基于CMONOC建立和评估中国区域电离层模型

摘要

随着SA政策的取消，电离层延迟误差已经成为GPS导航定位中最重要的误差源。目前，电离层模型在校正电离层延迟方面经常得到使用。电离层模型可以进行电离层的预报以及实时和后处理，不仅可校正电离层对无线信号的延迟，而且也可分析电离层的大尺度时空变化特征。由于全球电离层模型在中国区域均具有一定的局限性，使得建立中国区域高精度的电离层模型成为一个迫切的需求。随着我国地壳运动观测网络的不断建设，越来越丰富的观测数据可供电离层建模使用。本文利用中国地壳运动观测网络85个GPS观测站在2012年的观测数据，建立了中国区域的低阶球谐函数模型(LSF，Low-degree Spheric Function Model)、多项式函数模型(POLY，Polynomial Model)和球冠谐函数模型（SCHA，Spheric Cap Harmonic Model），并利用多种数据对模型的有效性和精度进行了评估。本文的主要研究内容如下:
　　1、对电离层探测技术的发展、电离层的物理特性、GPS测量的误差特征做了详细介绍。在了解电离层对GPS导航定位影响的基础上，深入解释了利用GPS观测研究电离层电子含量的原理和方法。
　　2、以目前常用的全球电离层模型（GIM和IRI模型）为切入点，深入分析了电离层的一些时空变化特征，指出目前全球模型在观测数据、测站分布等方面存在的不足。GIM和IRI模型的分析结果表明两者存在一定的差异，但均能反映出电离层随季节的变化规律，以及由太阳引起的一些不规则变化。但是作为经验模型的IRI模型，并不能很好的反映电离层的一些精细变化，GIM虽然有着丰富的观测数据为基础，但模型的时间分辨率较低，观测资料在全球的分布不均匀，可能会导致部分区域的精度不够理想。
　　3、介绍三个区域电离层模型——低阶球谐函数模型、多项式函数模型和球冠谐函数模型的数学原型和基本特征，剖析了模型的建立流程和需要注意的问题。模型建立过程中，模型系数以及卫星和接收机的DCB一同解算，在观测资料充足的情况下，这会同时提高DCB和模型系数的解算精度。模型可以以格网图形式给出，利用格网图进行的三模型互差结果表明，三个模型计算的VTEC结果非常相近，最小有0.02TECu，最大也只有-0.09TECu。
　　4、利用多种现有资料对建立的三个区域模型进行全面、细致的评估，以验证模型的精度和有效性。与全球电离层模型的比较表明，三个模型在中国区域内的精度表现良好，但是在边界均有不同程度的降低，其中多项式模型呈现一定的边际效应;与数字测高仪数据的比较表明，两者均能较好地反映电离层VTEC的变化趋势，但测高仪计算出的VTEC明显低于模型计算的VTEC值，这可能和测高仪的探测高度有限以及人为假设GPS卫星硬件延迟总和为零有关;单点定位结果表明模型能消除较多部分的电离层延迟误差，可较明显提高在水平和垂直方向的定位精度;GPS实测数据的电离层精度较高，以此数据评估的三个模型BIAS，RMS和STD精度均较好，且其RMS和STD精度要比GIM模型好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 电离层探测技术

1．3 电离层模型研究进展

1．4 主要研究内容及章节安排

第二章 利用GPS研究电离层的基本原理

2．1 电离层概述

2．2 GPS计算电离层延迟原理

2．3 电离层参考系和投影函数

第三章 全球电离层模型介绍与分析

3．1 全球电离层模型简介

3．2 全球电离层模型分析

3．3 小结

第四章 中国区域电离层模型建立

4．1 区域电离层模型简介

4．2 区域电离层模型的建立与分析

4．3 小结

第五章 区域电离层模型验证分析

5．1 区域模型与全球模型比较

5．2 数字测高仪验证区域电离层模型

5．3 单点定位验证

5．4 GPS实测数据验证

5．5 小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要研究成果