地基GNSS电离层TEC预报模型研究

摘要

电离层延迟是影响 GNSS定位精度的主要误差来源之一，在天顶方向上延迟量达10多米，卫星高度角较小时，其影响可超过50米，该误差能否有效消除或减弱直接影响导航与定位的精度与可靠性，而电离层总电子含量（TEC）是表征电离层形态和结构的重要参量之一，精确测定和预报 TEC及其时空特征变化已经成为电离层的重要研究课题，同时，TEC的监测与预报在航空航天、空间天气学、精密单点定位中具有重要的研究意义。本文对地基GNSS电离层延迟改正模型以及TEC预报研究的主要内容和结论如下： 1.采用IGS中心提供的多年高精度电离层TEC数据通过傅立叶变换探测其周期变化，并重点分析电离层的周日变化、季节变化和周年变化特性以及冬季异常现象，同时分析电离层随经纬度变化的空间特征。结果表明：电离层 TEC具有明显的周期特性，此外，TEC与纬度的相关性较强，与经度无明显关系； 2.详细介绍了基于GNSS实测数据建立Klobuchar模型的方法，利用该模型预报电离层天顶总电子含量（VTEC），并针对Klobuchar模型的不足，利用GNSS实测数据的准确性，对 Klobuchar模型的初始相位、振幅和夜间时延值不断改正，并对改进模型进行精度评估以及在中国地区的适应性分析。结果表明：在不同的时空环境，改进模型的相对精度和绝对精度都明显高于 Klobuchar模型，因此，改进的 Klobuchar模型比Klobuchar模型更准确反映电离层上空的时空变化特性； 3.以IGS中心提供的2012-2014年的TEC数据作为实验数据，基于TEC具有非线性、非平稳特性，采用经验模式分解（EMD）将TEC分解出不同尺度特征的子序列，然后利用差分自回归移动平均模型（ARIMA）对各子序列进行建模预报，最后将各子序列预报值重构得到 TEC值的预报结果，并重点分析 EMD和 ARIMA组合模型（EARIMA）与ARIMA模型在不同的时空环境的预报精度以及EARIMA模型在中国地区的适用情况和精度评估。结果表明：无论在电离层平静期还是活跃期，EARIMA模型的预报精度均优于ARIMA模型，EARIMA模型预报10 d的平均相对精度为92%，平均绝对误差为1.78 TECu，该模型在中国地区的整体预报精度较高，其预报精度随时空变化而有所不同； 4．基于IGS站实测数据或者IGS中心提供的TEC数据，分别采用改进的Klobuchar模型和EARIMA模型建立电离层TEC预报模型，并对两种模型在中国地区的预报精度进行评估以及适应性分析。结果表明：在短期预报中，EARIMA模型的预报精度高于改进的Klobuchar模型，但随时间的推移，模型的精度逐渐降低，而改进模型的预报精度较稳定，因此改进模型更适合长期预报。

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第1章 绪论

1.1 电离层简介

1.2研究目的与意义

1.3国内外研究现状

1.4本文主要研究内容

第2章 电离层TEC时空特性分析

2.1 引言

2.2 电离层总电子含量

2.3 IGS数据简介

2.4 电离层TEC不同周期特性分析

2.5全球电离层TEC在不同经纬度特性分析

2.6 本章小结

第3章 区域Klobuchar模型精度分析与改进

3.1 引言

3.2 Klobuchar模型简介

3.3 Klobuchar模型的改进

3.4 改进的Klobuchar模型在中国地区的预报精度分析

3.5 本章小结

第4章 基于时间序列模型的电离层TEC预报研究

4.1 引言

4.2 时间序列模型简介

4.3 时间序列模型识别

4.4 EARIMA模型算法原理

4.5 数据处理与分析

4.6 EARIMA模型在中国地区的预报精度分析

4.7 本章小结

第5章 改进Klobuchar模型与EARIMA模型预报精度对比分析

5.1 引言

5.2 两种模型在中国地区的预报精度对比

5.3 本章小结

第6章 总结及展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

个人简介、攻读硕士期间参与的科研项目及发表的学术论文

致谢