GNSS电离层监测研究进展与展望

电离层作为近地空间环境的重要组成部分,对电波通信、卫星导航定位等都有重要影响。监测电离层形态结构有助于对电离层时空演化特征的理解及其建模和预测。随着全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的快速发展,GNSS电离层监测已成为重要的研究和应用方向。系统介绍了GNSS多维电离层监测及其应用的研究现状和进展,主要包括空基/地基GNSS联合反演电离层特征参数、层析技术反演电离层三维结构、电离层延迟建模、电离层异常扰动监测及机理认知等内容。     

GNSS对流层水汽监测研究进展与展望EI北大核心CSCD

对流层是近地空间环境中与人类活动联系最为密切的大气层,而水汽是低层大气圈中最重要的组成部分之一。尽管水汽在对流层中所占比例较小,但在一系列天气和多种气候变化中都扮演着重要角色。随着全球导航卫星系统(GNSS)的快速发展,GNSS对流层水汽监测成为重要的研究和应用方向。本文系统介绍了GNSS多维水汽监测及其在相关方面应用的研究现状和进展。GNSS水汽监测研究方面,当前主要集中在二维大气可降水量监测和三维湿折射率/水汽密度廓线反演两部分;GNSS水汽应用研究方面,当前主要包括定位、短临降雨及旱涝监测、数值同化预报等。     

近年来我国GNSS电离层延迟精确建模及修正研究进展

空间电离层是影响全球卫星导航系统(GNSS)应用服务性能最棘手的误差源之一。近几十年来,随着地基/空基GNSS数据的日益丰富,国内外学者发展并提出了多种重要技术措施修正、削弱电离层延迟对各类GNSS用户导航定位的影响,取得了重要进展和成果。本文在系统总结GNSS空间电离层延迟影响修正研究成果的基础上,从电离层延迟信息精确提取、建模及误差分析、实时改正方法等几个方面,重点介绍了近年来我国在这一领域的主要研究进展情况。     

基于非组合精密单点定位的区域电离层建模

电离层是地球空间的重要组成部分,电离层延迟是全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)数据处理的重要误差源,电离层的影响主要表现为地面站接收到的卫星载波和伪距信号的附加时延效应,最大可达几十米,精确的电离层模型可以有效提高GNSS单频数据处理的精度。利用GNSS观测值研究电离层,一般采用无几何距离组合的码和相位观测值,使用相位平滑伪距方法得到平滑电离层观测值,但是该方法容易受到伪距多路径和观测噪声的影响,导致电离层估计不准确。因此,先基于非组合精密单点定位(precise point positioning,PPP)提取电离层,利用国际GNSS服务的轨道、钟差等产品,有效减少待估参数个数,提高电离层延迟的估计精度;再使用纬度差和太阳时角差的多项式拟合进行区域电离层建模。利用某省连续运行参考站系统数据提取了天顶方向总电子含量信息进行建模,与PPP解算结果进行比较,在测站天顶方向上的模型值和解算值差异较小(除个别卫星外),可达到2 TECU左右。     

基于多源数据的电离层异常监测及GNSS影响效应研究

电离层是日地空间环境的重要组成部分,电离层异常对无线电通讯和人类空间活动的影响不容忽视.电离层异常监测,在高精度GNSS PNT 服务与深空探测误差修正、空间天气预报预警及日地空间环境动态监测等方面具有重要科学意义和实用价值.海量地基、天基多源电离层观测数据,为电离层异常监测及电离层精细化时空变化反演提供了丰富的数据源.论文利用全球约250个Multi-GNSS站和COSMIC掩星观测数据,采用并行计算10 m in内实现全球数据处理,近实时构建了三维电子密度模型,融合掩星数据使得海洋地区的精度明显改善;搭建了天地联合多源电离层观测数据融合处理试验平台,在线提供近实时三维电离层产品,可为地球空间飞行器的空间环境信息支持、空间环境异常监测及预报、导航系统全球电离层延迟修正等提供服务.基于近实时三维电子密度模型,开展了电离层异常的立体监测,较IRI模型能够更好地监测磁暴期间电离层异常与演化过程,实现了全球大尺度、区域精细化电离层动态监测.同时,论文针对电离层异常对GNSS影响效应展开了较为全面的研究,分析了磁暴、太阳耀斑对GNSS信号、电离层模型精度、服务性能的影响.     

高阶电离层在GNSS对流层参数估计的影响

为了研究高阶电离层在全球卫星导航系统(GNSS)对流层参数估计中的影响.在太阳活动平静期和活跃期，分别选择亚太地区的8个MGEX (Multi-GNSS Experiment)跟踪站.通过GAMIT10.71分析了高阶电离层延迟在北斗二号(BDS-2)、北斗三号(BDS-3)、GPS、GLONASS和Galileo对流层参数估计的影响.实验结果表明：太阳活动平静期，高阶电离层延迟对于Galileo的对流层天顶总延迟(ZTD)、可降水量(PW)和南北梯度(NSgrad)影响最大分别达到7.70 mm、1.26 mm和6.77 mm；高阶电离层延迟对于GLONASS的对流层东西梯度(EWgrad)影响最大达到9.30 mm.太阳活动活跃期，高阶电离层在GNSS对流层参数估计中产生了更大影响.其中，高阶电离层延迟对于BDS-2的ZTD和PW影响最大分别达到21.30 mm和3.49 mm；高阶电离层延迟对于Galileo的对流层NSgrad影响最大达到19.87 mm；高阶电离层延迟对于GLONASS的对流层EWgrad影响最大达到了21.21 mm.实验结果进一步表明：高阶电离层在GNSS...     

滑坡与地震监测中电离层扰动分析及其影响改正算法

<正>大型露天矿滑坡和地震是我国所面临的两种典型固体地球灾害。现有研究表明,电离层作为日地系统的重要组成部分,对日地空间环境的变化非常敏感,对穿过其中的电磁波信号产生极大影响,对身处其中的各种卫星系统产生严重干扰。因此,不管是保证星载合成孔径雷达干涉测量(InSAR)的可靠性以实现高精度的矿区滑坡监测,还是基于电离层对地震等大型事件进行监测预警,固体地球灾害空间监测中电离层研究均具有重要的理论意义和应用价值。随着全球导航卫星系统(GNSS)的快     

顾及时空因素的高精度全球对流层关键参量模型构建研究EI北大核心CSCD

对流层在全球水循环、灾害天气形成与演变中扮演着极为重要的角色。大气加权平均温度(Tm)、对流层天顶延迟(ZTD)和天顶湿延迟(ZWD)等均属于对流层关键参量,其中ZWD/ZTD是影响GNSS等空间技术高精度导航定位的重要因素,而Tm是GNSS水汽探测的关键参数。随着GNSS导航定位及水汽探测对实时高精度对流层关键参量的要求日趋增强,对流层关键参量的实时高精度全球精化模型构建成为近年来的研究热点。论文针对已有对流层关键参量全球经验模型存在的问题,联合最新的MERRA-2资料和GGOS大气格网产品等多源数据,开展了对流层关键参量的实时高精度全球模型构建研究。论文主要工作和贡献如下。     

多模多频GNSS差分码偏差估计及电离层建模研究EI北大核心CSCD

电离层延迟是GNSS导航定位中重要的误差源,对电离层进行监测和建模具有重要的意义。GNSS具有覆盖范围广、观测时间长、反演精度高等特点,为电离层监测和建模提供了一种有效的手段。差分码偏差(differential code bias,DCB)包含在电离层观测值中,与电离层总电子含量(total electron content,TEC)参数相互耦合,在电离层建模时需要被精确分离和确定。     

《基于GNSS的电离层层析算法及其应用》内容简介

本书由长沙理工大学闻德保所著。GNSS电离层层析成像技术是近年来发展起来的一种新的电离层监测手段,是空间大地测量、无线电科学和空间物理学等领域的一个研究热点和难点。本书首先介绍了基于GNSS的电离层层析成像原理,探讨了电离层电子密度层析反演过程中不适定问题产生的原因     

大气折射率时间变化对地球同步轨道圆迹SAR聚焦性能的影响

结合了圆迹SAR(CSAR)和地球同步轨道SAR(GEOSAR)的特点,地球同步轨道圆迹SAR(GEOCSAR)具有大面积区域观测、可获得目标三维信息、可对目标区域连续监测等优点。但GEOCSAR合成孔径时间长,完成整个圆周孔径测量的时间为24小时,而大气变化的时间尺度经常表现为数分钟到数小时,因此大气折射率时间变化将会对GEOCSAR方位向聚焦成像产生重要影响。本文考虑L波段GEOCSAR,因此对流层和电离层效应均不可忽略。文中建立了对流层和电离层折射率时间变化引起的相位误差模型,分析和推导了折射率时间变化对GEOCSAR方位向聚焦性能的影响,计算了引起L波段GEOCSAR聚焦性能退化的最小对流层折射率和电离层电子含量随机时间变化量,并通过仿真进行了验证。     

GPS+BDS中长距离RTK定位算法及结果分析

GPS/BDS中长距离RTK定位因为电离层和对流层残余误差的影响,其性能相对于常规RTK有所降低。将GPS/BDS卫星双差电离层误差和对流层误差作为参数,采用卡尔曼滤波进行实时估计。为了验证算法的有效性,利用武汉地区103 km静态基线24 h双频观测数据,分析了GPS和BDS单系统以及二者组合双系统中长距离RTK定位性能。实验结果表明,精确估计的双差电离层残余误差达到米级、对流层误差达到分米级;经过改正后,GPS/BDS单系统的定位精度在1 cm左右,组合双系统则实现了中长距离基线毫米级的高精度定位。     

量子信道大气扰动延时补偿方法的研究

本文对量子卫星定位系统(QPS)中的纠缠光穿过大气电离层和对流层过程中所产生的路径延迟误差进行研究. 根据电离层路径延迟与纠缠光频率以及纠缠光传播路径单位面积上电离层自由电子总含量(TEC)之间的关系,提出3种电离层路径延迟修正方案,并对每一种方案的优缺点进行分析. 根据对流层路径延迟与气象参数之间的关系,以及气象参数与纬度、高度和年积日的关系,提出5种对流层路径延迟修正方案,并分析各修正方案的优缺点. 本文所做研究有助于进一步提高QPS的精度.      

IGS电离层产品的时空特性研究

电离层时空变化规律的研究对于卫星导航、航空航天等具有重要价值。本文利用国际GNSS服务(IGS)产品,分析了电离层的时空变化规律。在时间尺度上,对低阶球谐系数(0,0)、(1,0)、(1,1)、(1,-1)进行了功率谱分析,对北京地区的垂直方向总电子含量(VTEC)进行了短时傅里叶变换分析,对北京、阿克拉和墨尔本进行了季节性分析,结果表明,电离层变化具有明显的年周期和半年周期项。在空间方面,分析了零度子午线、赤道上的电离层延迟随纬度、经度的变化规律,结果表明,在纬度方向上具有明显的单峰效应,在经度方向上的峰值具有延迟变化规律。      

Combination of different space-geodetic observations for regional ionosphere modeling

Most of the space-geodetic observation techniques can be used for modeling the distribution of free electrons in the Earth’s ionosphere. By combining different techniques one can take advantage of their different spatial and temporal distributions as well as their different observation characteristics and sensitivities concerning ionospheric parameter estimation. The present publication introduces a procedure for multi-dimensional ionospheric modeling. The model consists of a given reference part and an unknown correction part expanded in terms of B-spline functions. This approach is used to compute regional models of Vertical Total Electron Content (VTEC) based on the International Reference Ionosphere (IRI 2007) and GPS observations from terrestrial Global Navigation Satellite System (GNSS) reference stations, radio occultation data from Low Earth Orbiters (LEOs), dual-frequency radar altimetry measurements, and data obtained by Very Long Baseline Interferometry (VLBI). The approach overcomes deficiencies in the climatological IRI model and reaches the same level of accuracy than GNSS-based VTEC maps from IGS. In areas without GNSS observations (e.g., over the oceans) radio occultations and altimetry provide valuable measurements and further improve the VTEC maps. Moreover, the approach supplies information on the offsets between different observation techniques as well as on their different sensitivity for ionosphere modeling. Altogether, the present procedure helps to derive improved ionospheric corrections (e.g., for one-frequency radar altimeters) and at the same time it improves our knowledge on the Earth’s ionosphere.     

基于重庆CORS的水汽电离层实时监测方法研究及平台构建

研究了基于精密单点定位(PPP)的大气可降水量(PWV)反演方法及基于像素基的三维电离层层析方法,结合重庆CORS及IGS实时服务产品(RTS)构建了区域水汽电离层监测平台,平台可实时提供高时空分辨率的水汽二维、电离层二维及三维产品,并实现了WEB在线发布.平台拓展了重庆CORS服务领域,对于监测短时突发的天气现象、研究电离层精细形态变化具有重要意义.      

GPS精密单点定位技术及其应用

介绍了精密单点定位的基本原理,利用IGS数据和产品验证了对流层天顶延迟和电离层总电子含量的解算正确性,给出了青岛地区对流层折射率和电离层电子密度剖面的探测结果。实验结果表明：精密单点定位技术应用于空间环境探测是可行的。     

改进CIR算法在BDS长基线模糊度解算中的应用

长基线条件下，测站间空间相关性弱，电离层、对流层延迟经过双差并不能很好地消除，致使CIR方法在长基线条件下解算模糊度成功率较低。本文通过BDS三频组合选择长波长、弱电离层组合改进宽巷组合系数，选取（-1，-5，6）代替传统的宽巷组合（0，-1，1），选择弱电离层几何相位组合（4，-5，2）代替传统的窄巷组合（0，0，1），并通过将多频点的伪距观测值和确定了模糊度的宽巷相位观测值线性组合消除电离层延迟一阶项。通过实测数据分析，本文提出的算法能够有效解算超宽巷、宽巷模糊度，提高模糊度解算成功率。     

Ionospheric GPS radio occultation measurements on board CHAMP

The GPS radio occultation technique is a rather simple and inexpensive tool for getting information about the global characteristics of the vertical electron density distribution. No other ionospheric sounding technique (bottomside/topside vertical sounding, incoherent scatter) unifies vertical profiling through the entire ionosphere with global coverage. The paper addresses retrieval methods and algorithms applied for the generation of operational products including their limitations in accuracy and spatial resolution. Preliminary results of ionospheric radio occultation (IRO) measurements carried out onboard the German CHAMP satellite are reported. The achieved accuracy of the retrieved electron density profiles (EDPs) is estimated in particular by comparing the IRO results with independent vertical sounding data from European stations. It is concluded that CHAMP-IRO measurements have the potential to establish global data sets of EDPs, contribute to ionospheric research, develop and improve global ionospheric models and to provide operational space weather information.