北斗二代在中国及周边海域的定位分析

使用高性能北斗/GPS接收机,于2011年底采集了实测的北斗和GPS数据,分析了不同运动状态下、不同区域、不同卫星导航系统的导航定位特征。结果表明,单独的北斗二代导航系统可以胜任中国及周边海域的标准定位需求。

2009年7月22日日全食引起的电离层扰动及其对定位的影响

2009年7月22日发生在亚太地区的日全食,从北半球中纬地区一直延伸到南半球中纬地区.这次日食期间发生的磁暴和日食时间同步,使得电离层变化较为复杂.为了分析日食期间电离层扰动及其对定位的影响,所采用的GPS数据来源于日全食带内的重庆CORS网(4个站)、武汉CORS网(8个站)数据、IGS站WUHN、SHAO的数据,以及日偏食区域内不同纬度处的若干IGS站.通过比较日食前后连续三天的各个地方TEC变化,以及利用高采样率的CORS网数据研究日食期间TEC的瞬时变化,根据位置和时间的不同,各地日食期间TEC下降约(1～4)TECU.但是,磁暴期间TEC的响应整体表现为正相暴,偏离值达50%以上,且和日食食甚后的TEC变化相重合.同时,求解了日食期间伪距单点定位的实时精度和CORS网内中短基线的实时精度,伪距单点定位的平面精度变化不显著,高程精度下降达数十米,日食初期CORS网中基线的平面精度仍在厘米级内,高程精度仍在分米级内,但是,日食后期发生的磁暴导致基线的平面精度下降到分米级,高程精度下降到米级.

基于单站的硬件延迟求解方法

利用2004年11月磁暴及磁平静期间不同纬度上的IGS站(包括并置站)的GPS双频数据,分别采用最小二乘法和所有视线上TEC标准差最小法解算接收机硬件延迟,计算结果表明,两种方法得到的结果与IGS公布的结果基本一致,说明这两种方法都可以有效地解算单站GPS的接收机硬件延迟。同时,接收机硬件延迟在磁暴期间没有发生剧烈波动,并置站的硬件延迟变化也没有明显相关性,说明接收机本身的性能对硬件延迟的影响远大于电离层状态信息的影响。

极区电离层TEC监测和发布系统

极区是研究各种高空大气物理现象和日地关系的理想场所,通过GPS获取的电离层TEC信息具有高精度、全天候、大范围等优势,所以利用GPS研究极区电离层有重要意义。本文所设计的极区电离层信息监测和发布系统,包含数据回传、数据处理、数据发布三个部分。数据回传包括卫星网络回传和格式转换。数据处理是利用每天回传的GPS双频数据,解算单站VTEC,解决了硬件延迟的求解问题,并用二次建模获得测站上空的VTEC,计算结果表明该方法能较好地给出电离层TEC的大小及变化规律。数据发布是通过中国极地科学考察管理信息系统提供实时的查询服务。

极地测绘遥感信息学的教学研究与实践

武汉大学在长期深入的极地科考和研究中,逐步发展了极地测绘遥感信息学这一具有特色的交叉学科。这一领域的相关研究中需要复合型测绘人才,针对这一需求,武汉大学编制了专业教材并开设了专业课程。本文以笔者的实际教学经验为基础,围绕极地测绘遥感信息学的教学研究与实践,从授课对象、教学内容、教学方法、教学实践等多方面探讨了该课程,为该课程的进一步发展提供参考。

北斗系统在远洋及南极地区的定位性能分析

利用北斗/GPS双系统四频率接收机,于2011年10月至2012年4月采集了中国第28次南极考察沿线的北斗和GPS实测数据,跨度北至中国天津,南至南极内陆昆仑站。从C/A码伪距的信噪比和多路径、可见卫星数、PDOP值、标准定位的精度等方面对比分析了北斗和GPS系统在航线上不同区域,尤其是在远洋及南极地区不同运动状态下的定位效果。结果表明现阶段的北斗系统信号质量总体上与GPS相当;在45°以内的中低纬度地区,动态定位精度与GPS相当,水平和高程方向分别可达10 m和20 m左右,而静态定位水平方向精度为米级,与GPS相当,高程方向10 m左右,较GPS略差;在中高纬地区,由于可见卫星数较少、卫星分布较差,定位精度较差或无法定位。

基于GPS的南极中山站电离层TEC特征研究

利用2000—2006年南极中山站GPS观测数据,研究中山站电离层TEC随太阳活动、地磁环境、单日、年和季节变化的特征。结果表明,GPS-TEC随太阳活动和地磁环境的影响呈线性变化特征,单日、年和季节性TEC变化表现出电离层气候学特征的同时,也出现了磁中午异常的极区特性。

基于多源遥感数据的南极冰架与海岸线变化监测

综合使用光学与微波遥感数据,提出了南极冰架变化连续监测的系统方法,包括基于MOA的冰架基准图生成,基于相似性测度的影像匹配,及基于阈值与分水岭变换的图像分割方法.使用该方法获取了2002—2011年初全南极18个主要冰架的变化数据,并归纳了南极冰架变化的三种类别.进一步得出,近年间崩解变化为主的冰架均处于西南极,并主要集中在南极半岛;扩展变化为主的冰架集中在东南极;南极三大冰架的扩展变化明显,其中Amery冰架将在近年发生较大崩解.本研究首次获取了2002年初至2011年初每年一幅的动态的全南极海岸线数据,并得出近10年间南极海岸线扩展增加总量为5878km2.

基于GPS和北斗信噪比观测值的雪深反演及其误差分析

利用GNSS反射信号反演雪深具有全天时、全天候、数据量大、成本低等突出优点。本文围绕基于信噪比观测值的雪深反演方法,利用参加中国北极科学考察的机会在黄河站设计了GNSS-R试验,采集了GPS和北斗的双频信噪比观测数据,详细讨论了高度角范围、弧段长度、卫星数量、方位角、时间尺度、星座结构、信号频率、信噪比强度等多种因素对雪深反演结果的影响。通过大样本、质量控制、误差分析等手段,雪深反演精度和可靠性得到有效提高。根据误差分析的结果,本文推荐的反演策略如下:选择高度角范围为5°~25°、信噪比强度较高的L1和B1I观测值,充分利用多颗卫星和4个方位角的大量观测数据,在一天的时间尺度上,可以实现5cm的反演精度。另外,弧段长度、星座结构、信号频率等对反演结果的精度影响较小。

2015-04-25尼泊尔Ms8.1地震前后电离层VTEC异常变化分析

利用IGS的GPS观测数据和CODE GIM电离层格网数据,采用滑动平均和四分位数相结合的统计方法,分析2015-04-25尼泊尔Ms8.1地震前后电离层VTEC异常变化。结果显示:1)电离层VTEC在震前2d出现显著的正异常,可能是地震发生的前兆信息;2)通过全球电离层VTEC异常分布,可以清晰地看出地震震中附近区域出现的异常变化特征;3)震后3d电离层VTEC出现显著负异常,其与震后一个月内多次发生的余震有关联。

南极长城站验潮站数据处理和潮汐特点初步分析

继在南极中山站建成我国南极首个永久性验潮站后,2012年1月在南极长城站又建成了我国南极第二个永久性验潮站。通过对长城站验潮站相关数据进行分析处理,得到了验潮基准系统的水准网平差结果和验潮仪零点标定结果,以及长城站附近海域海洋潮汐170个分潮的调和常数,并据此进行了潮汐预报,同时分析了长城站潮汐余水位的变化特征,探讨了利用附近的Antarctic Base Prat验潮站的余水位改正长城站潮汐预报的可行性,结果表明使用Antarctic Base Prat验潮站余水位改正长城站潮汐预报,可以显著提高长城站验潮站潮汐预报的精度,余水位改正后2014时段的潮汐预报中误差为±3.42 cm,明显好于改正前的预报中误差±10.43 cm。

极区电离层TEC经验模型的建立及适用性分析

利用南极地区40多个GPS跟踪站2010年全年的实测数据,实现了极区电离层TEC建模,对多项式模型、广义三角级数函数模型、低阶球谐函数模型、改进的球谐函数模型以及球冠谐函数模型等五种电离层经验模型进行了比较,并评估了其在极区的适用性情况。结果表明,各个模型在极区都可以取得比较好的拟合精度,残差均值在0.1TECU以内,均方根误差在2 TECU以内。

GNSS广播电离层模型在极区的改正效果分析

电离层时延为GPS测量中最棘手、最严重的误差源,而极区结构复杂波动较大,电离层延迟极大影响了GPS测量精度,故在极区选取一个简单有效的电离层模型极为重要。将GPS及BDS采用的不同Klobuchar模型以及Ne Quick模型计算的极区总电子含量,以欧洲定轨中心提供的GIM模型电离层产品作为参考标准,研究三种广播电离层模型在北极地区的均方根和模型改正率。选取了2009—2013年共计5年的时间数据进行分析。结果表明,纬度在57.5°以上地区电离层改正GPS系统采用的Klobuchar模型基本不适用,但改正效果依然优于BDS,而Ne Quick模型改正效果弱于中低纬度,改正率整体在40%左右。

基于GPS的南极电离层电子总含量空间分布特征研究

利用南极区域内的中国中山站GPS常年跟踪站(ZHON)和国际GPS服务站GPS观测数据,计算出2000—2006年期间南极地区上空高精度电离层电子总含量值,分别对极光区内、极光区外、极隙、极盖区的电离层电子总含量进行分析比较。结果表明,极光区外的电子总含量峰值要大于极光区内,极光区内的电子总含量峰值又大于极盖区,而每日电子总含量谷值(即最小值)则相差并不明显,这一空间分布特征与不同位置的不同太阳入射角以及地球磁场在高纬地区具有的特殊构型有关。

北斗三号系统在环南极地区的信号质量与基本定位服务性能分析

随着北斗三号卫星定位系统(BDS-3)的逐步建成,北斗系统的服务范围已从亚太地区扩展到全球,而极地具有重要的科研、航运等价值,因此北斗三号在环南极地区的定位性能需要进行全面评估。利用在中山站、长城站以及环南极航行的"雪龙"号上采集的2018—2020年的北斗三号数据,本文从可见卫星数及位置精度因子、多径值与信噪比、伪距单点定位精度等方面,分析了BDS在环南极地区的信号质量和定位性能。结果表明:BDS在环南极地区可见卫星数均介于4~20颗之间,其卫星可见性及位置精度因子优于GPS;BDS的中轨道地球卫星(MEO)多径值与GPS卫星相当,而BDS的地球同步轨道卫星(GEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)由于在极区的高度角较低,多径值较大;在定位精度方面,环南极地区的BDS伪距单点定位精度在7 m以内,满足北斗系统的设计要求。尽管北斗三号系统还在逐步完善之中,但已经解决了高纬度地区卫星可见数较少的问题,明显提升了定位精度,其中长城站2020年初的定位精度相对于2019年初已经提升50%。

BDS/GPS组合伪距单点定位性能分析与评价

随着北斗系统全球组网即将完成,该系统将逐步具备全球导航定位能力。详细介绍在多种卫星导航系统并存的背景下,北斗和GPS组合单点定位基本原理以及数学模型的建立。利用实测数据分别对BDS、GPS和BDS+GPS三种定位模式下单点定位性能进行分析研究。计算结果表明,BDS+GPS双模式相对于BDS或GPS单系统定位精度更高,稳定性更好。

超宽巷组合辅助电离层残差法北斗周跳探测与修复

根据北斗三频信号的特点及其组合观测值特性,详细阐述了一种新的非差观测值周跳探测与修复方法;该方法利用超宽巷组合(moulborne-wuebbena,M-W)组合观测值优点,对电离层残差法进行相应改进;并通过改进后的电离层残差法获取周跳的位置和大小。计算结果表明:该组合方法可以有效地探测和修复不同大小的周跳,而且适用于北斗三种不同类型卫星的信号处理,说明该算法具有较高精确性和可靠性。

BDS三频伪距/载波线性组合周跳探测与修复

周跳探测与修复是BDS精密导航定位的核心问题。三频观测值相对于双频数据可以构造出更好的组合观测值,有利于提高周跳探测与修复的成功率。文中基于多频伪距/载波线性组合法对北斗三频实测数据进行数据预处理。根据北斗数据的特征,给出组合观测系数的选取标准,并利用北斗实测数据进行验证。结果表明,在数据采样率较高、电离层延迟可以忽略的情况下,根据该方法选取的最优组合系数可以探测和修复观测值中存在的大部分周跳。

顾及强电离层活动的三频周跳探测与修复算法

高效精确的周跳探测与修复算法是实现高精度导航定位的前提条件。鉴于常规算法易受到电离层影响,利用一个三频无几何无电离层码相组合和两个无几何相位组合构建周跳检验量,该周跳检验量能够有效地减弱电离层活动对周跳探测的影响。通过三频全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)实测数据对研究结果的正确性和有效性进行验证,计算结果表明研究结果能够在强电离层活动下正确地实现周跳的探测与修复。

基于GNSS-R技术的北极黄河站雪深反演研究

雪深探测在两极地区的气候和环境变化研究中有重要作用,但现有的观测手段在获取高时空分辨率的雪深资料上有较多的局限性。近年来,利用GNSS多路径信号反演陆地、海洋等表面信息的GNSS-R技术得到广泛重视。在系统分析GNSS-R雪深反演原理的基础上,在中国北极黄河站设计了GNSS-R雪深反演实验,并利用信噪比资料提取了2015年上半年的黄河站雪深变化情况,实验结果表明,GNSS-R雪深反演结果与实测结果吻合很好,这表明GNSS-R技术可以用于极区的雪深探测。