全球电离层图和国际参考电离层在中国区域的评估

根据全球电离层图和国际参考电离层两种常用的电离层模式,对2011年中国区域三个电离层测高仪的观测数据进行了分析,并对其进行比较。结果表明全球电离层图比国际参考电离层能够更好地反映电离层电子含量的变化,而国际参考电离层当前最新版本IRI2011的精度比IRI2007的有了较大提高。

克里金插值法内插IGS电离层图精度分析

采用克里金插值法和常用插值方法内插IGS电离层图数据,获得重庆CORS网5个基准站电离层穿刺点处的VTEC值,和利用5个基准站的GPS平滑伪距观测值解算的VTEC值进行比较,发现克里金插值法和常用插值方法的内插精度相当,故克里金插值法内插IGS电离层图的精度是可靠的。

IGS电离层图内插区域电离层电子含量精度分析

本文以重庆CORS网2007年第247天5个基准站观测数据为例,首先采用平滑伪距观测值解算各个基准站上空的VTEC值,然后将其中的4个测站穿刺点处的VTEC值采用克里金插值法内插YUBE站上空的穿刺点处的VTEC,发现克里金插值法内插的电离层穿刺点的VTEC值精度是可靠的,且比高精度的广义三角级数函数模型计算精度更高。再利用IGS电离层图,采用电离层穿刺点周围4个电离层图点和包含电离层穿刺点的所有格网点内插BANA站整点时刻的电离层VTEC值,经比较发现两者的内插精度基本一致。最后,利用包含电离层穿刺点的所有IGS电离层图点内插重庆CORS网5个基准站上空的整点时刻电离层VTEC值,经分析发现由IGS电离层图内插的5个基准站上空的VTEC值均比采用平滑伪距观测值解算的VTEC值偏大,约3.454TECU,且插值结果精度低于广义三角级数函数模型计算精度。

联合GPS相位观测值与全球电离层图提取区域电离层TEC

提出一种结合GPS相位观测值与全球电离层图提取区域电离层总电子含量的方法。由于没有采用伪距观测值,无需考虑差分码偏差的影响。实验表明,在不同区域以及不同电离层活动条件下,用该方法改正电离层延迟,其单频定位精度较采用全球电离层图有显著提高,与采用相位平滑伪距电离层延迟改正的结果总体上相当。

BDS GEO卫星的电离层VTEC反演性能评估

北斗卫星导航系统(BDS)的地球同步轨道(GEO)卫星可以对固定穿刺点总电子含量(TEC)进行连续观测,可为电离层模型精化提供约束,但BDS GEO卫星探测范围包含了20000 km以上的稀薄等离子体,为了进一步研究其对TEC反演造成的影响,提出一种性能评估方法:利用BDS GEO卫星双频观测数据提取电离层穿刺点处的垂向电子总含量(VTEC);然后分析穿刺点处VTEC变化特性,并与全球电离层图、相邻中圆轨道(MEO)卫星反演VTEC比较;最后以经验电子模型为参考,评估2种卫星探测的等离子体层总电子含量。结果表明:研究区域内GEO-VTEC与全球电离层图有较好的一致性;在不同的地磁条件下,GEO-VTEC与MEO-VTEC偏差的均方根值接近,最大不超过2.46个总电子含量单位;GEO与MEO卫星探测的等离子体层TEC值接近,20000 km以上的等离子体对于TEC的影响可以忽略。说明GEO-VTEC与常用电离层产品以及MEO-VTEC的性能一致。

基于双频组合观测值的GNSS全球电离层建模比较

为了比较当前不同斜路径电子含量(STEC)提取方法对全球电离层图(GIM)精度的影响,本文利用多个系统,包括全球定位系统(GPS)、格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)、伽利略卫星导航系统(Galileo)、北斗卫星导航系统(BDS)这4个系统的全球导航卫星系统(GNSS)的观测值,基于相位平滑伪距(CCL)和非差非组合精密单点定位(PPP)技术提取STEC建立相应GIM并对其精度进行评估。试验结果表明,与CCL相比,采用非差非组合PPP建立的全球电离层模型精度提升0.11 TECu。在南半球和北半球低纬度地区,非差非组合PPP解算的电离层模型精度提升率为6.3%~45.7%,而在45°N以上的北半球中高纬度地区,两者精度相当。

不同电离层改正的PPP时间传递性能评估

为了进一步验证全球卫星导航系统(GNSS)电离层参数化模型及不同精度电离层改正产品在非差非组合精密单点定位(PPP)时间传递中的应用效果,提出一种不同电离层改正的PPP时间传递性能评估方法:分析比较无电离层组合PPP(IF-PPP)和非差非组合PPP(UDUC-PPP)时间传递模型与接收机钟差参数的差异;然后基于2020年年积日第11—31天欧洲永久跟踪站网数据进行实测数据验证,并选择其中202个跟踪站构建区域电离层格网图(RIM),比较全球电离层格网图(GIM)非差非组合PPP(GIM-PPP)及区域电离层格网图非差非组合PPP(RIM-PPP),基于5个外接氢钟的欧洲永久跟踪站网接收机实现进一步的PPP时间传递性能分析。结果表明,与传统IF-PPP模型相比,GIM-PPP和RIM-PPP模型PPP单向授时精度分别平均提高24%、44%,对于时间传递,IF-PPP、GIM-PPP和RIM-PPP模型重叠阿伦(Allan)方差百秒稳和千秒稳分别为9.36×10^(-14)、7.88×10^(-14)、5.11×10^(-14)和1.98×10^(-14)、1.78×10^(-14)、1.24×10^(-14);表明UDUC-PPP模型时间传递稳定性明显优于IF-PPP模型,而得益于高精度电离层模型,RIM-PPP可进一步提升GIM-PPP时间传递稳定性。

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.

多系统非差非组合精密单点定位电离层延迟约束权阵的确定

非差非组合精密单点定位需要估计电离层延迟参数,采用电离层先验改正模型约束可以辅助电离层参数解算。针对先验电离层改正量与实际观测量之间权比关系难以确定的问题,本文提出一种电离层约束权因子搜索算法,采用权因子对先验电离层改正量的方差进行调整,根据验后残差加权平方和最小原则通过搜索找出较优的权因子,利用验后残差动态调整先验电离层改正量的方差从而达到改善定位结果的目的。采用8个MGEX跟踪站的GPS/BDS观测数据对该算法进行验证。静态结果表明:对比传统约束方法,采用搜索算法后平均三维定位精度由3.96 cm提高到3.40 cm,平均收敛时间由76.3 min缩短为59.9 min。

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。

基于北斗GEO卫星的磁暴期间电离层TEC响应分析

基于亚太地区北斗GEO卫星数据对2017-05发生在中低纬度地区的磁暴现象进行研究,并使用北斗GEO卫星获取的TEC实测数据对全球电离层图的精度进行评估。进一步对磁暴引起的全球电离层TEC变化进行分析发现,电离层TEC对磁暴的响应出现在磁暴主相开始1~4 h之后,最大扰动值达到20 TECu以上。

利用中国区域电离层数据拟合Klobuchar参数

对于单频GPS用户而言,电离层延迟是最重要的误差来源之一。GPS系统使用Klobuchar模型对电离层延迟进行改正,其改正数从根据经验模型和历史数据得到的370组常数选取。在缺少全球观测数据的情况下,仅利用中国区域观测数据拟合电离层模型参数,存在区域外精度下降,参数超限等问题。针对这些问题,提出了利用经验模型外推进行参数拟合的方法。相比广播Klobuchar参数,在太阳活动高峰年RMS误差减小接近7TECU,正常年减小1.5TECU,平静年精度也略有提升。2001年至2012年的拟合参数不存在参数超限现象,且量化后或者使用预报的电离层数据进行拟合,精度下降很小,可以用于预报全球电离层模型参数。

电离层高阶项延迟对多系统PPP的影响

计算位于不同纬度的3个MGEX测站在不同太阳活动及地磁场活动情况下GPS、GLONASS、Beidou和Galileo卫星导航定位系统的电离层高阶项(HOI)延迟,分析高阶项延迟对多系统PPP结果的影响,总结不同太阳活动和地磁活动对PPP的影响。结果表明,电离层延迟随纬度的增加而减小;太阳活动是影响电离层高阶项延迟的主要因素,在太阳活动指数较低时,二阶项延迟不超过2 cm,三阶项延迟约为1 mm;当太阳指数较高时,二阶项延迟超过2.5 cm,三阶项延迟可达到5 mm;当磁暴发生时,高阶项延迟会存在一定程度的增长。将电离层高阶项延迟改正后,太阳活动指数较低时点位精度提升效果明显。

利用北斗观测数据实时监测中国区域电离层变化

北斗卫星导航信号采用三个频点工作,可以利用伪距双频组差方法解算电离层电子含量,为实时监视中国区域电离层变化提供新的技术手段.中国中低纬度处于电离层赤道异常变化区,在北纬20°±5°区域时常发生较大梯度的电离层变化.利用北斗实时多频伪距和相位观测数据,采用相位平滑伪距方法计算电离层穿刺点电子含量,分析通过北斗系统GEO卫星监测的电离层周日变化特性;采用多面函数方法拟合中国区域1°×1°分辨率的电离层延迟量,每5 min绘制一幅中国区域电离层图,观测区域所有电离层穿刺点拟合残差RMS为2.778TECU;分析北斗系统实时监测中国区域电离层异常情况,当发生电离层异常变化时,相邻两天的VTEC(Vertical Total Electronic Content)峰值相差约60 TECU.

Jason-2高度计电离层GIM误差分析及修正研究

基于Jason-2高度计2015年地球物理数据集(GDR)38个周期太平洋海域的全球电离层图(GIM)电离层校正值和双频校正值的数据,分不同季度和不同纬度区域比较二者的差异,结果表明:GIM值与双频校正值之间存在明显的差异,GIM校正值普遍高于双频校正值,说明GIM高估了电离层路径延迟,GIM校正值与双频校正值的差异与季节和纬度区间有关。用梯度下降法得到GIM值的修正方程,将修正方程应用于2016年Jason-2的全年数据,修正后的GIM值与双频校正值十分接近,在各年份中均具有良好的适用性。在单频高度计不能使用电离层双频校正算法的情况下,可以利用不同季度和不同纬度区域的修正方程对同等高度的高度计GIM值进行修正以达到双频校正值的精度水平。

多系统广播电离层模型精度评估

电离层误差是导航定位主要的误差源之一,广播电离层模型为单频用户修正电离层延迟提供了简便有效的方法。本文采用CODE提供的GIM产品作为评估的基准,对4大广播电离层模型进行了多方面精度评估,旨在为后续的模型改进及应用提供参考。结果表明:各个模型北半球改正率高于南半球,白天改正率高于晚间;NeQuick模型在中低纬度服务性能一般,但在高纬度地区明显高于BDSK8、GPSK8模型,改正率高出BDGIM模型约5%,BDSK8、GPSK8、BDGIM模型在中低纬度改正率较高,高纬度带改正率稍差;BDGIM模型性能总体优于其他模型,全球范围改正率可达76.91%。

跨赤道异常区传播的高频返回散射电离图

本文主要展示黑子高年冬季跨赤道异常区传播试验的高频返回散射电离图。指出了有一类双回波区混合型P′(f)电离图是属新的形态。讨论了电离图的日变化与探测路径电子浓度双驼峰分布的日变化的一致性,指出利用高频返回散射技术研究赤道异常区北峰漂移规律,研究南中国海高频雷达和高频通信实时选频方法的可用性。

顾及接收机差分码偏差日内变化的电离层建模

针对接收机差分码偏差(DCB)日内变化是否会对电离层建模精度产生影响的问题,该文采用非差非组合精密单点定位(PPP)提取电离层观测值进行电离层建模。首先以GPS和GLONASS的P1-P2观测值为例,选取了超过400个测站的数据,然后,进一步分析了接收机DCB日内变化对电离层建模的影响。30 d的实验结果表明,估计的全球电离层格网图(GIM)相比欧洲定轨中心(CODE)提供的GIM产品的平均偏差和RMS分别为-0.41和1.32 TECu,表明估计的GIM精度与CODE相当。而考虑接收机日内变化后一定程度减少了观测值的残差,但对电离层GIM的最终影响较少。