多系统GNSS高精度电离层建模和差分码偏差估计

摘要

电离层作为空间大气的重要组成部分，对无线电传播和航空航天等相关活动都有着重大的影响。作为GNSS导航定位中的主要误差源之一，电离层延迟严重制约了GNSS单频用户的定位精度。同时，由于电离层色散特性的存在，使得利用地面GNSS双频观测值监测电离层成为可能。与传统的电离层监测技术相比，GNSS具有反演精度高、覆盖范围广、全天候连续观测等优势。基于GNSS的电离层探测技术已经成为当前电离层领域的研究热点。尽管国内外学者在GNSS电离层监测领域作了大量的研究，建立了GNSS电离层建模的基本理论，并实现了电离层产品的日常发布。但是，目前GNSS电离层产品的精度仍有待进一步提升。此外，差分码偏差(DCB)作为电离层观测值中不可忽略的偏差项，其数值可以达到几十纳秒。在GNSS高精度定轨、定位、授时等数据处理中，也必须进行DCB改正。随着近年来BDS和Galileo系统的快速发展，多系统GNSS DCB参数的精确估计显得日益重要。目前可用的DCB产品仍多局限于GPS和GLONASS系统。针对当前多系统GNSS的应用需求，开展多系统GNSS电离层建模和DCB参数精确估计的研究有较重要的意义。 本文旨在研究多系统GNSS高精度电离层建模和DCB估计相关理论方法，力求为全球导航定位用户提供高精度高可靠性的GNSS全球电离层和DCB产品。围绕该核心目标，本文评估了不同电离层观测值提取方法和多系统GNSS融合对电离层建模的贡献，并基于IGS小时更新观测文件生成近实时电离层产品。实现了GPS、GLONASS、BDS和Galileo系统DCB参数的精确估计，结合GLONASS和BDS卫星的特性对其DCB参数进行了分析。论文的主要工作和结论如下: (1)系统总结了GNSS电离层建模和DCB估计中存在的问题，介绍了相关的基本原理和方法。从GNSS基础观测方程出发，详细推导了不同电离层观测值提取方法。总结了GNSS电离层建模中较常用的投影函数和拟合模型。推导了多系统GNSSDCB估计的具体方法，并给出了DCB参数的精度评价指标。 (2)分析了多系统GNSS观测值融合和PPP固定解电离层观测值提取方法对电离层建模的贡献。利用全球IGS/MGEX网的观测数据实现单GPS、GPS+GLONASS、GPS+BDS、GPA+GLONASS+Galileo以及GPS+GLONASS+BDS+Galileo五种组合模式的全球电离层建模，并对不同组合模式生成的电离层产品进行对比分析。结果表明，不同观测值组合生成的电离层产品间偏差值基本在1TECU以内，多系统GNSS观测值对当前全球电离层建模的贡献不明显。PPP固定解与传统相位平滑伪距电离层观测值提取方法相比，其对全球电离层建模的贡献不明显。但采用区域网内插时，PPP固定解比相位滑伪距的电离层产品精度高约0.5TECU。单频PPP的结果表明，采用PPP固定解改正电离层延迟比相位平滑伪距方法在E、N、U方向的定位精度提升分别接近30％、36.4％和37.5％。 (3)针对实时GNSS导航定位用户，利用IGS小时更新的观测文件生成了近实时全球电离层产品。该近实时产品与CODE电离层产品在全球大部分区域的偏差小于2TECU，统计偏差的均值和STD分别在4TECU和6TECU以内。以CODE电离层产品为参考，近实时电离层产品与事后产品的偏差基本相当。对三种电离层产品进行单频PPP的结果表明，近实时产品与事后产品精度基本相当，比CODE事后电离层产品略差。 (4)实现了GPS、GLONASS、BDS和Galileo四系统DCB参数的精确估计，并对估计的多系统DCB产品进行了评估。实验结果表明:估计的DCB产品与DLR和IGG的产品符合得较好，三个机构GPS、GLONASS、BDS和Galileo卫星DCB的偏差分别在0.2ns、0.5ns、0.2ns和0.2ns以内。在DCB参数的稳定性方面，本文估计的GPS、GLONASS、BDS和Galileo卫星DCB的STD分别小于0.05ns、0.14ns、0.11ns和0.15ns，比DLR和IGG DCB产品的STD略小。 (5)针对GLONASS卫星信号采用频分多址编码方式，提出一种顾及GLONASS频间偏差的DCB估计方法，并评估其频间偏差对DCB估计的影响。结果表明:不顾及GLONASS频间偏差进行DCB估计时，其观测值残差出现与频率通道相关的系统误差，而顾及GLONASS频间偏差的DCB估计方法能消除该系统误差。将顾及和忽略频间偏差估计的DCB参数作差，得到不同频率通道上DCB偏差的最大值达到7ns。同时，基于MGEX和iGMAS网的观测数据对BDS2和BDS3卫星DCB间的系统偏差进行了分析。结果表明:对于MGEX/iGMAS同一网内接收机，BDS2和BDS3卫星DCB间不存在明显的系统偏差，而对于网间接收机BDS2和BDS3卫星DCB间出现了明显的系统偏差。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1 GNSS电离层建模研究现状

1．2．2 GNSS差分码偏差估计研究现状

1．3论文的研究目标及主要内容

1．3．1研究目标

1．3．2研究内容

第二章GNSS电离层建模基本原理

2．1电离层的基本特性

2．1．1电离层的垂直结构

2．1．2电离层对导航信号的影响

2．2 GNSS电离层观测值提取

2．2．1 GNSS基础观测方程

2．2．2基于无几何组合的相位平滑伪距方法

2．2．3非差非组合PPP方法

2．2．4 PPP固定解方法

2．3 GNSS电离层建模

2．3．1电离层建模的基本假设

2．3．2电离层投影函数

2．3．3电离层数学模型

第三章GNSS差分码偏差估计方法

3．1多系统GNSS差分码偏差含义

3．2 GNSS差分码偏差估计

3．2．1频内DCB参数估计

3．2．2频间DCB参数估计

3．3 GNSS差分码偏差精度评定

3．3．1 DCB基准统一

3．3．2 DCB精度评定指标

第四章多系统GNSS电离层建模精度评估

4．1 GNSS事后电离层产品评估

4．2 GNSS近实时电离层产品评估

4．3 PPP固定解电离层产品评估

第五章DCB产品精度评估及特性分析

5．1多系统GNSS DCB产品精度评估

5．1．1 GPS系统DCB精度评估

5．1．2 GLONASS系统DCB精度评估

5．1．3 BDS系统DCB精度评估

5．1．4 Galileo系统DCB精度评估

5．2 GLONASS频间偏差对DCB估计的影响分析

5．3 BDS3和BDS2卫星DCB间的系统差异分析

第六章总结和展望

6．1工作总结

6．2未来展望

参考文献

硕士期间发表论文与获奖情况

致谢