《全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法》是中國科學院測量與地球物理研究所於2010年7月9日申請的專利，該專利的申請號為201010222381X，公布號為CN101893714A，授權公布日為2010年11月24日，發明人是袁運彬、霍星亮、李子申、李慧、歐吉坤。
《全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法》包含下列步驟：（1）全球電離層基礎資料庫建立，（2）全球電離層基礎資料庫的更新，（3）全球電離層球諧函式的模型的預報，（4）電離層時延修正參數的發播，（5）接收機端電離層時延的修正。該發明的優點在於：充分利用了多年來全球的GNSS觀測站數據，並顧及電離層TEC的太陽11年周期，年、半年、季節、月份、日等不同時間和空間的周期變化特徵，採用多種方法，既減小了對衛星通訊的要求，又提高了修正效果。
2016年12月7日，《全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法
- 公布號：CN101893714A
- 授權日：2010年11月24日
- 申請號：201010222381X
- 申請日：2010年7月9日
- 申請人：中國科學院測量與地球物理研究所
- 地址：湖北省武漢市武昌區徐東大街340號
- 發明人：袁運彬、霍星亮、李子申、李慧、歐吉坤
- Int.Cl.：G01S19/21(2010.01)I
- 代理機構：武漢荊楚聯合智慧財產權代理有限公司
- 代理人：王健
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
全球衛星導航系統英文名稱為Global Navigation Satellite System，簡稱GNSS。其工作原理：由距地球表面2～4萬公里在軌連續運行的多顆衛星（包括：中軌衛星和地球靜止衛星）不間斷地傳送L波段的無線電信號，經過地球大氣層（包括中性大氣和電離層）到達地面被GNSS接收機捕獲，通過對捕獲的信號進行處理和測量可用於導航、定位和授時等。截至2010年7月，全球衛星導航系統主要包括：美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALIEO和中國北斗系統。
無線電信號在大氣傳播中因電離層的影響，可造成幾米甚至上百米的信號延遲，電離層對無線電信號的影響是全球衛星導航系統在導航、定位和授時數據處理中最為棘手的誤差源之一。GNSS接收機分為單頻和雙頻兩種型號，雙頻接收機能夠接收到2個及以上頻率的信號，可採用雙頻自校正技術消除電離層對無線電信號的影響，然而除GLONASS採用頻分多址技術外，其他全球衛星導航系統均採用碼分多址技術，雙頻接收機價格昂貴，民用用戶一般採用單頻接收機，只能接收到1個頻率的信號，無法採用雙頻自校正技術消除電離層對無線電信號的影響。碼分多址技術比頻分多址技術具有較大的優勢，已逐漸成為全球衛星導航建設信號處理技術的發展趨勢。對於單頻用戶而言，消除/削弱空間電離層體的影響是保證其定位精度的關鍵因素之一。因此，研究適用於全球衛星導航系統的廣播電離層時延改正技術一直是國內外全球衛星導航系統發展和套用研究中的熱點和難點問題。
全球衛星導航系統廣播電離層時延改正技術通常用於實時導航定位用戶，要求計算效率高，修正效果好，所要求的發播參數與通訊水平相匹配，不宜過多，一般控制在10個左右。截至2010年7月，GPS採用Klobuchar模型修正技術的發播8個參數，雖然計算效率較高，但是即便在電離層活動平靜的中緯度（30°N～60°N）地區，其修正效果也僅有60％左右，電離層活動劇烈時期或其他地區的修正效果更差。GALIEO系統採用經驗的NeQuick電離層模型，該模型儘管修正效果略優於Klobuchar模型，但計算效率難以滿足實時計算要求，模型參數較多不便於廣播發布。中國北斗全球衛星導航系統2010年7月前正處於初步建設時期，尚未見到相關的電離層廣播時延修正方法的報導。
發明內容
專利目的
《全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法》的目的是：提供一種全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法。該方法既有效利用了球諧函式高精度和優良的數學結構以及GNSS觀測資料的優勢，又巧妙地在整個模型參數數目不變的條件下，使得需要廣播的參數數目適量、修正效果更好；且能夠實時更新，具有良好的套用功能，從而較好地解決了全球衛星導航系統廣播電離層時延修正的技術難題。
技術方案
1、全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法基礎資料庫建立
利用正交勒讓德多項式作為基函式的全球電離層球諧函式模型，其對應的不同階次的模型係數本身也蘊含了電離層活動變化的不同步長的周期性規律。《全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法》首先基於全球分布GNSS基準站已有觀測數據逐天構建對應2小時解析度的全球電離層球諧函式模型，利用快速傅立葉變換技術分析全球電離層球諧函式各個係數的周期，構建用於描述各個係數的三角級數模型，以此為基礎，建立全球衛星導航系統廣播電離層試驗修正方法基礎資料庫，將該基礎資料庫存儲於全球衛星導航系統數據處理中心，同時固化於GNSS接收機中。
2、全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法基礎資料庫更新
利用最近一天全球分布GNSS基準站觀測數據構建當天的全球電離層球諧函式模型，結合該球諧函式模型係數重新構建的各個係數的三角級數模型，基於此，更新步驟1中建立的基礎資料庫，同時，更新數據處理中心基礎資料庫，另外，按照用戶要求更新GNSS接收機基礎資料庫。
3、全球衛星導航系統廣播電離層時延預報
利用更新之後的基礎資料庫中的三角級數模型預報指定時刻的全球電離層球諧函式模型係數，基於此係數組建全球電離層球諧函式模型，利用該模型對當天全球電離層時延變化進行預報。
4、全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法參數發播
選擇步驟3中預報的當天全球電離層球諧函式模型前9個係數作為全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法的發播參數，通過無線電通訊發射至衛星。在衛星通訊能力允許的前提下，可增加發播參數的個數。
5、全球衛星導航系統廣播電離層時延修正套用
GNSS接收機接收到衛星廣播星曆包括有衛星軌道信息和步驟4中發播的參數，將其替換利用固化至接收機中的基礎資料庫按照步驟3中的全球衛星導航系統廣播電離層時延預報技術預報的全球電離層球諧函式模型對應的係數，融合上述兩部分形成最終的全球電離層函式模型，計算指定時間和位置的電離層延遲。
改善效果
利用《全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法》進行全球衛星導航系統廣播電離層延遲修正，如圖6，其修正效果在80％左右，優於GPS、GALILEO所採用的廣播電離層改正技術——Klobuchar模型、Nequick模型，也優於利用GNSS資料改進的Klobuchar模型，且能有效進行長期預報，安全性能好，更新參數個數也適於發布，總體精度和可靠性優於國際同類研究成果。
《全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法》主要服務於GNSS單頻用戶導航與定位時修正電離層延遲的影響。
附圖說明
圖1：全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法組成圖；
圖2：全球電離層基礎資料庫建立；
圖3：全球電離層基礎資料庫的更新；
圖4：全球電離層球諧函式模型的預報；
圖5：接收機端電離層時延的修正；
圖6：2002-2007年不同廣播電離層時延修正技術修正百分比比較；
其中，圖6中，KLOBUCHAR-GPS廣播電離層延遲改正技術；KLO-Style-歐洲定軌中心（CODE）發布的KLOBUCHAR-Style修正技術；IGGSH-該專利建立的IGGSH技術；NeQuick-GALILEO系統擬採用的廣播電離層延遲改正模型；Mean：不同電離層修正技術在相應年的所有觀測站的電離層時延修正平均百分比；TotalMean：不同電離層修正技術連續6年的所有觀測站的電離層時延修正平均百分比。
技術領域
《全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法》涉及無線電傳播時延改正，尤其是能夠滿足於全球衛星導航系統廣播發布的電離層時延改正技術。
權利要求
1.全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法》特徵在於該方法包含下列步驟：
a、全球電離層基礎資料庫的建立
a.1基於最近11年全球分布的GNSS基準站觀測數據用最小二乘法構建全球電離層球諧函式模型，該模型的數學表達式為：
（1）
（1）式中TEC（φ，λ）為電離層電子總含量函式，φ為電離層交叉點IPP點的緯度，λ為IPP點的經度，ndmax為球諧函式的最大度數，
為n度m階的歸化勒讓德函式，MC（n，m）為歸化函式，即：
其中：δ0m為Kronecker型δ函式，Pnm（sinφ）為經典勒讓德函式，
和
為全球電離層球諧函式係數；設定n＝m＝15，時間解析度為2小時，即每2小時為一組，每組共有256個全球電離層球諧函式係數，其中128個128個，11年共48216組；
a.2在步驟a.1中得到的全球電離層球諧函式模型共256個係數，（1）式中的和其中128個，128個，逐個提取步驟1.1中48216組全球電離層球諧函式模型的256個全球電離層球諧函式係數，形成256個係數序列，將其表示成和，序列長度為48216，其中：128個序列，128個序列，時間解析度為2小時；
a.3用傅立葉變換依次分析步驟a.2中128個序列和128個序列，得到各個序列的周期，將各個周期作為主周期項；
a.4用步驟a.3中得到的主周期項，結合下面（2）、（3）式構建用於描述全球電離層球諧函式各係數的三角級數函式模型；
其中：（2）式中
為用於描述全球電離層球諧函式係數的三角函式模型，A0為常數項，ωi為步驟1.3中得到的第i個主周期項，Cai、Sai為第i個主周期項三角函式係數；（3）式中
為用於描述全球電離層球諧函式係數的三角函式模型，B0為常數項，ωi為步驟1.3中得到的第i個主周期項，Cbi、Sbi為第i個主周期項三角函式係數；
a.5用步驟a.2得到的全球電離層球諧函式係數的序列，採用最小二乘法，重新確定步驟a.4中構建的各個係數的三角級數函式的係數A0、Cai、Sai、B0、Cbi、Sbi；
a.6基於步驟a.5中確定的三角函式係數A0、Cai、Sai、B0、Cbi、Sbi，確定步驟1.4中各個係數的三角函式模型的具體表達式，將上述確定的256個三角函式的各個係數作為全球電離層基礎資料庫的基礎數據，將全球電離層基礎資料庫分別存儲在數據處理中心和GNSS接收機記憶體中；
b、全球電離層基礎資料庫的更新
b.1用前一天觀測得到的GNSS數據，構建步驟a.1中的全球電離層球諧函式模型，參數設定與步驟a.1中相同；
b.2將步驟b.1中得到的前一天全球電離層球諧函式模型的12組係數分別追加至步驟a.2中全球電離層球諧函式對應係數的序列之後，形成新的序列；
b.3用步驟b.2更新後的全球電離層球諧函式係數的序列，利用最小二乘法重新確定步驟a.4中構建的各個係數的三角級數函式模型的係數A0、Cai、Sai、B0、Cbi、Sbi；
b.4將步驟b.3中確定的256個三角函式模型的各個係數作為新的全球電離層基礎數據替換原有全球電離層基礎資料庫中對應的數據，得到新的全球電離層基礎資料庫，用新的全球電離層基礎資料庫替換存儲在數據處理中心和GNSS接收機記憶體中的全球電離層基礎資料庫，實現資料庫的更新；
c、全球電離層球諧函式模型的預報
c.1將存儲在步驟b更新後的全球電離層基礎資料庫中的A0、Cai、Sai、Cbi、Sbi，結合（2）、（3）式更新
和
表達式，作為全球電離層球諧函式模型各係數的三角函式模型；
c.2按照步驟c.1中得到的和表達式，分別計算指定時刻t0的全球電離層球諧函式係數和；
c.3將步驟c.2中計算生成該指定時刻的和回代至（1）式中，確定指定時刻t0的全球電離層球諧函式模型；
d、電離層時延修正參數的發播
將步驟c中預報的全球電離層球諧函式模型的前9個係數作為電離層時延修正參數進行電文編碼，並傳送至各個GNSS衛星，更新周期1天；
e、電離層時延的修正
e.1GNSS接收機在實施測量時將接收到各個衛星的廣播星曆，其中包括：衛星軌道、鐘差以及步驟d中傳送至衛星的電離層時延修正參數等信息；
e.2接收機從接收到的衛星廣播星曆中得到時間信息，用固化在接收機中的全球電離層基礎資料庫，按照步驟c的方法，預報當天全球電離層球諧函式模型，並將該模型存儲在接收機記憶體上；當接收機跨過世界協調時00:00:00時，接收機用固化在接收機中的電離層基礎資料庫預報新一天的全球電離層球諧函式模型，將該模型存儲在接收機記憶體上，並覆蓋原有的全球電離層球諧函式模型；
e.3用步驟e.1中接收到的GNSS衛星軌道和鐘差信息，計算該曆元觀測到的GNSS衛星以及該接收機的機率位置；
e.4用廣播星曆中的全球電離層球諧函式的係數替換接收機中預報的當天全球電離層球諧函式對應的係數，再按照（1）式構建當天全球電離層球諧函式模型；當接收機接收到的衛星廣播星曆中的電離層信息不可用或無法接收到電離層信息時，採用步驟e.2中存儲在接收機記憶體中的當天全球電離層球諧函式模型；
e.5基於步驟e.4中全球電離層球諧函式模型和步驟e.3中計算得到的衛星和接收機的機率位置，確定信號傳播路徑上的電離層延遲，即可實現全球衛星導航系統廣播電離層時延修正。
2.根據權利要求1所述的全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法，其特徵還在於，該方法所述步驟d中在衛星通訊能力允許的前提下，發射電離層時延修正參數可增加至10～256個。
實施方式
如圖1，全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法包含下列5個步驟：
1、全球電離層基礎資料庫的建立
1.1基於GNSS數據構建全球電離層球諧函式模型
基於最近11年（約4018天）全球分布的GNSS基準站觀測數據用最小二乘法構建全球電離層球諧函式（簡稱“SH”）模型，該模型的數學表達式如（1）所示：
（1）式中TEC（φ，λ）為電離層電子總含量函式，φ為電離層交叉點IPP（Ionospheric Pierce Point）點的緯度；λ為IPP點的經度；ndmax為SH函式的最大度數；為n度m階的歸化勒讓德函式（Legendre Functions）；MC（n，m）為歸化函式，即：
其中：δ0m為Kronecker型δ函式，Pnm（sinφ）為經典勒讓德函式，和為全球電離層球諧函式係數；設定n＝m＝15，時間解析度為2小時，即每2小時為一組，每組共有256個全球電離層球諧函式係數，其中128個128個，11年共48216組。
1.2提取全球電離層球諧函式係數時間序列
在步驟1.1中得到的全球電離層球諧函式模型共256個係數，即（1）式中的和，其中128個，128個，逐個提取步驟1.1中48216組全球電離層球諧函式模型的256個全球電離層球諧函式係數，形成256個係數序列，將其表示成和，序列長度為48216，其中：128個序列，128個序列，時間解析度為2小時。
1.3用傅立葉變換分析步驟1.2中各序列的周期
用傅立葉變換依次分析步驟1.2中128個序列和128個序列，得到各個序列的周期，將各個周期作為主周期項。
1.4構建用於描述全球電離層球諧函式各係數的三角級數函式模型
用步驟1.3中得到的主周期項，結合下面（2）、（3）式構建用於描述全球電離層球諧函式各係數的三角級數函式模型。
其中：（2）式中為用於描述全球電離層球諧函式係數的三角函式模型，A0為常數項，ωi為步驟1.3中得到的第i個主周期項，Cai、Sai為第i個主周期項三角函式係數；（3）式中為用於描述全球電離層球諧函式係數的三角函式模型，B0為常數項，ωi為步驟1.3中得到的第i個主周期項，Cbi、Sbi為第i個主周期項三角函式係數。
1.5確定全球電離層球諧函式各係數的三角級數模型
用步驟1.2得到的全球電離層球諧函式係數的序列，採用最小二乘法，確定步驟1.4中構建的各個係數的三角級數函式的係數A0、Cai、Sai、B0、Cbi、Sbi。
1.6全球廣播電離層時延修正基礎資料庫的建立
基於步驟1.5中確定的三角函式係數A0、Cai、Sai、B0、Cbi、Sbi，即可確定步驟1.4中各個係數的三角函式模型的具體表達式，將上述確定的256個三角函式的各個係數作為全球電離層基礎資料庫的基礎數據，將全球電離層基礎資料庫分別存儲在數據處理中心和GNSS接收機記憶體中。
步驟1.1～1.6的實施流程參見圖2。
2、全球電離層基礎資料庫的更新
2.1全球電離層球諧函式模型構建
用前一天觀測得到的GNSS數據，構建步驟1.1中的全球電離層球諧函式模型，參數設定與步驟1.1中相同。
2.2全球電離層球諧函式係數序列的更新
將步驟2.1中得到的前一天全球電離層球諧函式模型的12組係數分別追加至步驟1.2中全球電離層球諧函式對應係數的序列之後，形成新的序列。
2.3重新確定步驟1.5中各個全球電離層球諧函式係數的三角級數模型
用步驟2.2更新後的全球電離層球諧函式係數的序列，利用最小二乘法重新確定步驟1.4中構建的各個係數的三角級數函式模型的係數A0、Cai、Sai、B0、Cbi、Sbi。
2.4全球電離層基礎資料庫更新
將步驟2.3中確定的256個三角函式模型的各個係數作為新的全球電離層基礎數據替換原有全球電離層基礎資料庫中對應的數據，得到新的全球電離層基礎資料庫，用新的全球電離層基礎資料庫替換存儲在數據處理中心和GNSS接收機記憶體中的全球電離層基礎資料庫，實現資料庫的更新。GNSS接收機中的全球電離層基礎資料庫的更新頻率由用戶自行確定。
步驟2.1～2.4的實施流程參見圖3。
3、全球電離層球諧函式模型的預報
3.1將存儲在步驟2更新後的全球電離層基礎資料庫中的A0、Cai、Sai、B0、Cbi、Sbi，結合（2）、（3）式更新和表達式，作為全球電離層球諧函式模型各係數的三角函式模型。
3.2按照步驟3.1中得到的和表達式，分別計算指定時刻t0的全球電離層球諧函式係數
和
。
3.3將步驟3.2中計算生成該指定時刻的和回代至（1）式中，確定指定時刻t0的全球電離層球諧函式模型。
步驟3.1～3.3的實施流程參見圖4。
4、電離層時延修正參數的發播
將步驟3中預報的全球電離層球諧函式模型的前9個係數作為電離層時延修正參數進行電文編碼，並傳送至各個GNSS衛星，更新周期1天。在衛星通訊能力允許的前提下，發射電離層時延修正參數可增加至10～256個。
5、接收機端電離層時延的修正
5.1GNSS接收機接收廣播星曆
GNSS接收機在實施測量時將接收到各個衛星的廣播星曆，其中包括：衛星軌道、鐘差以及步驟4中傳送至衛星的電離層時延修正參數等信息。
5.2利用接收機中固化的全球電離層基礎資料庫預報全球電離層球諧函式模型
接收機從接收到的衛星廣播星曆中得到時間信息，用固化在接收機中的全球電離層基礎資料庫，按照步驟3的方法，預報當天全球電離層球諧函式模型，並將該模型存儲在接收機記憶體上；當接收機跨過世界協調時00:00:00時，接收機用固化在接收機中的電離層基礎資料庫預報新一天的全球電離層球諧函式模型，將該模型存儲在接收機記憶體上，並覆蓋原有的全球電離層球諧函式模型。
5.3計算GNSS接收機和衛星的機率位置
用步驟5.1中接收到的GNSS衛星軌道和鐘差信息，計算該曆元觀測到的GNSS衛星以及本接收機的機率位置。
5.4融合恢復當天全球電離層球諧函式模型
用廣播星曆中的全球電離層球諧函式的係數替換接收機中預報的當天全球電離層球諧函式對應的係數，再按照（1）式構建當天全球電離層球諧函式模型；當接收機接收到的衛星廣播星曆中的電離層信息不可用或無法接收到電離層信息時，直接步驟5.2中存儲在接收機記憶體中的當天全球電離層球諧函式模型。
5.5計算對應衛星的電離層時延信息
基於步驟5.4中全球電離層球諧函式模型和步驟5.3中計算得到的衛星和接收機的機率位置，確定信號傳播路徑上的電離層延遲，即可實現全球衛星導航系統廣播電離層時延修正。
步驟5.1～5.5的實施流程參見圖5。
榮譽表彰
2016年12月7日，《全球衛星導航系統廣播電離層時延修正方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
