附有国际参考电离层约束的全球电离层模型

提出利用国际参考电离层附加虚拟观测值对总电子含量值为负数的地区、赤道异常区域和南半球区域电离层进行约束,在日固地磁参考系下采用15阶次的球谐展开建立全球电离层模型,解算得单位权中误差约为1.6TECU,残差绝对值小于3TECU的比例达90%以上,且全球电离层图与IGS电离层工作组的电离层产品精度相当,偏差RMS约为3.7TECU,卫星差分码偏差与欧洲定轨中心相比优于0.1ns,与IGS相比优于0.2ns,接收机差分码偏差与欧洲定轨中心相比优于1ns(大部分优于0.5ns),与IGS相比优于1.5ns。实验结果表明,附有国际参考电离层约束的全球电离层模型确保了全球各个地区的电离层总电子含量为正值,且有效提高了全球电离层模型在赤道异常区域、海洋地区和南半球的精度。

卫星导航中电离层误差校正技术现状与发展

电离层误差严重影响着GNSS的定位精度,GPS、BDS、Galileo、GLONASS有不同的电离层误差校正方法.全文概述了电离层误差校正方法,综述了单频电离层误差校正、双频电离层误差校正及多频电离层误差校正等技术的原理与发展现状.在单频电离层误差校正技术中总结了增强系统中的电离层误差校正技术、北斗全球电离层延迟修正模型(BeiDou global ionospheric delay correction model,BDGIM)、Klobuchar模型、单频电离层误差校正技术的优化—附加国际参考电离层(international reference ionosphere,IRI)约束模型和NeQuick-G模型;在双频电离层误差校正技术中重点总结了双频消电离层误差、无电离层组合模型及PPP-RTK技术中电离层误差校正方法;在多频电离层误差校正技术中介绍了高阶项改正和地磁场建模对电离层误差校正技术的优化与改进.最后,对电离层误差校正技术及其改进方法进行了分析,总结了其发展趋势与方向.

基于全球电离层模型的静态GPS测量成果分析

为研究全球电离层模型（GIM） 和精密星历对GPS 测量控制网成果的影响, 以阜新市城市GPS 控制网为例展开相关研究.利用Trimble Total Control （ TTC） 软件对时段长度从10-360min 不等的观测数据进行处理.数据处理时采用CODE 的全球电离层模型, 以及广播星历/ 精密星历.实践证明, 全球电离层模型的引入可显著地提高精度, 卫星轨道的影响可以忽略不计.

全球电离层模型的分布式并行解算

为满足GNSS数据处理效率不断提升的需求,提出并开发了一套分布式并行计算框架,并基于该框架实现了全球电离层模型的分布式并行解算。采用2台服务器和4台台式机,对全球电离层建模分别测试了单机多线程、多机分布式等并行计算方案,并分析了不同方案建模的数据处理效率。结果表明,采用多线程并行计算可以大幅提高数据处理效率,且当开启线程数与计算机CPU核心数一致时效率提升最佳;采用多机分布式并行计算可进一步提高数据处理效率,使用4台台式机相对于单台台式机解算时间减少约60%,使用2台服务器相对于单台服务器解算时间减少约18%;采用分布式并行计算方案,可充分利用多台计算机资源来提高全球电离层建模效率,对电离层产品快速发布、建模算法的测试等具有重要的意义,对多系统GNSS精密定轨与定位、大网解算也具有很好的参考价值。

全球电离层模型的OpenMP多线程并行解算

探讨了OpenMP多线程技术在全球电离层建模中的应用。在日固地磁参考系下采用15阶次的球谐展开建立全球电离层模型,并对1天解、3天解两种方案的结果与IGS电离层产品进行了对比,电离层图偏差的均方根约3～5TECU,且3天解的方案首尾两组电离层图与IGS产品符合得更好;卫星差分码偏差和接收机差分码偏差与IGS的差异分别约为0.2ns和2ns,仅有少数几个接收机差分码偏差在少数几天与IGS差异较大,超过3～4ns。实验中使用Dell服务器R730（配置：128GB内存、2个CPU、8个核心和32个线程数）,采用OpenMP多线程并行计算能够明显提高全球电离层模型的建模效率,单天解算仅需约7 min,3天解算需约22min,效率提升近8倍。使用3d观测数据并采用OpenMP多线程并行计算来建立全球电离层模型可有效节省建模时间,同时还能提高首尾两组模型系数的精度以进一步提升全球电离层模型的精度,对建模算法的测试、电离层产品的快速发布以及模型后续检验和预测等带来了便利,也为后续实现利用多卫星导航系统观测数据快速建立全球电离层模型提供了参考。

基于超算的全球电离层模型快速并行解算

为应对日益丰富的观测数据以及数据再处理对高性能计算的需求,开发了基于OpenMP以及MPI(Message Passing Interface)并行计算的全球电离层快速建模算法。采用武汉大学超级计算机对全球电离层建模效率进行了不同并行计算方案的实验。结果表明,采用多节点MPI并行计算能够极大地提高数据处理效率,相比传统单节点串行计算提高了近30倍,相比单节点OpenMP并行计算提高了近3~4倍。MPI并行计算方案充分利用了丰富的计算机资源来提高全球电离层建模效率,对电离层建模算法的快速测试、产品的重新再处理具有重要作用,对多系统全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)快速精密定轨、大规模GNSS网解也有较好的参考价值。

全球电离层格网模型精度影响因素分析

以2012年1月数据为例,分析了球谐函数模型的阶数和观测数据采样间隔对全球电离层模型建模时间和模型精度的影响,以及地磁场活动强度与模型精度的相关性。结果表明,模型阶数和采样间隔对建模时间和模型精度有很大影响;太阳和地磁场活动强度与模型精度的相关性为———模型精度随太阳和地磁活动强度的增强而降低。

利用最小二乘配置预报全球电离层总电子含量

将全球电离层垂直总电子含量（VTEC）分解为非随机的系统部分和随机的信号部分,采用4阶自回归模型拟合滤波信号的自协方差函数,并基于最小二乘配置法原理,对全球电离层总电子含量进行长期预报和短期预报分析。结果表明,长期预报的系统部分与欧洲定轨中心（CODE）的全球电离层模型值之间的相关系数为0.812,模型拟合值与参考值残差在4 TECu以内。短期预报在南半球预报精度比北半球要低,地磁赤道南北纬20°区域和海洋区域预报精度最低。全球模型预报精度为1~7 TECu,北半球预报精度约为2.4 TECu,相比CODE方法提高约20.14%;南半球预报精度约为3.5 TECu,相比CODE方法略差;全球预报精度约为3.0 TECu,相比CODE方法提高约8.25%。

武汉大学IGS电离层分析中心全球电离层产品精度评估与分析

2016年2月,武汉大学卫星导航定位技术研究中心(Wuhan University,WHU)正式成为新的国际GNSS服务组织(International GNSS Services,IGS)电离层联合分析中心(Ionosphere Associate Analysis Center,IAAC).本文首次系统地评估和分析了武汉大学IGS电离层分析中心自2016年日常化运行以来(2016年1月到2018年9月,太阳活动低年)的全球电离层产品的精度,并与其他六家IAACs(CODE、JPL、ESA、UPC、EMR和CAS)进行了比较分析.结果表明:WHU的全球电离层产品能够长期稳定且有效地监测全球电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)的时空变化;和IGS综合全球电离层产品比较,WHU的模型均方根误差和CODE、JPL相差不大,均值约为1.4 TECU,产品一致性优于其他IAACs;和GPS实测电离层TEC比较,WHU的模型内符合精度和CODE基本相当,均值约为1.4 TECU,且与电离层活动水平和地理纬度存在显著的相关性;和Jason-2测高卫星VTEC比较,WHU的全球电离层产品的系统性偏差均值约为-0.7 TECU,在不同纬度约为-3.0到1.0 TECU,且与地理纬度存在近似抛物线函数的关系;WHU的模型外符合精度和CODE、JPL以及CAS基本一致,均值约为2.9 TECU,且在中高纬度地区优于低纬度地区,北半球优于南半球.

附加GIM约束的全球电离层建模

针对目前地基GNSS台站在全球分布不均匀,导致南半球海洋和中高纬地区出现与实际不符的VTEC为负值的问题,利用IGS前1d的最终GIM作为虚拟观测值对TEC可能为负值的地区进行约束,结合GNSS数据建立全球电离层模型(称为SGG模型),并用2014年200多个IGS台站数据对模型进行验证。结果表明,各台站VTEC的RMS优于3TECu(赤道异常区域RMS在5~7TECu)。同时SGG能有效消除南半球海洋(40°~90°S)VTEC为负的情况,且对原有非负VTEC几乎没有影响(其变化小于2TECu)。SGG的卫星DCB与CODE相比,RMS和MEAN分别优于0.2ns和0.04ns,不同纬度带SGG与CODE的接收机DCB估值变化基本一致,两者之差基本在1ns以内。

广播电离层模型精度评估分析

全球定位系统(GPS)、北斗卫星导航系统(BDS)和伽利略卫星导航系统(Galileo)均在导航电文中发播电离层模型参数供用户改正电离层延迟。由于采用不同的电离层模型,性能也不同。全面地分析了不同电离层模型的差异及对标准定位的影响。采用欧洲定轨中心(CODE)的全球格网电离层产品作为参考值,对在全球范围内不同时段不同电离层模型的性能进行分析,同时分析了不同模型对定位的影响。结果表明,北斗全球电离层延迟改正模型(BDGIM)与CODE的全球电离层格网图最接近。内·奎克·格(NeQuickG)模型在高纬度电离层延迟误差均方根(RMS)值为1.7个总电子含量单位(TECU),低纬度电离层延迟误差RMS值为5.6个TECU;GPS克洛布彻(Klobuchar)电离层模型(GPSKlob)在低纬度时,电离层延迟误差RMS值为3.8个TECU,高纬度电离层延迟误差RMS值为6.8个TECU。BDS克洛布彻(Klobuchar)模型(BDSKlob)在中低纬度地区时,其电离层延迟误差RMS值优于5个TECU。BDGIM模型与CODE电离层产品定位精度相当,全球定位精度基本优于1.6 m,BDSKlob模型和GPSKlob模型在中低纬度区域的定位精度优于1.8 m。

电离层改正模型对GPS共视时间传递的影响分析

本文以2016年001~010d的观测数据，分析了广播星历的电离层模型、全球格网电离层模型、消电离层组合模型三种不同的电离层模型对4对IGS站间GPS共视时间频率传递的影响。结果表明，广播电离层模型模式下GPS共视时间频率传递的RMS值最大，表明精度最差；电离层格网模型模式下RMS值较小，表明精度比较高，消电离层组合模型模式下除了NANO跟ALBH的站间RMS值大外，相应的精度较差外，其它3组站间跟电离层格网模型的精度相当。

GPS全球电离层TEC的并行算法建模及初步结果分析

根据高精度卫星导航定位和全球电离层活动监测的需要,利用全球370多个GPS基准站的双频相位实测数据,监测全球电离层总电子含量变化和GPS卫星及接收机的DCB。由于数据量大、数据处理时间长,很难实现高精度快速建模,为此我们采用OpenMP并行算法来加快数据处理速度。实验表明,相对于串行处理,并行处理在8核服务器下能加速7倍以上,在48核服务器下能加速超过40倍。将本文的初步建模结果与CODE、JPL等分析中心的结果进行比较,表明用该方法建立的模型是可靠的。其卫星DCB结果相对于CODE发布的结果精度为0.4ns,相对于JPL发布的结果其精度达到0.3 ns。其测站DCB相对于2个分析中心结果的精度均优于2 ns,垂直总电子含量相对于各分析中心的GIM产品的精度都在5.3TECU以内,相对于CODE的结果的精度最高,达4 TECU。

基于不等式约束算法改善高纬度地区GNSS电离层建模精度

由于当前国际GNSS服务组织(IGS)跟踪站在高纬度区域分布不均,用于电离层拟合建模的观测数据不均匀、不全面,导致在利用这些IGS跟踪站观测数据建立电离层拟合模型时该区域的电离层电子总含量拟合模型精度不够,电离层拟合模型格网输出值甚至出现了大量有悖于电离层实际物理意义的负值和零值现象。针对此问题,利用不等式约束算法,对拟合模型电离层格网输出的负值点、零值点加入不等式约束条件,采用附加不等式约束条件的最小二乘法对参数的解算进行优化,并用实测GNSS数据进行验证。实验结果表明,该算法对测站分布稀疏的高纬度地区出现大量零值和负值的情况有明显改善。此外,该算法对全球电离层模型的建模精度也有一定程度的提高。

基于多源数据的BKlob模型精细化

北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)开通了全球服务,BDS Klobuchar(BDSklob)模型的服务区域也拓展至全球范围,BDSklob模型全球化后的性能引起了极大的关注.针对北斗二号卫星导航系统(BDS-2)播发的BDSklob模型在服务区域外精度不高、两极地区改正异常情况,本文基于参数精化方法,利用经验模型IRI-Plas-2017、北斗全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM),以及欧洲定轨中心(CODE)的全球电离层格网(GIM)产品多源数据提出新的BDSklob模型精细化方案多源数据精细化法.结果表明:各个数据源精细化方法对BDSklob模型性能都有明显提升,尤其是在极地区域;BDSklob_C(数据源为CODE的GIM产品)处理结果精度最高;BDSklob_B(数据源为BDGIM)精度次之,但不借助外部数据源,在北斗系统中即可完成精化处理;BDSklob_I(数据源为IRI模型)精度稍差,但基于经验模型的预测性,可以满足实时精化处理的需要.

基于BDS/GPS双系统的全球电离层建模

借助当前比较完善的GPS系统,建立基于BDS/GPS双系统的全球电离层模型,是克服BDS单系统建模弊端,提高全球电离层模型和硬件延迟(DCB)监测精度的一种有效途径.本文分析了基于BDS/GPS双系统的电离层模型所能达到的精度,以及GPS观测对DCB监测的辅助作用.文中选用了太阳活动峰年2013年2月11日–2014年1月13日336天的BDS/GPS双系统观测资料,利用15×15阶球谐函数模型建立了全球电离层模型(GIM/SHA),并利用IGS最终电离层产品(GIM/IGS)、双频实测VTEC和海洋测高数据对该双系统模型的电离层产品进行了全面的精度评估.结果表明:(1)通过与三种基准数据比对,GIM/SHA的外符合精度在3–6 tecu范围内,且系统性偏差较小;(2)GPS卫星P1P2频点DCB与IGS最终产品结果比较BIAS在0.1 ns内,RMS最大不超过0.2 ns;(3)通过比较BDS单系统与双系统生成的卫星和接收机B1B2频点DCB发现,两种方法解算的DCB均值差别为0.01–0.227 ns,双系统解算BDS卫星DCB稳定性稍优于单系统结果,但是GPS观测资料的加入能够明显地提高接收机DCB的稳定性;从14颗BDS在轨卫星B1B2频点DCB长期稳定性统计可见,各卫星DCB长期稳定性为0.2–0.3ns,其中GEO卫星稳定性水平稍差.

OpenMP并行计算在全球电离层反演中的应用

对全球电离层反演数据处理中的计算密集型任务进行分析,针对数据预处理、组建法方程矩阵、参数预消除和法方程矩阵求逆等主要模块设计了基于OpenMP（Open Multi-Processing）的并行计算方案。该实验方案在单台服务器下实施,通过算例验证了本文并行计算方案的有效性和可靠性。实验结果表明：采用并行计算后,全球电离层快速解执行时间只需要10~13 min,计算速度加快了约6倍;最终解执行时间只需要39~47min,计算速度加快了约5倍。本文全球电离层模型精度约为2.8~3.8TECU,最终解模型精度相比快速解精度提高了约0.2TECU,与IGS各个分析中心电离层产品精度基本相当。

北斗卫星信号实时单站电离层估计算法及性能分析

在研究已有实时电离层估计方法的基础上,提出了顾及硬件延迟偏差的实时单站电离层总电子含量估计方法。利用该方法对位于湖北省内的8个测站GPS和北斗实测数据进行模拟实时的处理,将估计结果与全球电离层格网模型进行对比分析,GPS和北斗的估计结果其量值及变化趋势与全球电离层格网模型插值结果都较为一致,其中GPS的误差保持在4TECU(1TECU=1016 m-2)之内,北斗的误差保持在5TECU之内。实验表明,该方法可以很好地实现实时单站电离层估计,独立利用北斗卫星导航系统信号可以实现电离层活动监测。

BDS卫星差分码偏差稳定性分析及其短期预报

利用MGEX(multi-GNSS experiment)发布的BDS卫星差分码偏差(differential code bias,DCB)产品,比较分析不同太阳活动水平下BDS卫星DCB产品的稳定性变化特性,并采用差分自回归移动平均(auto-regressive integrated moving average,ARIMA)时间序列预测模型,实现不同太阳活动水平下BDS卫星DCB的短期预报。结果表明,在太阳活动高年,BDS卫星DCB日解值稳定度、月稳定性均明显低于太阳活动低年,且不同卫星星座类型的BDS卫星DCB稳定性也存在差异;ARIMA时间序列预报结果与MGEX发布值符合程度较好,优于多项式拟合法预测结果。

利用北斗观测实验网解算北斗卫星差分码偏差

差分码偏差（DCB）是电离层总电子含量（TEC）监测和建模的主要系统误差,卫星DCB也是卫星导航系统导航电文的重要参数。研究了卫星DCB的估计算法,推导了不同基准下DCB的转换公式,利用北斗观测实验网解算了2013年北斗卫星的DCB。在同一基准下分析了北斗卫星DCB的稳定性,并与MGEX发布的DCB产品进行了比较分析。实验结果表明,该方法解算的北斗卫星B1-B2DCB在-9~17ns之间,北斗卫星DCB的稳定性优于0.4ns;北斗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）卫星稳定性优于地球静止轨道卫星（GEO）和中圆地球轨道卫星（MEO）;利用北斗观测实验网解算的北斗卫星DCB与MGEX解算结果存在最大约1.7ns的系统偏差,可能由于测距码的不一致性所致;接收机硬件材质的不同是导致接收机DCB差异的主要影响因素。