不同NeQuick电离层模型参数的应用精度分析

Galileo采用NeQuick作为全球广播电离层模型,其实际应用中以有效电离水平因子Az代替太阳活动指数作为NeQuick的输入参数,并利用二次多项式拟合得到广播星历中播发的3个电离层参数。本文在总结和讨论NeQuick模型参数估计方法及其变化特征的基础上,分别以全球电离层格网、GPS基准站及JASON-2测高卫星提供的电离层TEC为参考,分析不同NeQuick模型参数(包括以太阳活动参数F10.7为输入的NeQuick2、以本文解算参数为输入的NeQuickC和以Galileo广播电离层参数为输入的NeQuickG)在全球大陆及海洋地区的应用精度,并与GPS广播的Klobuchar模型对比。结果表明,NeQuickG在全球范围内的修正精度为54.2%~65.8%,NeQuickC的修正精度为71.1%~74.2%,NeQuick2的修正精度与NeQuickG相当,略优于GPS广播星历中播发的Klobuchar模型。

NeQuick电离层模型在中国地区的应用

电离层延迟是影响GPS绝对定位精度的主要因素,对单频接收机尤为明显,Galileo系统广播星历拟采用NeQuick模型作为其电离层模型。本文介绍了NeQuick模型及其模型最优化,给出了利用NeQuick模型计算电离层总电子含量(TEC)的方法,利用国内部分观测台链提供的北京和武汉的TEC,并与NeQuick模型所给出的结果进行对比分析,最后给出NeQuick模型在中国地区使用的初步结论。

NeQuick2电离层改正模型的性能评估

NeQuick2电离层改正模型是在NeQuick1模型基础上改进而来的。利用GPS实测观测值在不同卫星截止高度角情况下获得的斜路径总电子含量作为参考,对该电离层模型性能进行评价,并与常用的国际参考电离层和Klobuchar电离层模型进行比较。结果表明,NeQuick2模型获得的斜向总电子含量与实测差值的标准差保持在15TECU以内,其稳定性显著优于国际参考电离层和Klobuchar模型。

IRI、NeQuick和Klobuchar模式比较研究

本文介绍了三种常见的电离层经验模式:IRI、NeQuick和Klobuchar,并且利用Jason-1卫星上搭载的高度计探测到的太平洋上空2006年电离层延迟数据,对这三个模式在低纬、中高纬地区模拟电离层TEC的精度进行了比较研究,结果表明:NeQuick、IRI-2007模式可以较好地模拟出白天电离层TEC位于赤道两侧的双峰结构,但不能得到精确的峰值大小和位置信息;三个模式在中高纬地区的模拟精度指标几乎全面高于低纬地区,其中,IRI模式在中高纬地区精度较高,相关性达到0.82022,标准差为3.0844TECU,NeQuick和Klobuchar模式模拟精度相当;整体比较,IRI-2007模式自相关系数为0.81016,NeQuick模式为0.70717,Klobuchar模式也达到了0.6878,说明这三个模式都能较好地模拟出电离层TEC的背景特征.总体上,IRI-2007模式精度最高,可以更有效地修正电离层延迟误差.

Galileo卫星导航系统广播NeQuick模型及其参数拟合

提出了基于IGRF模型的Galileo广播NeQuick模型及其参数拟合算法,解决了Galileo信号仿真中地理场景映射与地磁坐标下的电离层延迟修正参数拟合问题.应用IGRF模型,可计算出任意给定位置和时间点的地磁参数以及E层、F_1层、F_2层的电子密度,从而计算出Galileo电离层修正参数.仿真结果表明,该算法拟合的全球电离层延迟与IGS提供的实际观测值基本一致,仿真精度高于一般的经验电离层模型,实现了Galileo卫星信号的电离层延迟修正参数的精确仿真.

NeQuick2模型在星载单频GPS实时定轨中的应用

在星载单频GPS实时定轨中引入NeQuick2三维电离层延迟改正模型,首先利用GIM对Klobuchar和NeQuick2模型进行精度评估,然后使用不同电离层改正方法模拟仿真星载单频GPS实时定轨实验。结果表明,当卫星轨道低于500km时,相比于传统的改进Klobuchar改正的定轨精度,利用NeQuick2改正的定轨精度提高0.2m左右,与双频伪距法定轨精度相当。

ERA-Interim资料和NeQuick电离层模型用于D-InSAR沉降监测的可靠性研究

采用ROI_PAC软件处理汶川地震前后ALOS PALSAR 474轨道的4景影像,利用ERA-Interim资料和NeQuick电离层模型对其进行对流层和电离层延迟误差修正,得到地表垂直位移,并和5个GPS台站测量的地表沉降值进行比较,结果表明合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)得出的垂直位移和其经过对流层、电离层延迟改正后的垂直位移,与GPS实测值相比,前者差值平均值为0.104 m,后者差值平均值为0.057 m,说明加入对流层和电离层大气延迟误差改正后,D-InSAR的精度得到了提高。

NeQuick模式在亚太地区扇区电离层参数f0F2的预测能力

利用亚洲、澳大利亚地区8个电离层观测台站的F_2层临界频率f_0F_2的历史观测数据,考察了NeQuick模式预报电离层基本参数f_0F_2在亚太扇区的适应性.对比分析表明,此模式能比较好地预测各地的F_2层临界频率,其绝对误差在南半球各站相对北半球各站较大,太阳活动高年相对太阳活动低年较大,春秋季相对夏冬季较大.其误差均方根在太阳活动高年相对太阳活动低年较大.

针对星载SAR法拉第旋转估计的NeQuick-2模型精度分析

P波段星载合成孔径雷达(SAR)凭借其较强的穿透能力,在对森林、沙地等观测方面具有较强的优势,但易受法拉第旋转等电离层干扰的影响,其图像质量严重下降。本文针对现有电离层模型的精度开展分析,以基于GPS的CODE GIM全球电离层实测数据为参考,对比评估NeQuick-2模型的电离层总电子量表征能力。在分析CODE GIM实测数据特点的基础上,讨论其在星载SAR领域的局限性;在解析NeQuick-2模型和方法的基础上,研究其表征精度的影响因素;通过对比该模型生成的电离层数据与CODE GIM数据,验证NeQuick-2模型的估计精度。结果表明:NeQuick-2模型可满足P波段星载SAR的法拉第旋转角估计和校正的需求。

利用GNSS数据结合NeQuick模型优化磁暴期F2层临界频率参数估计

F2层临界频率foF2是高频通信的重要参数,目前获取F2层临界频率(foF2)最有效的手段是电离层测高仪,但磁暴期间电离层自身剧烈变化会造成测高仪foF2数据严重缺失。经验模型如NeQuick虽能给出foF2估计值,但磁暴期精度却不及磁静日水平。本文选取2015年12月19日至2015年12月22日磁暴期中国地壳运动监测网GNSS双频数据进行区域建模并估算出电子总含量(total electron content,TEC),利用实测区域TEC对NeQuick模型有效电离参数Az进行估计,得出NeQuick模型优化后TEC总含量和F2层临界频率foF2,并反演出磁暴期初相,主相及恢复相阶段变化过程。以中国地区台站实测数据作为参考对比,结果表明:GNSS数据优化后的NeQuick模型TEC精度大概提升了20%~40%,foF2的实时精度提升了10%~25%。GNSS优化后NeQuick模型能准确反演出电离层的由正相暴转为负相暴演化过程,而原始模型由于仅依赖于输入的太阳活动水平,只能反映出与磁静日水平相当的日变化趋势值。利用该方法可以有效提高磁暴期TEC和foF2的经验模型的计算精度,特别是弥补磁暴期foF2数据缺失的不足,可以作为磁暴期电离层垂直探测仪的有益补充或者有效参考。

NeQuick电离层模型的精度分析

电离层延迟是影响卫星导航定位精度的一个重要因素,NeQuick电离层改正模型是半经验模型,已经被伽利略系统作为单频用户的电离层改正模型。本文以双频载波平滑伪距观测值获得的电离层总电子含量(TEC)作为参考值,分别比较了以F10.7的月均值作为输入参数和以广播参数求出的Az作为输入参数的模型精度,并与Klobuchar模型进行了对比分析。结果表明以太阳活动参数F10.7为输入参数的模型精度高于以广播星历Az为输入参数的模型,NeQuick模型的改正精要高于Klobuchar模型的改正精度,在中高纬测站要优于Klobuchar模型5-10 TECU。

Klobuchar模型和NeQuick模型在中国地区的精度评估

将CODE以及GPS广播星历提供的8个系数分别作为Klobuchar模型的输入参数,利用Klobuchar模型及NeQuick模型计算得到中国地壳运动观测网15个GPS基准站上2000～2008年的电离层VTEC序列,以欧洲定轨中心CODE提供的事后电离层产品作为参考标准,得到了两个模型在中国地区的精度评估结果。

京津冀区域电离层TEC多参数融合预测模型

本文利用中国地壳观测网络(陆态网络)GPS站点实测总电子含量(Total Electron Content, TEC)数据,建立了京津冀区域电离层经验模型,并通过引入太阳通量和地磁活动数据来提高模型的性能。本文研究了电离层TEC的日变化、季节变化和地磁影响分量的函数模型,采用非线性最小二乘法拟合待定系数,提出了一种多参数经验融合模型——电离层TEC京津冀区域模型(Multi-Parameter Empirical Fusion Model-Ionospheric TEC Beijing-Tianjin-Hebei Region, MEFM-ITBTHR)——来预测京津冀区域电离层TEC。结果表明,MEFM-ITBTHR模型能够很好地拟合建模数据集。本文还对MEFM-ITBTHR模型的性能进行了地理位置变化分析、季节变化分析和地磁扰动分析。结果表明,在京津冀区域,MEFM-ITBTHR模型在不同经纬度、不同季节、不同地磁扰动下与实测TEC的预测效果、线性相关性、模型精度都优于IRI2020和NeQuick2模型。本文构建的区域TEC经验模型可为GNSS单频用户提供新的电离层延迟改正方法,同时对建立其他新的和改进现有的电离层经验模型具有重要的参考意义。

NeQuick模型算法研究及性能比较

研究了NeQuick2算法改进及其实现方法,从不同角度分析了NeQuick2模型在全球区域和中国区域内的性能优势。一个太阳活动周期内,中国区域NeQuick2模型计算的电子总含量(total electron content,TEC)比NeQuick1模型精度有显著提升,改正精度与太阳活动水平具有较强的相关性,低年比高年的改善效果更为显著。以全球电离层数据(global ionosphere maps,GIM)为参考标准,中国中高纬区域太阳活动低年NeQuick2模型TEC的系统年平均偏差减少了76%,年平均均方根(root mean square,RMS)值减少了约72%。太阳活动高年NeQuick2模型TEC的系统年平均偏差减少了38%,平均RMS减少了13%左右,且中高纬区域改正精度优于低纬区域11%~13%。全球区域太阳活动峰值期间NeQuick2模型TEC比NeQuick1模型日平均偏差改善了25%,日平均RMS改善了30%左右。分别用NeQuick1和NeQuick2模型得出F2层顶部区域在太阳活动峰值期电子密度随高度剖面分布,顶部电子密度剖面精度改善近40%。最后分别得出了两个模型中国区域中高纬地区E和F1层区域在100km、150km和200km高度的电子密度分布图,结果显示NeQuick2模型改善了电子密度分布状况,有效避免了NeQuick1在底部区域电子密度梯度不连续以及电离层异常结构的情况。

电离层顶部电子含量对GNSS电离层层析的影响分析

卫星信号射线上的总电子含量(slant total electron content, STEC)是像素基全球卫星导航系统电离层层析(computerized ionospheric tomography, CIT)建模的必要数据来源,但电离层层析通常忽略1 000 km以上的顶部电子含量,为弄清这部分电子含量对层析结果的影响,利用NeQuick2模型计算站星视线上的STEC与其在电离层区域内的STEC比值来改正原始数据,并分别利用改正前后的STEC进行电离层层析。结果显示,电离层顶部电子含量占比约为10%,白天占比略大于黑夜,与测高仪站的数据相比,改正后的均方根值比改正前提高了20%以上;与Swarm卫星提供的电子剖面数据对比,改正后的层析结果精度较改正前提升了19.6%左右,且该方法受地磁扰动影响较为明显。总的来说,利用CIT进行小尺度电离层探测,可较直观地看出,顶部电子含量对层析结果的影响较大,需要采取相应手段予以剔除。

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。

GNSS电离层模型改正精度评估与分析

电离层时延误差是导航定位信号在空间传播路径上的主要误差源之一,因此全面了解GNSS电离层模型的改正精度具有一定现实意义.根据GPS,BDS和Galileo系统所采用的电离层修正模型,利用2014年电离层校正参数,以高精度全球电离层图为基准,评估分析了三大系统电离层时延的改正精度.结果表明：目前GNSS使用的几种电离层修正模型的改正率在65%~75%左右;Galileo系统使用的第二版NeQuick模型与第一版NeQuick模型相比在修正精度上并无显著提高;GPS使用的Klobuchar 8参数模型在北半球25°一45°N的中纬度地区精度很高,但是在全球其他区域精度较低,分布性较差,而NeQuick模型全球改正率分布则较为平均且平滑.

GALILEO原始观测数据仿真研究

对GALILEO卫星的运动情况进行了模拟,进而仿真出其全星座卫星系统。分别采用NeQuick模型和Hopfield模型分别对电离层误差和对流层误差进行了模拟。参照GPS对GALILEO卫星钟差和接收机种差进行了模拟。计算各颗GALILEO各卫星的Doppler频移以及对各颗卫星的伪距和载波相位观测值,最后生成RINEX观测文件。生成的观测文件能反应GALILEO观测的实际情况,是进行GALILEO/GPS组合导航以及载波相位模糊度解算等后处理研究的基础。

电离层掩星反演的变分同化方法

电离层掩星数据反演的传统方法是Abel反演法及其改进方法,而实际电离层的非球对称给电离层电子密度反演带来误差.本文研究了在气象领域广泛应用的变分同化方法在掩星数据反演电离层电子密度廓线的可行性,利用IRI和Nequick模型模拟掩星真值场和背景场进行数值模拟反演,并与Abel反演法反演结果进行对比.结果表明,变分同化反演方法能够有效综合模式和观测数据,使得反演结果精度较高;与Abel反演法相比,反演的电子密度廓线F2层峰值浓度误差在10%以下,而Abel反演法在20%～30%之间;而且变分同化反演法对误差扰动有较好的过滤性,因此实用性较强.

电波环境水平不均匀性对雷达探测精度影响研究

电波折射成为影响雷达等测控设备探测精度的最重要误差源.根据雷达高精度探测的需要,利用MM5、NeQuick模型分别仿真分析了对流层、电离层区域电波环境水平不均匀性,并重点研究了电波环境水平不均匀性对折射误差修正精度的影响.研究结果表明:对于工作频率1.0 GHz或更低频段雷达而言,对流层水平不均匀性对折射误差修正精度影响相对较小,而电离层水平不均匀性显著,对折射误差修正及雷达探测精度影响较大.特别是对于UHF或更低频段雷达,对流层水平不均匀性影响可忽略不计,而电离层水平不均匀性影响更大,需重点考虑并予以修正.本文研究结果对不同工作频率的雷达的大气折射误差修正的论证、设计及研制具有较强的参考和支撑作用.