一種基于多源數(shù)據(jù)融合的三維電離層層析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星大地測量及空間環(huán)境探測探測領(lǐng)域，具體是涉及一種基于多源數(shù) 據(jù)融合的三維電離層層析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電離層層析成像技術(shù)GNSS信號重構(gòu)電離層二維、三維乃至四維的電子密度分布。 其特別適合監(jiān)測電離層空間環(huán)境的大尺度空間分布，且建造和運行費用相對低廉，所以受 到了電離層研究者們的關(guān)注，并已取得了許多的研究成果。然而，由于地面臺站以及衛(wèi)星空 間分布與數(shù)量的限制，致使用于反演的有效觀測信息覆蓋范圍以及分布的均勻性不足，所 以利用GNSS觀測數(shù)據(jù)進行電離層層析成像時，僅從反演算法上進行改進是難以從根本上 解決觀測方程的不適定性。
[0003] 隨著多個衛(wèi)星系統(tǒng)的建立、越來越多的地面臺站布設(shè)以及多種觀測手段的出現(xiàn)， 為進一步提高電離層的監(jiān)測能力提供了強有力的支撐和保障。地面監(jiān)測站的GNSS觀測射 線通常是高高度角，致使利用GNSS觀測數(shù)據(jù)進行電離層層析反演具有較高的水平分辨率， 而由于水平射線的缺失致使垂直分辨率較低。為了解決此問題，早在1994年Hajj等提出 了將掩星觀測數(shù)據(jù)用于電離層層析成像中，隨后，很多學(xué)者進行了實驗研究。Li等利用GPS 觀測數(shù)據(jù)和COSMIC低軌道衛(wèi)星提供的星載GPS觀測數(shù)據(jù)，有效的反演了中國區(qū)域上空電離 層電子密度的時空分布結(jié)構(gòu)。Xiao等利用GPS觀測數(shù)據(jù)和CHAMP/GRACE低軌道衛(wèi)星掩星數(shù) 據(jù)，反演了磁暴期間電離層電子密度的空間分布，并取得了較好的效果。同時，也有學(xué)者將 測高儀數(shù)據(jù)融合到層析反演中，Zhao等利用GPS觀測數(shù)據(jù)和測高儀數(shù)據(jù)有效地反演了中國 部分區(qū)域上空的電離層電子密度，從而使垂直分辨率有所提高。Chartier等以非相干散射 雷達觀測值作為背景值，融合測高儀數(shù)據(jù)來改善GPS電離層層析成像的垂直精度，有效地 克服了GPS層析成像垂直精度不高的缺點。
[0004] 以上這些方法在一定程度上都提高了電離層層析反演的精度，但數(shù)據(jù)信息還是分 布不均，導(dǎo)致層析效果還不能達到一個理想狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于多源數(shù)據(jù)融合的三維電離層 層析方法，以彌補觀測信息的不足，從而更高地提高電離層層析反演精度。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0007] -種基于多源數(shù)據(jù)融合的三維電離層層析方法，包括以下步驟：
[0008] (1)觀測數(shù)據(jù)收集：確定目標(biāo)區(qū)域范圍，選取區(qū)域范圍內(nèi)GNSS觀測數(shù)據(jù)、低軌衛(wèi)星 上的掩星觀測數(shù)據(jù)、Jason-1和Jason-2海洋衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)以及電離層測高儀數(shù)據(jù)；
[0009] (2)將待反演的電離層空間離散化，形成基于像素基的層析反演模型；
[0010] (3)計算投影矩陣；
[0011] (4)構(gòu)建多源數(shù)據(jù)的三維電離層層析模型；
[0012] (5)對多源數(shù)據(jù)的三維電離層層析模型進行解算，反演區(qū)域電離層電子密度。
[0013] 所述步驟（1)具體包括：確定目標(biāo)區(qū)域的經(jīng)度、煒度和高度范圍；確定反演的時間 段；根據(jù)區(qū)域內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)計算電離層TEC，并提取衛(wèi)星和測站坐標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)。
[0014] 所述步驟（2)計算如下：電離層電子密度與電離層TEC之間是非線性的，在實際 反演過程中，為了反演方便，通常采用離散反演方法將待反演的電離層空間離散化。對于離 散化的像素基層析反演模型，選取像素指標(biāo)函數(shù)b,作為基函數(shù)，如果射線穿過某像素，則b, 為1，否則為〇 ;并將電離層按經(jīng)度、煒度以及高度方向上離散化為三維的格網(wǎng)，其公式表達 為：
[0017] 式中，n為離散化的格網(wǎng)數(shù)，即總的像素數(shù)；Xj(j= 1，…，n)為模型參數(shù)，即離散化 后的電離層格網(wǎng)電子密度。
[0018] 所述步驟（3)計算如下：對每條射線路徑上的TEC測量值可以表示為：
[0019]
[0020] 式中，m為電離層TEC觀測值總數(shù)，&1]為投影矩陣元素，即第i條射線在第j個格 網(wǎng)內(nèi)的截距?？紤]到測量中觀測噪聲和離散誤差的影響，且假定在一定時間段內(nèi)格網(wǎng)內(nèi)電 子密度是不變的，則每條射線傳播路徑上的電離層TEC測量數(shù)據(jù)可表示為：
[0021]
(4)
[0022] 將上式用矩陣形式表示，如下：
[0023]ynXi=AnXn *xnX1+enX1 (5)
[0024] 式中，y為電離層TEC觀測值組成的m維列向量，A為投影矩陣，即射線在對應(yīng)像素 內(nèi)的截距構(gòu)成的m個n維的行向量，x為未知參數(shù)組成的n維列向量，e為觀測噪聲和離散 誤差組成的m維列向量。
[0025] 所述步驟⑷計算如下：利用GNSS觀測數(shù)據(jù)、低軌衛(wèi)星上的掩星觀測數(shù)據(jù)、電離層 測高儀數(shù)據(jù)以及Jason-1和Jason-2海洋衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)聯(lián)合反演電離層電子密度，其表達 式可表示為：
[0026]
(6)
[0027] 式中，y<；NSS、yC(]S、yALT和yMN分別表示地基GNSS的TEC觀測值、LE0星載GNSS觀測 的TEC值、測高衛(wèi)星獲取的TEC值以及測高儀獲取的TEC值，ASNSS、Ae(]S、Am和AMN表示相應(yīng) 的系數(shù)矩陣，x表示待求的電子密度值。
[0028] 所述步驟（5)中，通過乘法代數(shù)重構(gòu)算法（MART)進行層析反演，求解電離層電子 密度。
[0029] 本發(fā)明技術(shù)有益效果：
[0030] 本發(fā)明利用多源數(shù)據(jù)融合進行電離層層析反演，彌補了反演信息不足的問題，通 過將反演結(jié)果與非相干散射雷達的觀測數(shù)據(jù)進行比較，驗證了本發(fā)明融合多源數(shù)據(jù)反演電 離層電子密度的有效性和可靠性及其相對于單獨采用GPS觀測數(shù)據(jù)反演的優(yōu)越性。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明實施例中多源數(shù)據(jù)融合的電離層層析流程圖；
[0032] 圖2是本發(fā)明實施例中IGS觀測站和非相干散射雷達站分布圖；
[0033] 圖3是本發(fā)明實施例中在13:00UT時刻Jicamarca站的反演電離層電子密度剖面 與非相干散射雷達站測量剖面的對比圖；
[0034] 圖4是本發(fā)明實施例中在13:00UT時刻MillstoneHill站的反演電離層電子密 度剖面與非相干散射雷達站測量剖面的對比圖；
[0035] 圖5是本發(fā)明實施例中在21:00UT時刻Jicamarca站的反演電離層電子密度剖面 與非相干散射雷達站測量剖面的對比圖；
[0036] 圖6是本發(fā)明實施例中在21:00UT時刻MillstoneHill站的反演電離層電子密 度剖面與非相干散射雷達站測量剖面的對比圖；
[0037] 圖7是本發(fā)明實施例中Jicamarca站的反演電離層電子密度峰值以及電子密度峰 值高度與非相干散射雷達實測結(jié)果的比較；
[0038] 圖8是本發(fā)明實施例中Mi11stoneHi1站的反演電離層電子密度峰值以及電子密 度峰值高度與非相干散射雷達實測結(jié)果的比較。
【具體實施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的描述，然而本發(fā)明的范圍并不限 于下述實施例。
[0040] 本發(fā)明采用的觀測數(shù)據(jù)來自IGS觀測網(wǎng)絡(luò)，選取重構(gòu)區(qū)域內(nèi)的臺站觀測 信息進行重構(gòu)，并利用非相干散射雷達Jicamarca(76°W, 11.9°S)和Millstone Hill(71. 5°W，42.6°N)站的觀測數(shù)據(jù)進行獨立檢核。測站分布如圖2所示，圖中"魯"為 IGS站，"★"為非相干散射雷達站。
[0041] 步驟（1)，確定目標(biāo)區(qū)域范圍，選取區(qū)域范圍內(nèi)GNSS觀測數(shù)據(jù)、低軌衛(wèi)星上的掩星 觀測數(shù)據(jù)、Jason-1和Jason-2海洋衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)以及電離層測高儀數(shù)據(jù)；
[0042] 選取經(jīng)度范圍為100°W~30°W，煒度范圍為40°S~50°N和高度范圍為 100km~1000km的數(shù)據(jù)，反演2011年8月6日電離層電子密度的三維分布情況。設(shè)置經(jīng)度 和煒度方向上像素間隔分別為2°，高度方向上的間隔為50km。
[0043] 步驟（2)，將待反演的電離層空間離散化，形成基于像素基的層析反演模型；
[0044] 對于離散化的像素基層析反演模型，選取像素指標(biāo)函數(shù)bj作為基函數(shù)，如果射線 穿過某像素，則bj為1，否則