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.

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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.

一种基于泰勒级数展开的电离层延迟改正模型

针对电离层延迟误差对定位精度的影响,本文将泰勒级数展开应用于电离层延迟的求解过程中,提出了一种基于泰勒级数展开的电离层改正模型(TSE模型)。将该模型与传统的Klobuchar模型和Ne Quick模型在VTEC的求解精度和定位精度上进行了对比分析,用IGS网站提供的测量数据,通过仿真试验验证,得出了TSE模型在提高定位精度上具有较好的可行性与时间适应性的结论。

GNSS广播电离层模型精度评估

电离层延迟误差直接影响高精度定位。GPS、Galileo、BDS均向用户播发电离层修正模型参数。本文以欧洲定轨中心（CODE）的电离层格网数据为基准，对GPS、BDS、Galileo系统的电离层参数性能进行了评估。结果表明，三种模型在中国及其周边地区（70°E～145°E、5°N-60°N）的电离层改正率均在65％左右，我国北斗Klobuchar模型在中、低纬度地区的改正精度总体优于其他两种模型，但在较高纬度地区的改正效果还有待进一步提高；GPS的K8模型在高纬度地区的改正精度较高，而Galileo系统的修正精度变化幅度较小，估计精度适中。

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。

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.

电离层误差对卫星导航系统测距误差影响分析

电离层延迟误差是单频接收机的主要定位误差之一。电离层延迟误差具有多变性,不易准确描述。本文探讨了几种常用单频接收机电离层延迟改正模型,Bent模型IRI模型、Klobuchar模型、NeQuick模型以及IGGSH模型。并利用单频GPS接收机实测数据统计分析各模型对定位误差的修正效果,为单频接收机用户选择合适的电离层改正模型提供参考。

GNSS/LEO无线电掩星电离层探测仿真研究

无线电掩星是实现全球电离层探测的重要手段之一。针对GNSS/LEO掩星探测电离层的特点,基于电离层掩星的判决条件,通过NeQuick模型实现了电波弯曲角和绝对总电子含量的数据仿真,利用阿贝尔变换法(Abel Transform)和穿刺法实现了电离层电子密度剖面的有效反演,统计分析结果验证了NeQuick模型用于GNSS/LEO无线电掩星电离层探测仿真的可行性。

附加经验模型虚拟观测的全球电离层球谐函数建模

采用球谐函数建立GNSS反演全球电离层模型时,由于南极和海洋等地区缺少GNSS数据,导致电离层穿刺点分布不均匀甚至空白,电离层建模精度较差,甚至出现与物理背景不符的负值结果.本文研究附加经验电离层模型虚拟观测的全球电离层球谐函数建模,在穿刺点空白区域分别采用Klobuchar、IRI和NeQuick三种电离层经验模型计算的TEC信息作为约束,旨在比较三种经验模型对全球特别是穿刺点空白区域的电离层建模精度的改善效果,以及三种经验模型在不同地区的适用性.选取全球279个IGS站的全天GPS数据计算分析,结果表明,附加经验模型虚拟观测能有效提高全球电离层建模的精度,特别是穿刺点空白区域的精度.以UT11时刻为例,三种经验模型分别将全球建模精度从11.43TECU提高至3.28、3.42和4.15TECU;赤道周围采用IRI模型约束效果最优,南半球中高纬度和南极地区三种经验模型的效果相近,Klobuchar模型约束在中纬度地区效果最显著;此外三种经验模型在不同时刻的约束效果各有差别.

伽利略电离层改正模型的精度对比分析

针对半经验电离层模型NeQuick模型中NeQuick2模型研究较少的现状,文章介绍了NeQuick2模型的算法,分析了NeQuick2模型与NeQuick1模型的差别:利用低、中、高纬度测站的全球定位系统观测数据获得的斜路径电子总含量作为参考,对NeQuick2模型和NeQuick1模型进行了精度对比分析。结果表明NeQuick2模型的精度显著优于NeQuick1模型,平均改善约4TECU。

利用数据同化技术实现区域电离层TEC重构

电离层参量的提取是开展电离层研究的基础,而数据同化技术则是获取电离层参量的一种重要手段。以NeQuick模型的输出作为背景场,Kalman滤波作为同化算法,利用数据同化技术实现区域电离层TEC重构,结果表明,数据同化方法重构的倾斜总电子含量(TEC)和垂直TEC与实测值较为一致。相比NeQuick模型及全球电离层地图(GIM)数据,数据同化方法重构得到的TEC的平均误差和标准差均有明显的降低,实测数据验证了数据同化技术在区域TEC重构中的精度和可靠性。