEC值預(yù)報(bào)時(shí)，其精度也可達(dá)1-3TECU，但是只能獲取信號(hào)傳播路徑上的TEC，無法獲得電離層電子含量的空間分布，而且也不能反映中小尺度的電離層信息，如電離層擾動(dòng)、赤道異?，F(xiàn)象等。電離層層析成像(CIT)是空間環(huán)境無線電波遙感中的一項(xiàng)重要的新技術(shù)，通過結(jié)合地面的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，可有效地反演出三維的電離層信息，為監(jiān)測(cè)和研究電離層活動(dòng)規(guī)律提供了有力的工具。
[0004]在實(shí)際的電離層層析問題中，由于地基GPS測(cè)站缺乏水平或接近水平方向的信號(hào)傳播射線且GPS測(cè)站分布有限，以及信號(hào)傳播射線分布不均勻，使得采集的數(shù)據(jù)不完整，這是影響圖像反演重建質(zhì)量的主要因素。為了解決這些問題，很多算法被用來提高層析反演的質(zhì)量。有關(guān)電離層層析的算法，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，總結(jié)起來有三種:
[0005]1.經(jīng)典的迭代重構(gòu)算法
[0006]代數(shù)重建算法(ART)作為一個(gè)經(jīng)典的迭代重構(gòu)算法，結(jié)合一個(gè)預(yù)先給定的初始解，對(duì)求解電離層層析模型中系數(shù)矩陣的病態(tài)問題有很高的效率。而基于代數(shù)重建算法的乘法代數(shù)重建算法(multiplicationalgebraicreconstructiontechnique, MART)在重構(gòu)電離層電子密度時(shí)，有效的避免了出現(xiàn)不合理的負(fù)值問題。然而，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這兩種算法都對(duì)初始解比較敏感，計(jì)算的時(shí)間較長(zhǎng)，而且精度不高。
[0007]2.非迭代重構(gòu)算法
[0008]在電離層層析模型中，最常用的非迭代重構(gòu)算法是特征值分解算法(SVD)，其優(yōu)點(diǎn)是在反演過程中不需要依賴初始解。但是由于電離層層析模型的系數(shù)矩陣都非常大，所以在反演過程中利用特征值分解算法時(shí)很難求解系數(shù)矩陣的逆矩陣，所以實(shí)用性不高。
[0009]3.改進(jìn)的迭代重構(gòu)算法
[0010]為了提高電離層層析模型的計(jì)算效率和電離層電子密度的重構(gòu)質(zhì)量，針對(duì)經(jīng)典的迭代重構(gòu)算法的那些缺點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的改進(jìn)研究。比如把經(jīng)典的迭代重構(gòu)算法(ART)和非迭代重構(gòu)算法(SVD)相結(jié)合得到一個(gè)混合重構(gòu)算法；利用二階拉普拉斯算子去約束經(jīng)典迭代重構(gòu)算法(ART和MART)，得到基于經(jīng)典迭代重構(gòu)算法的約束算法。對(duì)于改進(jìn)的迭代重構(gòu)算法，雖然計(jì)算效率和重構(gòu)質(zhì)量得到一定提高，但還是沒有從根本上改變電離層層析模型的解算模式，導(dǎo)致重構(gòu)的效果還是不能達(dá)到一個(gè)理想的狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011](一)要解決的技術(shù)問題
[0012]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于多尺度剖分的電離層層析技術(shù)和電離層延遲改正方法，來提高電離層層析反演的計(jì)算速度，反演質(zhì)量和電離層延遲改正精度。
[0013](二)技術(shù)方案
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種基于多尺度剖分的電離層層析技術(shù)和電離層延遲改正方法，包括以下步驟:
[0015]S1:資料收集:確定區(qū)域的范圍，根據(jù)區(qū)域內(nèi)的CORS數(shù)據(jù)提取電離層TEC、衛(wèi)星和測(cè)站坐標(biāo)等數(shù)據(jù)；
[0016]S2:根據(jù)不同的“像素”尺度，對(duì)區(qū)域電離層的三維空間進(jìn)行剖分，針對(duì)每個(gè)“像素”尺度，建立相應(yīng)的單尺度電離層層析模型；
[0017]S3:根據(jù)步驟S2中建立的多個(gè)單尺度電離層層析模型，建立多尺度電離層層析模型；
[0018]S4:對(duì)多尺度電離層層析模型進(jìn)行解算，反演區(qū)域電離層電子密度；
[0019]S5:根據(jù)多尺度電離層層析模型反演結(jié)果，計(jì)算區(qū)域電離層延遲。
[0020]其中，所述步驟SI具體包括:
[0021]S1.1:確定研究區(qū)域的經(jīng)度、緯度和高度范圍；
[0022]S1.2:確定建模的時(shí)間段；
[0023]S1.3:根據(jù)區(qū)域內(nèi)每個(gè)測(cè)站的CORS數(shù)據(jù)提取S1.2中所給時(shí)間段內(nèi)每個(gè)歷元的電離層TEC、衛(wèi)星和測(cè)站坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。
[0024]S1.4:根據(jù)S1.3中數(shù)據(jù)的質(zhì)量，確定用來建模的測(cè)站，以及測(cè)站的位置；
[0025]其中，所述步驟S2包括:
[0026]S2.1:確定多尺度電離層層析模型中每個(gè)子模型的“像素”尺度；在根據(jù)不同的“像素”尺度建立的單尺度電離層層析模型中，我們把“像素”尺度最小的模型稱為多尺度電離層層析模型的第一階子模型，假設(shè)第一階子模型的“像素”尺度為0.5° X0.5° X 15km,在保持高度不變的情況下，則第二階子模型的“像素”尺度為1° Xl0 X15km，第三階子模型的“像素”尺度為2° X2° X 15km，以此類推，多尺度電離層層析模型的每個(gè)子模型的“像素”尺度都是第一階子模型“像素”尺度的素?cái)?shù)倍，且其最后一階子模型的“像素”尺度即為整個(gè)區(qū)域三維空間。
[0027]S2.2:根據(jù)S2.1中確定的每個(gè)子模型的“像素”尺度，建立子模型；
[0028]從衛(wèi)星到測(cè)站之間每條路徑上的TEC是沿著該路徑對(duì)電子密度的一個(gè)線性積分，可表不為:
[0029]TEC = f pNe (s) ds[0030](I)
[0031]其中凡(S)表示沿信號(hào)路徑P上的電子密度。
[0032]由(I)式可知，電離層TEC和電子密度Ne (S)之間有一個(gè)非線性的關(guān)系，所以在層析模型反演過程中為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，必須把(I)式線性化。首先假設(shè)在S1.2中選定的建模時(shí)間段內(nèi)，電離層的電子密度分布是穩(wěn)定的；然后把研究區(qū)域按S2.1中確定的“像素”尺度剖分成很多小“像素”，則在每個(gè)“像素”內(nèi)的電子密度可認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)；因此，(I)式可表示為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于多尺度剖分的電離層層析技術(shù)和電離層延遲改正方法，包括以下步驟: S1:資料收集:確定研究區(qū)域的范圍，根據(jù)區(qū)域內(nèi)的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)CORS數(shù)據(jù)提取電離層TEC、衛(wèi)星和測(cè)站坐標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)； S2:根據(jù)不同的“像素”尺度，對(duì)區(qū)域電離層的三維空間進(jìn)行剖分，針對(duì)每個(gè)“像素”尺度，建立相應(yīng)的單尺度電離層層析模型； S3:根據(jù)步驟S2中建立的多個(gè)單尺度電離層層析模型，建立多尺度電離層層析模型； S4:對(duì)多尺度電離層層析模型進(jìn)行解算，反演區(qū)域電離層電子密度； S5:根據(jù)多尺度電離層層析模型反演結(jié)果，計(jì)算區(qū)域電離層延遲。
2.如權(quán)利要求1所述的基于多尺度剖分的電離層層析技術(shù)和電離層延遲改正方法，其特征在于，所述步驟SI具體包括: S1.1:確定研究區(qū)域的經(jīng)度、緯度和高度范圍； S1.2:確定建模的時(shí)間段； S1.3:根據(jù)區(qū)域內(nèi)每個(gè)測(cè)站的CORS數(shù)據(jù)提取S1.2中所給時(shí)間段內(nèi)每個(gè)歷元的電離層TEC、衛(wèi)星和測(cè)站坐 標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)； S1.4:根據(jù)S1.3中數(shù)據(jù)的質(zhì)量，確定用來建模的測(cè)站，以及測(cè)站的位置。
3.如權(quán)利要求1所述的基于多尺度剖分的電離層層析技術(shù)和電離層延遲改正方法，其特征在于，所述步驟S2包括: S2.1:確定多尺度電離層層析模型中每個(gè)子模型的“像素”尺度；在根據(jù)不同的“像素”尺度建立的單尺度電離層層析模型中，把“像素”尺度最小的模型稱為多尺度電離層層析模型的第一階子模型，假設(shè)第一階子模型的“像素”尺度為0.5° X0.5° X15km，在保持高度不變的情況下，則第二階子模型的“像素”尺度為1° Xl0 X 15km，第三階子模型的“像素”尺度為2° X2° X 15km，以此類推，多尺度電離層層析模型的每個(gè)子模型的“像素”尺度都是第一階子模型“像素”尺度的素?cái)?shù)倍，且其最后一階子模型的“像素”尺度即為整個(gè)區(qū)域三維空間； S2.2:根據(jù)S2.1中確定的每個(gè)子模型的“像素”尺度，建立子模型； 從衛(wèi)星到測(cè)站之間每條路徑上的TEC是沿著該路徑對(duì)電子密度的一個(gè)線性積分，可表示為:
TEC = f pNe(s) ds
(I) 其中凡(s)表示沿信號(hào)路徑P上的電子密度。 由⑴式可知，電離層TEC和電子密度凡(s)之間有一個(gè)非線性的關(guān)系，所以在電離層層析模型反演過程中為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，必須把(I)式線性化，首先假設(shè)在S1.2中選定的每個(gè)建模時(shí)間段內(nèi)，電離層的電子密度分布是穩(wěn)定的；然后把整個(gè)區(qū)域按S2.1中確定的“像素”尺度剖分成很多小“像素”，則在每個(gè)“像素”內(nèi)的電子密度可認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)；因此，(I)式可表不為:
4.如權(quán)利要求1所述的基于多尺度剖分的電離層層析技術(shù)和電離層延遲改正方法，其特征在于，所述步驟S3包括: 根據(jù)步驟S2中建立的多個(gè)子模型，多尺度電離層層析模型將同時(shí)解算每個(gè)單尺度模型的變量，而不是逐步解算，因此多尺度電離層層析模型最終的解是所有子模型解的一個(gè)疊加，即多尺度電離層層析模型在任意給定的位置S最終的電子密度X(S)是所有子模型在該位置的電子密度的一個(gè)疊加:
5.如權(quán)利要求1所述的基于多尺度剖分的電離層層析技術(shù)和電離層延遲改正方法，其特征在于，所述步驟S4包括: 基于代數(shù)重建算法ART快速收斂的性質(zhì)，我們利用ART算法去解算(6)式，則由(4)可知，多尺度電離層層析模型最終的解是所有子模型解的一個(gè)疊加，值得注意的是，由于疊加，多尺度電離層層析模型最終解的維數(shù)以及“像素”尺度都將和第一階子模型相同。
6.如權(quán)利要求1所述的基于多尺度剖分的電離層層析技術(shù)和電離層延遲改正方法，其特征在于，所述步驟S5包括: S5.1:針對(duì)研究區(qū)域內(nèi)另外的任意測(cè)站，根據(jù)接收到的CORS數(shù)據(jù)，提取測(cè)站和衛(wèi)星坐標(biāo)； S5.2:參考多尺度電離層層析模型的第一階子模型的“像素”剖分，并根據(jù)S5.1中所求的衛(wèi)星和測(cè)站坐標(biāo)，提取類似于(2)式中的系數(shù)矩陣A ; S5.3:把步驟S4中得到的多尺度電離層層析模型的解“右乘”S5.2中的系數(shù)矩陣A，則可得到S5.1中任意測(cè)站的電離層TEC。
【文檔編號(hào)】G01V3/12GK104007479SQ201410265257
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】胡伍生, 鄭敦勇, 孫洪飛, 金旭輝 申請(qǐng)人:東南大學(xué)