国际GNSS服务组织全球电离层TEC格网精度评估与分析

国际GNSS服务组织(International GNSS Services,IGS)发布的全球电离层TEC格网(Global lonospheric Map,GIM)是利用GNSS进行电离层研究的主要数据源之一.IGS电离层工作组于2016年2月正式授予中国科学院为全球第五个电离层数据分析中心,由测量与地球物理研究所和光电研究院联合实施.本文系统地总结和展示了IGS电离层工作组对各分析中心GIM评估的结果;此次评估以基准站实测电离层TEC、测高卫星电离层TEC为参考,给出了各分析中心1998-2015年GIM的总体性能.结果显示:随着IGS基准站日益增多,各分析中心GIM内符合精度由4.5~7.0TECu提升至2.5-3.5TECu;不同分析中心GIM一致性从3.0~4.5TECu提升至2.0~3.5TECu;相对于测高卫星电离层数据,CODE、CAS、JPL和UPC分析中心的GIM精度相对较高(约4.0~4.5TECu),但是在不同测高卫星评估结果之间存在不同的系统性偏差.

全球电离层TEC格网时空变化特性分析

卫星导航定位中,电离层延迟是影响用户实时定位精度的重要因素之一。利用全球电离层格网(global ionosphere maps,GIM)提供电离层延迟改正是较为常用的方法,而GIM格网的精度受限于地面GNSS(global navigation satellite system)跟踪站的分布密度。利用区域内少量或1个GNSS跟踪站建立实时区域电离层总电子含量(total electron content,TEC)模型,生成高精度的实时区域电离层格网,为用户提供区域电离层延迟改正显得尤为重要。基于CODE(Center for Orbit Determination in Europe)分析中心2016-2018年995 d的GIM格网数据,分析了相邻格网点TEC的变化范围以及不同时间间隔同一格网点TEC的变化范围。结果表明,GIM在经度方向上分辨率为5°变化的均值范围为0.2~1.0 TECU,在纬度方向上分辨率为2.5°变化的均值范围为0.4~1.4 TECU,在经度和纬度分辨率均小于1°时,电离层TEC的变化小于1.0 TECU;1 h内同一格网点电离层TEC的变化均值约为1.28 TECU,30 min内同一格网点电离层TEC的变化小于1.0 TECU。该研究为小范围内(半径小于100 km)实时区域电离层TEC模型的建立及电离层格网的时间适用范围提供了有效的数据支撑和理论验证,同时对区域电离层TEC时空变化的研究、电离层TEC预报、电离层异常监测和磁暴监测等具有一定的参考意义。

iGMAS全球电离层TEC格网产品精度分析

为了分析与评估国际GNSS监测评估系统(iGMAS)全球电离层TEC格网产品精度,该文基于iGMAS及IGS各电离层分析中心发布的全球电离层TEC格网产品,进行了精度比较分析,结果表明:iGMAS与IGS、CODE、JPL、ESOC、UPC等IGS电离层工作组发布的全球电离层TEC格网产品,在全球、不同纬度带和欧洲等不同区域均表现出较高的一致性和强相关性,互差为0~2.0 TECU;JPL分析中心GIM的内符合精度约为2.5 TECU,iGMAS、IGS、CODE、ESOC和UPC等分析中心GIM的内符合精度均小于1.5 TECU;在2~8 TECU的精度范围内,iGMAS全球电离层TEC格网产品的精度总体与IGS、CODE、JPL、ESOC、UPC等IGS电离层工作组的精度相当。

利用CORS进行格网化电离层TEC实时监测

为了实现对区域电离层的实时监测，利用连续运行参考站观测到的双频GPS数据提取电离层总电子含量（TEC）信息．根据卫星和接收机硬件延迟在一定时间内比较稳定的特点，利用前一天计算的硬件延迟值来修正当日卫星传播路径上的总电子含量值，从而获得实时的电离层总电子含量．由此建立单历元多站多项式模型，结果表明：当基站间距离平均约为250km时，由7个基站共同建立的实时模型内外符合精度平均优于0．8TECU（1TECU=10抛电子数／m2），将实时模型计算的电离层延迟改正信息应用于静态单频PPP定位中，点位精度能够达到0．3～0．4m，与不进行电离层延迟改正的单频PPP定位结果相比提高80％左右．因此，进一步结合格网技术，可以实现区域电离层总电子含量的实时监测．

利用IGS的GPS资料确定全球电离层TEC的初步结果与分析

尝试利用球谐函数模型和2000年7月15日139个IGS(International GPS Service)站的双频GPS观测数据计算了全球电离层电子总含量(total electron content TEC),给出了基本方法和初步结果;分析和讨论了目前利用GPS资料确定全球电离层TEC形态所存在的困难和需进一步解决的问题;对这项工作的深入研究提出了若干建议。

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COSMIC数据构建全球电离层TEC地图

电离层延迟效应是GNSS精密导航的主要误差源之一,通过建立电离层模型可不同程度地消除电离层延迟效应的影响.然而,目前海洋和气候条件极其恶劣的地区地面参考站建立困难,导致电离层观测资料的全球分布很不均匀,从而限制了现有电离层模型的精度,影响了延迟改正的效果.本文提出在日固坐标系(sun-fixed,地磁纬度和地方时)下,累积地方时过去24 h的COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere,and Climate)观测资料,通过对110～750 km之间的电子密度进行数值积分得到各掩星点的垂直TEC值,然后利用普通Kriging方法插值产生近实时的全球MAGLat2.5°×LT2h的电离层电子密度总含量TEC地图(简称COSMIC TECMaps).将COSMIC TEC地图和全球定位导航卫星系统服务组织(International GNSS Service,IGS)发布的全球电离层TEC地图(Global Ionospheric Maps,GIMs)以及OSTM/JASON-2卫星的高度计观测值进行比对,发现数据吻合度较好,证明利用COSMIC掩星资料构建全球电离层TEC地图具有可行性。随着新的掩星观测系统的即将问世,掩星观测数据会越来约丰富,利用这些数据构建全球TEC地图具有良好的发展前景。

不同地磁活动下全球电离层产品的评估

针对地磁活动会对电离层产品产生影响的问题,提出一种不同地磁活动下全球电离层产品的评估方法:通过评估6家电离层联合分析中心(IAACs)发布的全球电离层地图(GIM)总电子含量(TEC)数据在不同地磁活动条件下的精度,比较2018年地磁平静(8月19—24日)和扰动(8月25—30日)的2个时间段各个分析中心产品的差异。结果表明,磁暴期间,各个分析中心的平均全球总电子含量相对于平静期间可增加0.5个总电子含量单位(TECU)左右;同时磁暴期间的GIM产品精度降低,与全球定位系统(GPS)实测垂直总电子含量(VTEC)相比,各个分析中心模型均方根误差(RMS)可平均增大0.2个TECU,与詹森2号(Jason-2)测高卫星提供的VTEC相比,各个分析中心RMS可平均增大0.4个TECU;加拿大自然资源部门(EMR)和欧洲太空局(ESA)的产品受地磁扰动影响较大,欧洲定轨中心(CODE)的产品和IGS综合GIM的产品受地磁扰动影响最小;地磁扰动对各个分析中心的产品在低纬度地区和高纬度地区的精度影响较大,对中纬度地区的精度影响相对较小。

不同分析中心电离层TEC产品精度评估

针对不同电离层产品精度存在差异的问题,对国际全球卫星导航系统(GNSS)服务员组织(IGS)、美国喷汽动力实验室(JPL)、欧洲定轨中心(CODE)、国际GNSS监测评估系统(iGMAS)、欧空局欧洲空间运行中心(ESOC)分析中心电离层产品进行精度评估,实验结果表明:在中国地区CODE和ESOG的中心电离层产品电离层格网数据(GIM)时间序列结果表现出高度的一致性;在欧洲地区CODE、ESOG和IGS中心电离层产品GIM的时间序列结果表现出高度的一致性;JPL中心电离层产品在中国地区、欧洲地区VTEC日平均值均最大;iGMAS中心电离层产品在中国地区、欧洲地区电离层VTEC日平均值均最小。IGS、JPL、CODE、i GMAS、ESOC分析中心电离层产品在中国地区VTEC的互差在3.6 TECU内,在欧洲地区VTEC的互差在3.2 TECU内,IGS、JPL、CODE、iGMAS、ESOC分析中心电离层产品在中国地区VTEC值相关系数均大于0.90,在欧洲地区相关系数均大于0.94,均表现出强相关性。

Linux Shell在电离层TEC格网数据提取和分析中的应用

电离层延迟误差是卫星导航和定位中不可忽略的重要误差,全球电离层总电子含量(TEC)格网数据因其将全球按规则的经纬度格网化,并给出了相应格网点的电离层TEC值,从而为用户使用提供了极大的便利.本文基于Linux Shell脚本编写简单、快速和容易维护等优点,利用Shell脚本对电离层TEC格网数据进行提取和分析处理,主要包括全球和自定义区域电离层TEC数据提取、均值计算、格网经纬度互差计算、最值提取等应用,可为基于全球电离层格网(GIM)数据对全球或区域电离层TEC周年变化、季节变化、周日变化规律以及时空变化特性等相关规律的分析研究提供一定的参考.

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。

全球系统广播电离层模型精度分析

分析北斗电离层模型与GPS Klobuchar和NeQuickG模型的差异,并以IGS分析中心全球格网电离层模型为参考值,将北斗电离层模型与其他全球电离层模型进行精度比对。结果表明,BDGIM模型显著优于其他3种模型,具有良好的全球电离层综合修正能力,尤其在中国及周边区域其修正百分比达77.01%。

不同全球电离层格网产品在中国区域的应用精度评估与分析

基于全球卫星导航系统(GNSS)跟踪站和Jason测高卫星获得的电离层总电子含量(TEC),系统评估了国内外5家国际GNSS服务(IGS)电离层分析中心以及全球连续监测评估系统(iGMAS)综合中心的预报、快速和最终全球电离层格网产品(GIM)在中国区域的精度和标准单点定位应用性能.结果表明:不同类型GIM产品在中国区域的精度由高到低分别是最终、快速和预报GIM产品;在太阳活动水平较低时,不同GIM产品精度大致相当;在太阳活动水平较高时,西班牙加泰罗尼亚理工大学(UPC)和iGMAS的快速和最终GIM产品精度优于其他机构同类型产品.

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。

全球定位系统(GPS)技术的最新进展 第五讲 利用双频GPS观测值建立电离层延迟模型

介绍了电离层的概况 ,GPS信号在电离层中的传播 ,电离层改正模型以及利用GPS双频观测值来建立电离层延迟或VTEC模型的原理、方法和结果。

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%。

iGMAS全球电离层延迟模型及并行计算策略

针对全球电离层延迟建模中传统串行处理方法效率低等问题，研究了基于全球分布的IGS跟踪站和iGMAS跟踪站观测数据实现全球电离层建模并行解算的基本方法、流程及策略。在Bemese软件基础上研制了一套iGMAS全球电离层延迟建模软件。为了验证并行解算方法的正确性和计算效率，利用全球200个左右IGS跟踪站和6个iGMAS跟踪站2014-08-20—2014-09-06共7周的观测数据，解算了快速电离层TEC格网。与IGS，CODE以及ESA最终电离层格网比较，结果表明：基于该方法解算的快速电离层TEC格网，与CODE，ESA以及IGS最终电离层TEC格网的互差，统计不同纬度带内偏差的均方根误差，全球范围内偏差的均方根误差均在1．5～2．5TECu之间，南北半球高纬度地区在0．5～1．5TECu之间，所有地区均优于5TECu，整体精度与IGS，CODE以及ESA最终电离层TEC格网精度产品相当。

利用地基GPS网高精度实时监测电离层TEC

地基GPS网是监测电离层总电子含量(TEC)的有效手段之一,本文基于上海综合GPS应用网建立了高时空分辨率(0.5h×0.1°×0.1°)的垂直TEC格网模型,用于实时地监测该地区上空电离层TEC变化。该模型每30min给出一幅电离层TEC图,详细地反映了区域电离层分布和变化情况,并可用于实时地改正该地区单频GPS接收机的电离层延迟。

区域格网电离层模型的建立和试算

简要叙述了格网电离层延迟模型的建立原理和数学模型,重点探讨了确定格网点处电离层延迟的权值的确定。借用江苏CORS网中的五个基准站数据建立了覆盖江苏的格网电离层模型,并用三个基准站的数据检验的模型的精度。实例表明,模型精度能达到0.2 m,Kriging插值法具有一定的优势。

全球实时电离层模型精度分析--以CAS、CNES、NRCan及UPC产品为例

分析中国科学院(CAS)、法国国家空间研究中心(CNES)、加拿大自然资源部大地测量局(NRCan)和加泰罗尼亚理工大学(UPC)2021-01~08的全球实时电离层格网(RT-GIM)产品的精度。结果表明:(1)以IGS事后全球电离层格网(GIM)为参考,CAS、CNES、NRCan和UPC产品的RMS分别为3.93 TECu、4.01 TECu、4.50 TECu和3.86 TECu;(2)以基准站dSTEC为参考,CAS、CNES、NRCan和UPC产品的STD分别为4.42 TECu、4.40 TECu、4.96 TECu和4.42 TECu。在全球范围内选取21个测站进行连续7 d的定位测试,以高程方向残差95%分位数统计不同实时电离层产品的定位增益。相比于广播电离层模型的定位结果,CAS、CNES、NRCan和UPC产品在北半球高程方向的定位精度分别提升11.9%、18.3%、3.4%和15.5%。