本发明属于电离层监测，尤其涉及一种单站电离层tec的准实时监测方法。
背景技术：
1、地球高层大气吸收太阳极紫外线和x射线而发生部分电离，在地面以上约60～1000公里之间形成电离层。电离层电子密度典型值比中性大气密度小三个数量级，但由于足以影响射电天文、雷达、卫星导航与通信、短波通讯等系统涉及的无线电波传播，电离层是空间(电磁)环境的重要组成部分和空间天气的重要预报对象。
2、电离层具有区域特征、日变化、季节变化、年变化和波动结构，主要受太阳、地磁场、中性大气等诸多因素影响所致，也因此存在复杂的电离层扰动，这些扰动会影响信号穿越电离层或被电离层反射的地、空无线电系统的性能。开展电离层监测，进而实施空间天气预警和预报至关重要。
3、对于全球导航卫星系统(gnss)定位，电离层是最大的误差源。利用电离层对于gnss测量的影响，反演电离层总电子含量(total electron content,tec)，可以构建电离层修正模型，应用于gnss进而提高定位精度；另一方面，利用gnss接收机观测，开展全天时全天候广域的电离层tec监测，已成为研究电离层、开展电离层扰动预警和预报的重要手段。
4、通常利用gnss双频信号测量反演电离层总电子含量tec，可以开展全天时全天候大范围电离层观测和研究，但是目前一般都是对gnss双频信号测量数据以天为单位，利用计算机进行事后处理，无法实现电离层实时监测。
5、对于电离层tec监测常见的是组网监测和单站监测两种方式。对于电离层活跃地区或电离层异常地区，特别是偏远地区和海洋等地区，由于地域限制和数据传输限制，通常需要开展电离层单站实时监测。单站监测是一种灵活方便的手段，对于组网困难地区，单站监测是唯一选择。但是，无论与其他地区测站数据联合求解还是单站求解，电离层tec监测对算法依赖性大。现有技术通常采用的是事后处理，通过前一天的测量数据计算gnss卫星的硬件偏差，这样需要的数据量大，并且实时性不够。对于网络带宽有限的场景，例如海上测站，把接收到的几十颗卫星数据实时传回，数据量非常庞大。如果一个时刻测站上空tec数据按一份计，对应的导航星历、伪距和载波相位测量数据量则是两百倍之多。对于单站监测，迫切需要开发一种gnss电离层tec准实时方法。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种单站电离层tec的准实时监测方法。
2、为了实现上述目的，本发明提出了一种单站电离层tec的准实时监测方法，基于部署在电离层监测站的gnss双频接收机持续进行，包括：
3、步骤1)根据时间窗设定的时长接收gnss双频伪距观测量、载波相位观测量、接收机位置信息、卫星俯仰角、方位角和卫星星历数据；
4、步骤2)对接收的数据进行预处理，得到卫星接收机视线方向上的载波相位平滑伪距的斜向tec；
5、步骤3)建立电离层监测站正上方垂直tec的非线性模型；
6、步骤4)根据每颗卫星的载波相位平滑伪距的斜向tec值，通过时间窗滑动的方式，采用kalman滤波迭代求解，得到测站上方垂直tec的非线性模型系数以及接收机和卫星的硬件偏差，进而实现测站上方垂直tec值的准实时监测。
7、优选的，所述步骤1)包括：
8、根据时间窗设定的时长接收多颗gnss卫星的双频伪距和载波相位测量的测距信息，并解码；
9、接收每颗卫星的俯仰角和方位角信息；
10、将每颗卫星的编号、观测时间、俯仰角、方位角、gnss双频伪距和载波相位测量的测距信息分别进行缓存。
11、优选的，所述步骤2)包括：
12、步骤2-1)根据缓存的时间窗设定时长内的数据得到基于双频伪距观测量的第j号卫星的斜向tec值和基于双频载波相位观测量的第j号卫星的斜向tec值
13、
14、其中，f1、f2分别为gnss卫星信号的两个频率，分别为在两个频率f1、f2上第j号卫星的码伪距观测量，分别为两个频率f1、f2上第j号卫星的载波相位观测量，λ1、λ2分别为两个频率f1、f2对应的波长；
15、步骤2-2)根据下式计算第j号卫星的和之间的基线值
16、
17、其中，i表示时间窗设定时长接收的数据中第i个数据测量时刻，num表示时间窗设定时长数据对应的总时刻数；表示第i个数据测量时刻第j号卫星相对于接收机的仰角；
18、步骤2-3)根据下式计算第j号卫星载波相位平滑伪距后的斜向tec值tecs,sysj：
19、
20、其中，下标s表示卫星，下标sys表示gnss卫星系统，其中sys＝1为gps系统信号，sys＝2为北斗系统信号；
21、步骤2-4)根据下式计算电离层监测站正上方的垂直tec值tec：
22、
23、其中，br,sys为对应gnss各卫星系统的接收机硬件偏差，为第j号卫星的卫星硬件偏差；χj为第j号卫星与接收机视线路径在电离层穿刺点的天顶角。
24、优选的，所述步骤3)的非线性模型为球谐函数模型，满足下式：
25、
26、其中，tec表示电离层监测站正上方的垂直tec值，m,n分别表示球谐函数的阶数和级数，m和n分别表示第m阶和第n级，θj为第j号卫星信号与电离层的穿刺点处的地理纬度，φj为第j号卫星信号穿刺点的太阳时角，为归一化的勒让德函数，anm和bnm为待求的球谐系数。
27、优选的，所述步骤4)包括：
28、步骤4-1)构建kalman滤波的状态方程和量测方程；
29、步骤4-2)计算第j号卫星信号在电离层的穿刺点处的天顶角χj、纬度θj和经度φj；
30、步骤4-3)判断是否为第一次kalman滤波计算，判断为是，对待估参数x0赋初值0，对待估参数的互协方差p0赋初值；判断为否，继承前一次的待估参数xk-1和待估参数的互协方差pk-1；
31、步骤4-4)计算待估参数的估计值和协方差矩阵pk；
32、步骤4-5)缓存待估参数的估计值和协方差矩阵pk；和pk中若第j号卫星的硬件偏差相对和pk-1中有变化，则更新；若第j号卫星第一次出现，则在和pk中增加第j号卫星的硬件偏差变量；
33、步骤4-6)时间滑动窗向后滑动固定长度，根据下一组预处理后的观测量重新进入步骤4-2)开始下一轮的kalman滤波迭代。
34、优选的，所述步骤4-1)中kalman滤波的状态方程为：
35、xk＝φk,k-1xk-1+wk
36、其中，φk,k-1为第k-1时刻到第k时刻的状态转移矩阵，wk为k时刻的系统噪声矩阵，xk为第k时刻的待估参数矢量，满足下式：
37、
38、其中，下标k代表时刻；a00,k,a10,k,…a33,k,b33,k为待计算的第k时刻3阶球谐系数；br，1,k为第k时刻gps信号对应的接收机硬件偏差；br，2,k为第k时刻北斗系统信号对应的接收机硬件偏差；表示第k时刻编号为1,2,…,j的卫星硬件偏差，矩阵上标t表示矩阵转置。
39、优选的，所述步骤4-1)中kalman滤波的量测方程为：
40、zk＝hkxk+vk
41、其中，zk为k时刻载波相位平滑伪距后的斜向tec测量值的集合，j∈[1,j]，
42、
43、hk为量测矩阵，满足下式：
44、
45、vk为k时刻各颗卫星的的量测噪声。
46、优选的，所述步骤4-4)包括：
47、步骤4-4-1)融合k时刻的预测值和量测值zk，得到k时刻待估参量的结果
48、
49、其中，为利用状态方程预测参数矢量在k时刻的估计量，满足下式：
50、
51、其中，为k-1时刻待估参数矢量的kalman滤波输出结果；
52、kk为k时刻的卡尔曼增益，满足下式：
53、
54、rk＝cov(vk)
55、
56、其中，rk为量测噪声vk的协方差矩阵，为估计的k时刻待估参量的估计误差协方差矩阵，pk-1为k-1时刻待估参量的误差协方差矩阵，qk为k时刻系统噪声wk的协方差矩阵，满足下式：
57、qk＝cov(wk)
58、步骤4-4-2)根据下式，更新k时刻误差协方差矩阵pk，用于k+1时刻待估参量的误差协方差矩阵的估计：
59、
60、其中，i为单位矩阵。
61、与现有技术相比，本发明的优势在于：
62、1、本发明提出的单站电离层tec的准实时监测方法，基于部署在电离层监测站的gnss双频接收机持续进行，解决组网困难、数据传输亦困难地区的电离层监测问题；
63、2、本发明的方法由于采用了滑动时间窗数据预处理方法，对于数据量的需求极大减小，很好的解决了设备开发环境和计算资源受限的问题；
64、3、本发明提出的非线性建模并通过klaman滤波单站准实时tec反演算法，使得在较小数据量的情况下能够实现测站上空垂直tec的监测，并达到监测精度。
1.一种单站电离层tec的准实时监测方法，基于部署在电离层监测站的gnss双频接收机持续进行，包括：
2.根据权利要求1所述的单站电离层tec的准实时监测方法，其特征在于，所述步骤1)包括：
3.根据权利要求1所述的单站电离层tec的准实时监测方法，其特征在于，所述步骤2)包括：
4.根据权利要求1所述的单站电离层tec的准实时监测方法，其特征在于，所述步骤3)的非线性模型为球谐函数模型，满足下式：
5.根据权利要求1所述的单站电离层tec的准实时监测方法，其特征在于，所述步骤4)包括：
6.根据权利要求5所述的单站电离层tec的准实时监测方法，其特征在于，所述步骤4-1)中kalman滤波的状态方程为：
7.根据权利要求6所述的单站电离层tec的准实时监测方法，其特征在于，所述步骤4-1)中kalman滤波的量测方程为：
8.根据权利要求7所述的单站电离层tec的准实时监测方法，其特征在于，所述步骤4-4)包括：
