(19)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)人無(wú)錫云遙宇航氣象科技有限公司北京云遙宇航科技有限公司(72)發(fā)明人趙裕慧劉春洋付乃鋒許波波郭銀秀崔汪安寅瑪娜卓瑪有限公司12226中間輔助側(cè)數(shù)據(jù)掩星側(cè)數(shù)據(jù)碰撞參數(shù)相位—否→一本發(fā)明提供了一種天基探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的種計(jì)算和校正方法實(shí)現(xiàn)從星地?zé)o線電探測(cè)電離一21.一種天基探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的電子總量計(jì)算和校正方法，其特征在于：包括以下步驟：S1、地固坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換；S2、碰撞參數(shù)計(jì)算；S3、碰撞參數(shù)和相位陣列排序；S5、掩星校正電子總量；在步驟S3中，碰撞參數(shù)和相位陣列排序，包括：S31、對(duì)含有最大碰撞參數(shù)的樣本進(jìn)行識(shí)別，判斷參數(shù)樣本中是否包含正高度角樣本；S32、對(duì)于掩星側(cè)負(fù)高度角數(shù)據(jù)和輔助側(cè)正高度角數(shù)據(jù)，將碰撞參數(shù)和相位陣列重新排序?yàn)閱为?dú)陣列；S33、衛(wèi)星位置和切點(diǎn)坐標(biāo)重新排序，并將其存儲(chǔ)在掩星一側(cè)；S41、根據(jù)切點(diǎn)高度和衛(wèi)星軌道高度進(jìn)行高度范圍掩星篩選；S42、根據(jù)采樣率進(jìn)行時(shí)間差掩星篩選；S43、將輔助側(cè)的相位數(shù)據(jù)樣條插值到掩星側(cè)的碰撞參數(shù)網(wǎng)格上；S44、根據(jù)所選的校準(zhǔn)模式校準(zhǔn)相位數(shù)據(jù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天基探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的電子總量計(jì)算和校正方法，其特地心慣性坐標(biāo)系：坐標(biāo)系原點(diǎn)為地球質(zhì)心，z軸沿著地球自轉(zhuǎn)軸指向協(xié)議地極，x軸位于赤道平面內(nèi)，并指向春分點(diǎn)，y軸符合右手笛卡爾坐標(biāo)系；S11、在地心慣性坐標(biāo)系下估計(jì)衛(wèi)星繞地球的位置和速度；S12、將地心慣性坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的地理坐標(biāo)；S13、將笛卡爾坐標(biāo)下的衛(wèi)星位置由地心慣性坐標(biāo)系框架轉(zhuǎn)換到地固參考框架。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天基探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的電子總量計(jì)算和校正方法，其特基于局部球?qū)ΨQ和GNSS信號(hào)沿直線傳播的假設(shè)，碰撞參數(shù)表征地心到LEO衛(wèi)星與GNSS掩星之間連線的垂直距離，計(jì)算公式如下：式中，θ為GNSS衛(wèi)星與LEO衛(wèi)星關(guān)于地心連線向量的夾角；YG和IL分別為GNSS衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星的地心向徑。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天基探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的電子總量計(jì)算和校正方法，其特征在于：在步驟S5中，掩星校正電子總量，包括：校準(zhǔn)后的掩星TEC由校準(zhǔn)后的相位△L計(jì)算得到，計(jì)算公式如下：35.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天基探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的電子總量計(jì)算和校正方法，其特如果采集數(shù)據(jù)包含正高度角樣本，則最大碰撞參數(shù)在碰撞參數(shù)數(shù)組的中間位置，如果只采集負(fù)高度角數(shù)據(jù)，則最大碰撞參數(shù)在第一個(gè)樣本處或附近。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天基探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的電子總量計(jì)算和校正方法，其特S412、找出切點(diǎn)高度覆蓋衛(wèi)星軌道高度以下150km至1km默認(rèn)高度范圍的掩星，且剔除不在此高度范圍的掩星；S413、如果使用輔助側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)，則要求輔助側(cè)的碰撞參數(shù)范圍包含掩星側(cè)的碰撞參數(shù)，且剔除不符合要求的掩星。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天基探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的電子總量計(jì)算和校正方法，其特在掩星側(cè)和輔助側(cè)均進(jìn)行時(shí)間間隔檢查，如果探測(cè)到任何時(shí)間間隔，則掩星被剔除。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天基探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的電子總量計(jì)算和校正方法，其特將相位的平方作為碰撞參數(shù)的函數(shù)進(jìn)行插值。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天基探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的電子總量計(jì)算和校正方法，其特S441、校準(zhǔn)模式1包括從掩星側(cè)相位數(shù)據(jù)中減去插值后的輔助相位數(shù)據(jù)；S442、如果沒(méi)有輔助側(cè)的數(shù)據(jù)，則選擇使用校準(zhǔn)模式0,從掩星側(cè)所有樣本的相位數(shù)據(jù)中減去最大碰撞參數(shù)的觀測(cè)相位。10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種天基探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的電子總量計(jì)算和校正方法，其特征在于：4技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明屬于電離層探測(cè)領(lǐng)域，尤其是涉及一種天基探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的電子總量計(jì)算和校正方法。背景技術(shù)[0002]總電子含量(TEC)是觀測(cè)視線方向底面積為1的柱體內(nèi)所含的總自由電子數(shù)。電離層是地球大氣的一個(gè)電離區(qū)域，從離地面約50km～60km開(kāi)始，一直延伸到約1000km高度的地球高層大氣空域，其中存在相當(dāng)多的自由電子和離子，能使無(wú)線電波改變傳播速度，發(fā)生折射、反射和散射。電離層總電子含量是描述電離層狀態(tài)和特征的電離層參量，同時(shí)又反映電離層對(duì)無(wú)線電波傳播的影響。掩星探測(cè)電離層電子總含量主要通過(guò)對(duì)低軌衛(wèi)星接收到的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行反演獲得。衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展使得星地信息可通過(guò)超高頻及以上的無(wú)線電波段進(jìn)行傳輸，在傳輸過(guò)程中將會(huì)主要以透射的方式在電離層中傳播，電離層電子總含量TEC這一重要電離層參量的出現(xiàn)對(duì)反映電離層在傳播過(guò)程中的影響具有重要意義。GNSS掩星探測(cè)技術(shù)具有功耗低、重量輕、全天時(shí)全天候靈活探座的建成，GNSS掩星探測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)也需進(jìn)一步發(fā)展和提升。基于星地?zé)o線電波傳播對(duì)電離層信息的迫切需求，根據(jù)電離層電子總含量與電離層引起的無(wú)線電波傳播的附加時(shí)延成正比，運(yùn)用一種計(jì)算實(shí)現(xiàn)從星地?zé)o線電探測(cè)電離層數(shù)據(jù)中獲取總電子含量并在此基礎(chǔ)上采用相位校準(zhǔn)方法對(duì)其進(jìn)行校正獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果，這在衛(wèi)星定位導(dǎo)航的電波修正、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面具有重要意義。發(fā)明內(nèi)容[0003]有鑒于此，本發(fā)明旨在提出一種天基探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的電子總量計(jì)算和校正方法，以解決當(dāng)下基于星地?zé)o線電波傳播獲取電離層信息的迫切需求。[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種天基探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的電子總量計(jì)算和校正方法，包括以下步驟：S31、對(duì)含有最大碰撞參數(shù)的樣本進(jìn)行識(shí)別，判斷參數(shù)樣本中是否包含正高度角樣S32、對(duì)于掩星側(cè)負(fù)高度角數(shù)據(jù)和輔助側(cè)正高度角數(shù)據(jù)，將碰撞參數(shù)和相位陣列重新排序?yàn)閱为?dú)陣列；5S33、衛(wèi)星位置和切點(diǎn)坐標(biāo)重新排序，并將其存儲(chǔ)在掩星一側(cè)；S41、根據(jù)切點(diǎn)高度和衛(wèi)星軌道高度進(jìn)行高度范圍掩星篩選；S42、根據(jù)采樣率進(jìn)行時(shí)間差掩星篩選；S43、將輔助側(cè)的相位數(shù)據(jù)樣條插值到掩星側(cè)的碰撞參數(shù)網(wǎng)格上；S44、根據(jù)所選的校準(zhǔn)模式校準(zhǔn)相位數(shù)據(jù)。地心慣性坐標(biāo)系：坐標(biāo)系原點(diǎn)為地球質(zhì)心，z軸沿著地球自轉(zhuǎn)軸指向協(xié)議地極，x軸S11、在地心慣性坐標(biāo)系下估計(jì)衛(wèi)星繞地球的位置和速度；S12、將地心慣性坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的地理坐標(biāo)；S13、將笛卡爾坐標(biāo)下的衛(wèi)星位置由地心慣性坐標(biāo)系框架轉(zhuǎn)換到地固參考框架?；诰植壳?qū)ΨQ和GNSS信號(hào)沿直線傳播的假設(shè)，碰撞參數(shù)表征地心到LEO衛(wèi)星與GNSS掩星之間連線的垂直距離，計(jì)算公式如下：星和LEO衛(wèi)星的地心向徑。校準(zhǔn)后的掩星TEC由校準(zhǔn)后的相位△L計(jì)算得到，如果采集數(shù)據(jù)包含正高度角樣本，則最大碰撞參數(shù)在碰撞參數(shù)數(shù)組的中間位置，如果只采集負(fù)高度角數(shù)據(jù)，則最大碰撞參數(shù)在第一個(gè)樣本處或附近。S412、找出切點(diǎn)高度覆蓋衛(wèi)星軌道高度以下150km至1km默認(rèn)高度范圍的掩星，且剔除不在此高度范圍的掩星；S413、如果使用輔助側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)，則要求輔助側(cè)的碰撞參數(shù)范圍包含掩星側(cè)的碰撞參數(shù)，且剔除不符合要求的掩星。在掩星側(cè)和輔助側(cè)均進(jìn)行時(shí)間間隔檢查，如果探測(cè)到任何時(shí)間間隔，則掩星被剔6將相位的平方作為碰撞參數(shù)的函數(shù)進(jìn)行插值。S441、校準(zhǔn)模式1包括從掩星側(cè)相位數(shù)據(jù)中減去插值后的輔助相位數(shù)據(jù)；S442、如果沒(méi)有輔助側(cè)的數(shù)據(jù)，則選擇使用校準(zhǔn)模式0,從掩星側(cè)所有樣本的相位數(shù)據(jù)中減去最大碰撞參數(shù)的觀測(cè)相位。[0014]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的一種天基探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的電子總量計(jì)算和校正方法具有以下有益效果：本發(fā)明根據(jù)電離層電子總含量與電離層引起的無(wú)線電波傳播的附加時(shí)延的正向關(guān)系，運(yùn)用一種計(jì)算和校正方法實(shí)現(xiàn)從星地?zé)o線電探測(cè)電離層數(shù)據(jù)中獲取準(zhǔn)確的總電子含量，在衛(wèi)星定位導(dǎo)航的電波修正、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面具有重要意義。附圖說(shuō)明[0015]構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：圖1為本發(fā)明實(shí)施例所述的碰撞參數(shù)和相位陣列排序計(jì)算原理示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例所述的相位校準(zhǔn)原理示意圖。具體實(shí)施方式[0016]需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，除非另有說(shuō)明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以通過(guò)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。[0019]下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。[0020]如圖1至圖2所示，一種天基探測(cè)電離層數(shù)據(jù)的電子總量計(jì)算和校正方法，包括以下步驟：71.地固坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換在空間保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)(無(wú)加速度)的坐標(biāo)系稱為慣性坐標(biāo)系，通常衛(wèi)星軌道是在地心慣性坐標(biāo)系(ECI)下的。在慣性系下完成衛(wèi)星繞地球的位置和速度估計(jì)，地心慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)系原點(diǎn)為地球質(zhì)心；z軸沿著地球自轉(zhuǎn)軸指向協(xié)議地極；x軸位于赤道平面內(nèi)，并指向春分點(diǎn)；y軸符合右手笛卡爾坐標(biāo)系。在實(shí)際計(jì)算中將上述ECI下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的地理坐標(biāo)，并考慮掩星期間地球的自轉(zhuǎn)，這跟儒略日和掩星事件的世界時(shí)(UT)有關(guān)。之后將笛卡爾坐標(biāo)下的衛(wèi)星位置由ECI框架轉(zhuǎn)換到地固參考框架?；诰植壳?qū)ΨQ和GNSS信號(hào)沿直線傳播的假設(shè)，碰撞參數(shù)表征地心到LEO衛(wèi)星與GNSS掩星之間連線的垂直距離。碰撞參數(shù)的具體計(jì)算公式如下：式中θ為GNSS衛(wèi)星與LEO衛(wèi)星關(guān)于地心連線向量的夾角；YG和rL分別為G和LEO衛(wèi)星的地心向徑。式(1)計(jì)算的TEC是從GNSS衛(wèi)星到LEO衛(wèi)星整個(gè)路徑的電子總量。但是由于碰撞參數(shù)的最大值只能達(dá)到LEO軌道高度rL,導(dǎo)致積分上限也只能取到Y(jié)L,因此真正需要的TEC是從反演高度到IL這一段路徑的電子總量。[0023]3.碰撞參數(shù)和相位陣列排序?qū)ψ畲笈鲎矃?shù)兩側(cè)的碰撞參數(shù)和相位陣列進(jìn)行重新排序。具體地如下圖1所示，通過(guò)對(duì)含有最大碰撞參數(shù)的樣本進(jìn)行識(shí)別。當(dāng)采集的數(shù)據(jù)包含正高度角的樣本時(shí)，碰撞參數(shù)的最大值通常會(huì)出現(xiàn)在碰撞參數(shù)數(shù)組的中間位置。在基本只采集負(fù)高度角數(shù)據(jù)的情況下，最大碰撞參數(shù)將在第一個(gè)樣本(對(duì)于一個(gè)設(shè)定掩星)處或附近。然后，對(duì)負(fù)高度角數(shù)據(jù)(掩星側(cè))和正高度角數(shù)據(jù)(輔助側(cè)),將碰撞參數(shù)和相位陣列(以及時(shí)間序列)重新排序?yàn)閱为?dú)的陣列。衛(wèi)星位置和切點(diǎn)坐標(biāo)也重新排序，并將其存儲(chǔ)在掩星一側(cè)。最終所有陣列都是有序的，這樣使得第一個(gè)樣本是碰撞參數(shù)最小的一個(gè)。如下圖2所示，在進(jìn)行相位校準(zhǔn)之前需要檢查是否有足夠的高度范圍以及時(shí)間差。首先找出切點(diǎn)高度覆蓋衛(wèi)星軌道高度以下150km(默認(rèn)值；可以在parms文件中更改)高度至1km(默認(rèn)值；可以在parms文件中更改)高度范圍的掩星。如果數(shù)據(jù)不落在這個(gè)范圍內(nèi)，則將掩星剔除。如果使用輔助側(cè)(通過(guò)parms文件中的輸入?yún)?shù)進(jìn)行控制)的數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)，則需要輔助側(cè)的碰撞參數(shù)范圍包含掩星側(cè)的碰撞參數(shù)，否則丟棄掩星。在檢查時(shí)間差方面，因?yàn)闀r(shí)間間隔可能與較大的周跳有關(guān)，數(shù)據(jù)在掩星側(cè)和輔助側(cè)都進(jìn)行時(shí)間間隔檢查。時(shí)間差的識(shí)別取決于采樣率(采樣率必須在parms文件中正確指定),若探測(cè)到任何時(shí)間間隔掩星就會(huì)被丟棄。為對(duì)相位進(jìn)行校準(zhǔn)將輔助側(cè)的相位數(shù)據(jù)樣條插值到掩星側(cè)的碰撞參數(shù)網(wǎng)格上。其中為正確處理相位接近軌道高度的函數(shù)形式(平方根形式0),將相位的平方作為碰撞參8式1包括從掩星側(cè)相位數(shù)據(jù)中減去插值后的輔助相位數(shù)據(jù)。假設(shè)掩星平面和近地軌道平面擇使用校準(zhǔn)模式0也稱為準(zhǔn)校準(zhǔn)這種校準(zhǔn)方法比模式1校準(zhǔn)稍微復(fù)雜一些。當(dāng)選擇模式0校對(duì)含有最大碰撞參數(shù)的樣本進(jìn)行識(shí)別，判斷參數(shù)樣本中是否包含正高度角樣本。對(duì)負(fù)高度角數(shù)據(jù)(掩星側(cè))和正高度角數(shù)據(jù)(輔助側(cè)),將碰撞參數(shù)和相位陣列(以9度至1km(默認(rèn)值；可以在parms文件中更改)高度范圍的掩星。如果數(shù)據(jù)不落在這個(gè)范圍內(nèi)，則將掩星剔除。如果使用輔助側(cè)(通過(guò)parms文件中的輸入?yún)?shù)進(jìn)行控制)的數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)，則需要輔助側(cè)的碰撞參數(shù)范圍包含掩星側(cè)的碰撞參數(shù)，否則丟棄掩星。這樣通過(guò)設(shè)定切點(diǎn)高度范圍對(duì)掩星進(jìn)行篩選，能夠剔除不符合要求的數(shù)據(jù)，減少無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)分析結(jié)果的干擾。確保用于研究和分析的數(shù)據(jù)集中在特定的高度范圍內(nèi)，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和有效性。同時(shí)，對(duì)輔助側(cè)數(shù)據(jù)的碰撞參數(shù)范圍進(jìn)行檢查，保證了數(shù)據(jù)定標(biāo)的準(zhǔn)確性，使分析結(jié)果更可靠。[0030]5.時(shí)間差掩星功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間差檢查，因?yàn)闀r(shí)間間隔可能與較大的周跳有關(guān)，數(shù)據(jù)在掩星側(cè)和輔助側(cè)都進(jìn)行時(shí)間間隔檢查。時(shí)間差的識(shí)別取決于采樣率(采樣率必須在parms文件中正確指定),若探測(cè)到任何時(shí)間間隔掩星就會(huì)被丟棄。這樣通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間差檢查，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)與較大周跳有關(guān)的數(shù)據(jù)問(wèn)題。由于周跳可能會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，通過(guò)丟棄存在時(shí)間間隔問(wèn)題的掩星數(shù)據(jù)，可以保證分析數(shù)據(jù)的質(zhì)量，避免因數(shù)據(jù)誤差導(dǎo)致的錯(cuò)誤[0031]6.樣條插值功能將輔助側(cè)的相位數(shù)據(jù)樣條插值到掩星側(cè)的碰撞參數(shù)網(wǎng)格上。其中為正確處理相位接近軌道高度的函數(shù)形式(平方根形式0),將相位的平方作為碰撞參數(shù)的函數(shù)進(jìn)行插值。[0032]定義了一個(gè)300級(jí)的規(guī)則高度網(wǎng)格，對(duì)軌道坐標(biāo)和切點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行插值。[0033]這樣將輔助側(cè)的相位數(shù)據(jù)樣條插值到掩星側(cè)的碰撞參數(shù)網(wǎng)格上，并對(duì)軌道坐標(biāo)和切點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行插值，能夠在不同的數(shù)據(jù)之間建立更平滑的聯(lián)系。特別是對(duì)相位平方進(jìn)行插值，能更好地處理接近軌道高度的函數(shù)形式，提高數(shù)據(jù)的分辨率和精度。定義規(guī)則高度網(wǎng)格進(jìn)行插值，有助于統(tǒng)一數(shù)據(jù)的格式和尺度，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和比較。根據(jù)所選的校準(zhǔn)模式(parms文件中的0或1)校準(zhǔn)相位數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)模式1包括從掩星側(cè)相位數(shù)據(jù)中減去插值后的輔助相位數(shù)據(jù)。假設(shè)掩星平面和近地軌道平面接近重合，電離層在數(shù)據(jù)收集期間沒(méi)有明顯變化。因此模式1校準(zhǔn)允許估計(jì)LEO軌道內(nèi)的掩星TEC,即不包括GPS衛(wèi)星高度與輔助側(cè)LE0高度之間的TEC。當(dāng)沒(méi)有輔助側(cè)的數(shù)據(jù)時(shí)，可以選擇使用校準(zhǔn)模式0也稱為準(zhǔn)校準(zhǔn)這種校準(zhǔn)方法比模式1校準(zhǔn)稍微復(fù)雜一些。當(dāng)選擇模式0校準(zhǔn)時(shí)，從掩星側(cè)所有樣本