几种电离层模型对单频单点定位的影响分析

针对实时GNSS单频定位中电离层延迟改正问题,本文采用可用于实时GNSS单频定位的几种电离层模型对电离层延迟进行改正并分析其对GNSS单频单点定位性能的影响。其中,对单频SPP的电离层延迟采用模型直接进行改正,采用Klobuchar模型、CODE的预报产品c1pg、原国家测绘地理信息局的实时球谐电离层产品cosong和CODE事后产品codg计算的电离层精度依次提高;采用不同电离层模型作为电离层估计的先验约束进行单频PPP定位。结果表明:采用精度较好的电离层产品作为先验约束可加快单频PPP收敛。     

常用电离层模型对单点定位精度的影响分析

电离层延迟是限制GNSS定位精度的主要误差源之一,采用合理的电离层改正模型能够削弱定位误差。本文对Klobuchar模型、GIM模型以及NTCM-BC模型的原理进行了阐述,并以九峰台站2016-01-07~2016-01-09观测数据为对象,从不同的角度对BDS K8、GPS K8、GIM和NTCM-BC电离层模型对单点定位的精度的改正效果进行了分析。实验结果表明,九峰台站处,GPS K8和BDS K8模型改正后的单点定位误差RMS分别为2.8553m和1.7932m,NTCM-BC模型改正后的单点定位误差RMS为1.7290m,GIM模型改正后的单点定位误差RMS为1.2834m。     

北斗电离层模型改正精度分析

电离层误差是影响单频用户机定位精度的主要误差源。卫星导航系统播发电离层模型改正参数供用户使用,模型改正精度会对定位结果产生直接影响。北斗卫星导航系统根据连续监测站实测数据,计算并发播地理坐标系下8参数Klobuchar电离层模型参数,且每2 h更新一次。为了科学评估北斗电离层模型改正效果,文中基于北斗最新观测数据,首先,以CODE提供的GIM模型作为比对基准,详细分析了不同纬度地区、不同时间段内的电离层模型改正精度;其次,分别按照以下定位模式进行计算:1)北斗单频不加电离层改正,2)北斗单频+北斗K8模型,3)北斗单频+GPS K8模型,并分析了电离层改正残差对定位结果影响大小。结果表明,北斗电离层模型改正精度在北半球优于南半球,中纬度地区改正效果最好,其改正残差RMS均值在0.6 m左右,往低纬和高纬度地区呈递减趋势;北京地区北斗单频+北斗K8模型定位精度优于GPS K8模型。     

单频GPS接收机定位中的电离层延迟改正

针对单频GPS接收机受电离层影响较大的特点，从定性的角度比较、分析了两种常用经验电离层模型的使用特点和改正精度。利用4个IGS测站的多天GPS实测数据，采用单点定位的方法，从定量的角度，研究了两种常用经验电离层模型应用于单频GPS用户定位时的改正效果，为单频GPS用户修正电离层延迟，选择合适的电离层模型提供了参考性建议。     

北斗三号全球导航卫星系统全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM)应用性能评估

2020年6月23日,我国北斗三号全球导航卫星系统正式完成星座全球组网。北斗三号全球导航卫星系统采用新一代全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM),为用户提供电离层延迟改正服务。本文利用高精度全球电离层格网(GIM)以及实测BDS/GPS数据提供的电离层TEC作为参考,从延迟改正精度及北斗单频伪距单点定位应用、模型系数性能等方面,对北斗三号系统组网前后(2020年5月1日至2020年7月20日)BDGIM模型的改正精度等应用性能进行了分析与研究,并将其与美国GPS播发的Klobuchar模型和北斗二号卫星导航系统播发的BDS Klobuchar模型进行对比。研究表明,BDGIM模型在对北斗三号系统组网完成前后电离层延迟修正精度没有发生显著变化。上述时段内,以国际GNSS服务(IGS)发布的最终GIM产品为参考,BDGIM模型在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别达到84.45%、74.74%和64.57%;以选取的全球83个GNSS检测站BDS、GPS双频数据实测电离层TEC为参考,BDGIM在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别为73.12%、70.18%及68.06%;当BDGIM模型应用于北斗单频伪距单点定位时,在中国区域、亚太地区和全球范围内分别实现了2.22、2.66和2.96 m的三维定位精度。     

不同Klobuchar模型参数的性能比较

对于GPS单频用户而言,电离层延迟是最重要的误差来源之一。GPS系统使用Klobuchar模型对电离层延迟进行改正,其改正数从370组常数中选取。目前全球分布的GPS测站可以获得高精度的全球电离层监测结果,GPS为什么不发播采用实测数据计算得到的Klobuchar模型参数呢？本文针对这一问题进行分析。首先对欧洲定轨中心CODE提供的全球电离层图GIM预报COPG电离层进行精度评估,然后根据COPG电离层进行Klobuchar模型参数拟合并利用IGS提供的事后高精度电离层图进行精度分析,最后将不同的电离层模型参数应用于单点定位以评估其对单频用户的影响。分析结果表明：受8参数的Klobuchar模型本身结构限制,采用全球实测数据计算的电离层模型参数与导航电文中发播的电离层模型精度相当,为55%左右。而仅采用地磁纬度45oS以北的数据拟合得到的模型参数,其电离层改正精度有明显提升,可达65%左右,但其对单频用户定位精度改善不明显。本文研究结果为我国全球电离层建模提供参考。     

利用GPS双频数据进行区域电离层TEC提取

从利用GPS提取区域电离层总电子含量(total electron content,TEC)的基本原理出发,解决了伪距观测值优化以及硬件延迟(DCB)处理问题,并将提取的TEC信息与欧洲定轨中心(CODE)计算的全球电离层(GIM)模型内插值应用在单频精密单点定位中,进行电离层延迟改正实验。结果表明,利用本文提取的TEC值进行单频精密单点定位电(PPP)离层延迟改正时,点位精度能提高到0.2~0.4m左右,明显优于利用GIM内插值的改正精度。     

北斗广域实时精密定位服务系统研究与评估分析

采用IGS、MGEX、北斗地基增强网的实时观测数据,研制北斗广域精密定位服务系统,实时生成北斗高精度轨道、钟差、电离层产品,提供厘米级北斗双频PPP、分米级单频PPP、米级单频伪距定位服务。对实时产品评估分析的结果表明:北斗卫星实时轨道与钟差产品URE统计精度约为2.0cm,实时电离层精度优于4.0TECU。采用全国分布的实时测站动态定位精度(95%置信度)评估分析表明:北斗双频PPP精度存在明显的区域特征,高纬度以及西部边缘地区的定位精度平面约0.2m,高程约0.3m;中部地区定位精度平面优于0.1m,高程优于0.2m,接近GPS实时PPP精度水平;北斗与GPS融合可以提高单北斗、单GPS的定位性能,尤其是显著加快了PPP收敛时间,收敛时间缩短到20min内。另外,除边缘地区外,北斗单频PPP实现平面0.5m,高程1.0m;北斗单频伪距单点定位实现平面2.0m,高程3.0m。     

不同电离层改正模型的SF-PPP定位精度分析

电离层延迟可严重制约单频接收机的定位精度.基于此,本文介绍了四种单频接收机常用的电离层延迟改正方法,包括广播电离层改正模型(策略1),顾及太阳位置的变化全球电离层格网产品(Global Ionosphere Map, GIM)时间旋转内插(策略2), GIM投影函数改正(策略3)和半合改正模型(策略4).同时,选择不同太阳活动期,不同纬度的测站验证不同电离层改正方法的单频精密单点定位(single-frequency point positioning,SF-PPP)定位结果偏差.经过对比分析,得到如下结论：1)总体来说,半合改正模型得到的定位效果最佳,其次是使用GIM产品对电离层延迟进行改正,最后是广播电离层模型;2)在不同太阳活动跃期,不同策略在低纬度测站的定位偏差最大,其次是高纬度测站,中纬度测站的定位偏差最小;3)策略2和策略3在不同太阳活动期不同纬度测站的水平定位平差约0.150 m,三维定位偏差约0.700 m;策略4在不同太阳活动期不同纬度测站的水平定位偏差为0.100 m,三维定位偏差为0.500 m.     

北斗三号卫星差分码偏差稳定性分析及其对单点定位的影响

差分码偏差（differential code bias,DCB）是影响电离层监测和导航定位精度的重要因素之一,建立DCB改正模型对高精度定位有重要意义。针对北斗三号卫星的广播星历和精密星历钟差参数时间基准不统一的问题,首先介绍了多星座实验（multi-GNSS experiment,MGEX）发布的DCB产品的估计方法,给出了部分DCB产品的精度评估和分析结果;然后提出了北斗三号卫星单频和双频伪距单点定位以及双频精密单点定位的DCB改正模型;最后利用5个MGEX测站连续5 d的实测数据分别进行了DCB改正前后的定位实验。结果表明,MGEX发布的DCB产品均具有较高的稳定性,经卫星DCB改正后,单频和双频伪距单点定位的定位精度分别提高了48%~85%和71%~91%,双频静态精密单点定位的收敛时间减少了56%~83%。     

联合SAR相位和振幅信息校正电离层延迟相位

电离层延迟是合成孔径雷达差分干涉测量(DInSAR)的误差源之一,对长波段SAR数据影响尤为严重。文中提出联合SAR相位和振幅信息精确测量方位向偏移,并基于方位向偏移构建模型校正DInSAR电离层延迟相位。选取覆盖2008年汶川地震的ALOS PALSAR(轨道号471)同震干涉对为实验数据,进行电离层延迟校正实验和精度分析。结果表明,实验同震干涉对中电离层贡献相位达17rad,对应约32cm的视线向形变误差,经过校正后地震远场形变均方根减小59%。对比传统方法校正结果,所提方法可有效提高电离层延迟相位校正精度。     

LEO卫星单频精密定轨电离层模型改进算法

电离层延迟的有效改正是LEO卫星单频精密定轨的关键所在。目前主要采用电离层比例因子法进行LEO卫星电离层延迟改正,但该方法在电子密度峰值高度确定时未考虑太阳活动、经纬度、昼夜变化、季节等因素的影响。IRI2012模型虽然考虑了上述因素对电子密度峰值高度的影响,但因其与电离层薄层高度选择的标准不一致,通常它们之间存在系统性偏差而无法直接使用。为此本文提出将电离层薄层高度作为约束条件对IRI2012模型确定的电子密度峰值高度的均值进行参数约束估计,得到一种改进的电离层模型算法,并利用Swarm卫星GPS观测数据对其进行验证。结果表明:改进的电离层模型对Swarm卫星径向、切向和法向定轨精度均有不同程度的提高,尤其对轨道径向和法向精度改善最为明显,分别提高了31.6%和32.0%;同时较大幅度地降低了轨道的系统性偏差,尤其是在径向和法向,分别平均降低了65.0%和54.7%。     

中国区域电离层延迟改正模型建立方法的研究

电离层是影响卫星导航定位的主要误差源之一,建立电离层延迟改正模型对提高卫星导航定位的精度是十分必要的,本文采用球谐函数对中国区域电离层延迟改正模型的建立进行了研究,并分析了模型的精度。     

一种基于三角分区的广域电离层改正新方法

根据中国地形分布难以建立格网模型的特点,为了解决我国区域电离层精确改正的问题,提出了广域电离层改正三角分区的方法。选择中国地震电离层监测实验网中纬度地区的5个监测站,建立覆盖我国中纬度整个网络服务区域的三角分区电离层模型,并利用8个基准站的数据对该方法的修正精度进行评估,结果表明,对于三角分区内部区域,该方法可以修正到90%左右;对于三角分区外部几百公里以内的区域该方法也能达到80%以上的修正精度,同时利用原始GNSS数据对美国、加拿大等4个IGS跟踪站进行补充实验也验证了该方法的可行性,在保证模型精度的同时较格网法更加简单、有效,对广域电离层延迟误差的修正具有重要的参考价值。     

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.      

EGNOS电离层延迟改正数分析

EGNOS是一个广域增强系统,向用户提供电离层改正数是其服务内容的一部分。本文分析了EGNOS电离层改正数的结构,介绍了用户的电离层改正数算法流程。结合EGNOS在中国测试的实际数据,对EGNOS电离层改正数进行了分析。通过对EGNOS的电离层改正数分析可以为我国的广域增强系统提供技术参考。     

基于L5的GPS电离层折射误差改正

在分析电离层折射误差模型以及双频改正模型的基础上,在原有的双频数据处理方法之下,利用GPS现代化中新增的L5频率与原有的L1、L2频率进行新的双频组合,再利用双频组合解算来得出电离层折射误差,以取得双频最优改正值,进而即可对GPS的电离层折射误差进行有效的改正。同时,简单介绍利用三频观测值改正电离层折射误差二阶项的方法。这些方法的使用均可提高GPS电离层折射误差的改正精度,从而提高GPS的定位精度,扩大其应用的深度与广度。     

基于北斗GEO的电离层延迟修正方法比较与分析

电离层延迟是影响导航定位精度的最主要因素。北斗卫星导航系统采用Klobuchar模型修正单频接收机用户的电离层延迟误差,对于双频接收机,可以利用不同频率信号的伪距观测数据解算得到电离层延迟值。为比较两种方法在天津地区的电离层延迟修正效果,利用NovAtel GPStation6接收机(GNSS电离层闪烁和TEC监测接收机)采集到的卫星实测数据进行计算。以国际全球导航卫星系统服务组织(IGS)发布的全球电离层格网数据为参考,对两种方法的修正效果进行比较分析。结果表明,在天津地区,利用双频观测值解算电离层延迟比Klobuchar模型计算结果更加精确,且平均每天的修正值达到IGS发布数据的82.11％,比Klobuchar模型计算值高948％      

用双频GPS观测值建立小区域电离层延迟模型研究

介绍了用双频GPS伪距观测值建立区域性电离层模型的基本原理和方法。模型的初步结果表明，该电离层模型建立后，可为性病区域的广大单频用户提供在天顶方向优于0．4m精度的电离层延迟改正量，且具有30min以内天顶方向优于0．4m的预报精度。     

基于球谐函数模型的GPS电离层延迟改正分析

电离层延迟误差是影响GPS导航和定位的最主要因素,但由于电离层本身的不稳定性,以及目前对其物理特性还不甚了解,我们只能采用精度有限的经验模型和数学模型对其进行描述。本文介绍了利用球谐函数模型模拟电离层延迟的原理与方法,采用双频伪距精确获得电离层延迟,模拟了中国地区上空的电离层延迟,并对模拟结果进行了分析比较,得出了几点有益结论。