电离层延迟改正模型算法的研究与探讨

摘要

电离层是地球表面从50千米到几千千米的大气，由于太阳辐射的原因，该区域的大气被弱电离化，产生大量的自由电子和离子。这些粒子对无线电波产生很大影响，引起的GNSS延迟可达数米甚至数百米，是目前 GNSS应用中最主要的误差源之一，因此在进行无线电导航与应用时，需要进行电离层延迟改正。此外，卫星导航系统正进入新纪元，目前除了现有的GPS和GLONASS全球导航系统外，中国的北斗导航系统、欧洲的Galileo导航系统以及区域导航系统，如QZSS、NAVIC系统，均在迅猛发展。
　　本研究主要内容包括：⑴介绍了GPSK8、Galileo NeQuick G、BDSK8、BDSK14、BDSSH广播电离层延迟改正模型的用户算法，并且评估了几种模型在不同区域的性能，为北斗全球广播电离层模型的性能优化提供了必要的支撑与保障。在中国区域，BDSSH模型性能最好，改正率均在75％以上，RMS精度为5TECU以内，模型改正效果由高到低依次为BDSSH、BDSK14、NeQuick G、BDSK8、GPSK8模型；在全球范围，也是BDSSH模型精度最好，改正率在70%以上，RMS精度为5TECU内，模型改正效果由高到低依次为BDSSH、NeQuick G、GPSK8模型。⑵基于GPS、GLONASS、BDS、Galileo四系统的观测信息，开展了多系统的电离层VTEC建模研究，该策略能够更充分地利用当前多GNSS导航的特点，在一定程度上提高了电离层信息的拟合精度，为卫星导航应用与电离层研究工作提供了更加有效、可靠的途径。建模结果在北半球高纬和中纬地区的精度要比南半球好，并且精度比较稳定，与CODE最终GIM相比，平均偏差在1TECU左右，RMS在1.5TECU左右；建模结果无论在南半球还是北半球，中纬和高纬地区的建模结果都要比低纬好，北半球低纬地区，平均偏差为2.77TECU，RMS为3.92TECU；南半球低纬地区，平均偏差为2.33TECU，RMS为3.34TECU。⑶开展了电离层图（GIM）的评估工作，主要讨论了CODE、ESA、UPC、JPL、CAS、 IGS和iGMAS几家机构的最终、快速和预报的GIM精度，为GNSS单频用户进行高精度导航和科研工作者开展电离层信息的精密研究提供了有力保障。CODE的最终GIM精度在中纬和低纬地区的精度都是最好的，在中纬和低纬地区STD依次为1.78、2.84TECU；在高纬地区，JPL的最终GIM精度最好，STD为1.76TECU。JPL的快速GIM精度是所有快速GIM中精度最好的，在高纬、中纬和低纬地区的STD依次为1.77TECU、1.91TECU和3.14TECU。此外，预报GIM要比最终和快速GIM精度差一些。⑷采用ARMA时间序列模型进行了电离层信息的建模与预报研究，为GNSS用户提供了高精度的实时电离层延迟改正模型，同时该方法也为电离层的研究工作提供了一条有效、可行的途径。预报结果在北半球的精度要比南半球高一些。在北半球，预报31天时，预报精度比较稳定，平均RMS为3.53TECU；随着纬度的降低，预报精度也随之降低；在中国区域，预报40天的预报精度比较稳定，平均RMS为4.01TECU；白天的预报精度要比夜晚好，互差在0.5TECU内。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 选题的意义及研究内容

第2章 GNSS电离层延迟改正的基本原理

2.1 电离层对无线电信号的影响

2.2 电离层延迟改正

2.3 电离层穿刺点

2.4 电离层模型中的常用坐标系

2.5 硬件延迟

2.6 本章小结

第3章 广播电离层延迟改正模型算法

3.1 GPS全球广播电离层模型

3.2 北斗区域广播电离层模型

3.3 新一代北斗全球广播电离层模型

3.4 Galileo全球广播电离层模型

3.5 本章小结

第4章 实测数据电离层延迟改正模型算法

4.1 多项式函数模型

4.2 球谐函数模型

4.3 广义三角级数函数模型

4.4 全球电离层图（GIM）

4.5 格网模型

4.6 球冠谐函数模型（SCHM）

4.7 本章小结

第5章 GNSS电离层的建模与中长期预报

5.1 多GNSS的电离层建模

5.2 基于ARMA的电离层建模与预报

5.3 本章小结

第6章 不同电离层延迟改正模型的精度评估

6.1 提取电离层信息

6.2 GNSS广播电离层模型的精度评估与分析

6.3 各机构电离层图的精度评估

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 本文的主要工作及结论

7.2 研究工作的进一步展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢