(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111675121.2 (22)申请日 2021.12.31 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114417580 A (43)申请公布日 2022.04.29 (73)专利权人 中国电波传播研究所 （中国电子 科技集团公司第二十二研究所） 地址 266107 山东省青岛市城阳区仙山 东 路36号 (72)发明人 欧明　陈龙江　杨升高　许娜　 王妍　吴家燕　陈亮　熊雯　冯健　 甄卫民　 (74)专利代理 机构 青岛博雅知识产权代理事务 所(普通合伙) 37317 专利代理师 封代臣(51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G01S 19/37(2010.01) G01W 1/10(2006.01) G06F 111/10(2020.01) 审查员 郭一浓 (54)发明名称 一种观测系统对全球电离层数据 同化性能 的影响评估方法 (57)摘要 本发明公开了一种观测系统对全球电离层 数据同化性能的影响评估方法， 包括如下步骤： 步骤A， 地基和天基观测系统基本参数输入； 步骤 B， GNSS卫星和LEO掩星卫星 的轨道坐标计算； 步 骤C， 地基和天基电离层 观测数据仿真； 步骤D， 基 于Kalman滤波的全球电离层数据同化； 步骤E， 电 离层TEC和电子密度同化性能评估。 本发明所公 开的方法， 对观测系统采用仿真试验手段 （OSSE） ， 利用NeQuick模型模拟生成不同观测手 段“真实”的观测数据， 同时基于 Kalman滤波同化 算法对各种观测系统的观测数据进行同化处理， 并采用总电子含量 （TEC） 和电子密度 （Ne） 的技术 分 （Skill  Score） 评估方法， 对各类观测系统及 其组合对全球电离层数据同化性能的影响进行 定量评估。 权利要求书4页 说明书9页 附图2页 CN 114417580 B 2022.12.02 CN 114417580 B 1.一种观测系统对全球电离层数据同化性能的影响评估方法， 其特征在于， 包括如下 步骤： 步骤A， 地基和天基观测系统基本参数输入： 步骤A1， 读取地基观测系统的配置参数， 获取地基垂测、 GNSS接收机的地理经纬高坐标 和GNSS接收机的观测截止角； 步骤A2， 读取天基观测系统的配置参数， 获取GNSS卫星和LEO掩星卫星的两行轨道TLE 星历、 掩星接收机可视角FOV； 步骤B， GNS S卫星和LEO掩星卫星的轨道坐标计算： 步骤B1， 解析步骤A2中得到的GNSS卫星和LEO掩星卫星的TLE星历， 提取卫星编号、 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B2， 利用SGP4模型解算GNSS和LEO掩星卫星的地心坐标系ECI下的经度、 纬度和高 度坐标； 步骤B3， 将卫星地心坐标系下的经度、 纬度和高度坐标转换为地心地固坐标系ECEF下 的经度、 纬度和高度坐标； 步骤C， 地基和天基电离层观测数据仿真： 步骤C1， 设定太阳辐射指数 F10.7、 月份和U T时刻作为电离层模型NeQuick的输入； 步骤C2， 将地基垂测的地理经纬度输入到NeQuick模型中， 计算对应输入条件下， 地基 垂测站10 0千米至F2层峰值高度以下高度上的电子密度剖面 Neion(r)； 步骤C3， 输入地基GNSS台站地心地固坐标系下的纬度、 经度、 高度 和GNSS卫 星的纬度、 经度、 高度 计算出两者间的仰角E， 计算方法如下： Δ λ＝ λd‑λs                         (1) rd＝Re+hd                         (2) rs＝Re+hs                         (3) 其中， Re表示地球半径， Δλ表示GNSS台站与GNSS卫星二者间经度的差值， L表示二者之 间的大圆距离， rd表示台站与地心之间的距离， rs表示卫星到地心的距离； 步骤C4， 判断仰角是否大于GNSS接收机的观测截止角Eobs， 若E大于Eobs， 则将地基GNSS 台站的经、 纬、 高度作为起始点， GNSS卫星轨道的经、 纬、 高度作为结束点坐标输入到 NeQuick模型中， 计算出两点间的倾 斜总电子含量STE Cgnss； 步骤C5， 将LEO掩星卫星的纬度、 经度、 高度 和GNSS卫星轨道的纬度、 经度、 高 度 分别转化为地心 地固坐标系ECEF下的坐标(Xt,Yt,Zt)和(Xs,Ys,Zs)， 转换表达 式表示为：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114417580 B 2其中， Re表示地球半径， e2＝0.00669437999013； 步骤C6， 计算LEO卫星与LEO卫星—GNSS卫星射线之间 的夹角 θ和碰撞点高度， 判定是否 为掩星观测事 件； 步骤C7， 将满足掩星观测事件的LEO掩星卫星的经、 纬、 高度作为起始点， GNSS卫星轨道 的经、 纬、 高度作为结束点坐标输入到NeQuick模型中， 计算出两点间的倾斜总电子含量 STECgro； 步骤C8， 在观测数据中加入随机扰动 δ， 以模拟观测噪声的影响， 计算方法如下： Neobs(r)＝Neion(r)+δ( μion, σion)                (7) STECgobs＝STECgnss+δ( μgnss, σgnss)         (8) STECrobs＝STECgro+δ( μgro, σgro)              (9) 其中， Neobs(r)表示位置r处垂测的模拟观测数据， STECgobs表示GNSS模拟观测数据， STECrobs表示掩星接收机模拟观测数据； ( μion, σion)为地基垂测的电子密度的平均观测误差 和标准差， ( μgnss, σgnss)为地基GNSS接收机的TEC的平均观测误差和标准差， ( μgro, σgro)为掩 星观测TE C的平均观测误差和标准差； 步骤D， 基于Kalman滤波的全球电离层数据同化： 步骤D1， 将地基GNSS接收机、 掩星接收机的电离层TEC和垂测仪的电子密度测量数据分 别按照“点”型和“线”型观测数据进行分类； 步骤D2， 对于 “点”型电子密度观测数据， 插值方法如下： 其中， Ne表示电离层电子密度， r表示电子密度所在的位置， K表示展开所取的级数； hk (r)为基函数， ak为插值系数， 基函数计算方法如下： 步骤D3， 对于 “线”型TEC观测数据， 根据接收机与卫星间的几何位置关系， TEC和同化状 态参量之间的关系为： 其中， STEC表示电离层总电子含量， dr表示沿传播路径积分， 积分上下限sat和rec分别 为卫星和接收机位置， 同化观测矩阵计算方法如下： 权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114417580 B 3