电离层局部格网降分辨率层析方法

网格划分是电离层层析的重要一环,也是影响层析精度的重要因素之一。然而,现有研究更多地关注如何通过反演算法及模型来提高精度,较少关注格网划分这一手段。本文拟从格网划分这一角度来对电离层层析方法进行优化。先利用若干试验研究了格网分辨率与层像精度的关系,然后在此结论基础上提出了一种通过降低非感兴趣区域格网分辨率来提高感兴趣区域层像精度的方法。为验证本文方法的可行性,分别开展了两个不同的层析试验。两个试验同时表明:相对于传统的格网划分方法,本文方法在均方根误差、平均绝对误差、68%及95%百分位、标准差等多个精度指标上均具有优势。根据本文试验,利用本文方法均方根误差及平均绝对误差可望分别减少15%至40%。     

基于混合罚函数法的多尺度电离层层析确权方法

在利用GNSS进行像素基电离层层析时,多尺度层析方法利用权重因子将反演区域不同像素层析模型结合在一起,最终得到电离层电子密度反演结果,可以有效地解决电离层层析过程中不适应问题和最终的电离层电子密度失真现象。在多尺度电离层层析中,不同像素尺度层析模型之间权重是影响最终的电离层电子密度精度的重要因素。为了获得高精度电离层层析模型,考虑到权重因子存在着等式和不等式限制条件,采用解决最优化问题的罚函数法确定不同像素尺度电离层层析模型之间的权重。通过采用实测GNSS观测数据进行电离层多尺度电离层层析,对比了多尺度层析模型的各个子模型建模精度并进行分析,同时将罚函数法获得的模型精度与其他确权方法进行了对比,该方法可以有效地应用于多尺电离层度层析,且最终的层析模型精度优于其他确权方法,更优于单尺度电离层层析模型精度。     

利用区域地基GPS的电离层层析成像研究

电离层是近地空间的重要组成部分,如何对电离层的异常扰动进行合理监测与预报一直是空间物理领域的研究课题。本文将计算机层析成像技术引入到电离层扰动监测中,利用大量的区域地基GPS观测数据,借助代数层析迭代算法反演得到三维电离层电子密度;并将层析结果与国际电离层参考模型IRI2007进行对比分析,结果表明:地基GPS层析所得的电离层电子密度与IRI2007基本一致,但层析结果精度略高于IRI2007模型。     

层析反演与神经网络方法在电离层建模及预报中的应用

将香港地区某天由电离层层析反演得到的电子密度值分成6组,利用神经网络方法对该6组数据分别进行了拟合建模及预报。实验结果表明,采用电离层层析技术并经神经网络模型预报得出的电子密度值精度明显高于由IRI2007模型提供的电子密度值,其预报的30min及60min的电子密度值精度可分别达到0.45TECU和1.34TECU。     

地基GNSS电离层层析方法及应用

随着GALILEO、GLONASS和BDS等系统的快速发展,全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System)为电离层层析技术的应用带来大量的观测数据,可弥补单星座条件下地面观测站点少和观测视角有限等不足。本文利用多星座GNSS的观测数据,通过融合定权的方式,提出一种基于地基GNSS的电离层层析方法,求解出高精度的电离层电子含量值。利用该方法反演出欧洲区域上空的电子密度。实验结果表明,多星座GNSS反演的精度要优于使用单GPS数据的结果。并将该方法应用到磁暴探测中,与垂测仪的观测结果进行比较,验证了多星座GNSS电离层层析方法的可行性和优越性。     

一种适用于电离层电子密度重构的AMART算法

针对传统乘法代数重构算法（MART）迭代精度不高的问题,提出一种自适应电离层层析新算法。一方面,该算法根据射线穿越像素点的截距和电子密度值的综合影响,合理地分配迭代差值;另一方面,提出一种与电子密度值相关的自适应松弛因子,有效克服传播噪声对电子密度反演的影响。试验采用全球电离层图（GIM）数据和GPS双频观测数据分别从单射线迭代和多射线迭代两个方面对新方法的可行性和优越性进行验证。试验结果表明,相对于传统的MART算法,本文方法反演电子密度剖面更接近电离层测高仪观测结果。     

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%。     

基于格网化高精度卫星导航定位服务方法的网络RTK精度分析

针对一种在虚拟参考站(VRS)技术基础上,进行改进的基于格网化高精度卫星导航定位服务方法,测试并分析了该方法格网划分分辨率不同对网络实时动态定位(RTK)精度的影响,在常规格网划分条件下,选取动态场景的应用数据,分析了该方法的网络RTK动态应用精度. 测试结果表明:随着格网划分距离增加,网络RTK精度随距离增加会降低. 其中,2′×2′和4′×4′格网划分模式下,定位残差序列除个别异常点外,几乎都在厘米以内,且精度统计相当,故可以选择4′×4′作为常规格网划分,满足少量相对固定的虚拟格网点观测量计算,且定位精度维持在厘米级. 常规格网划分条件下,RTK动态跑车定位水平残差序列为厘米级,高程残差序列在分米级,能够达到动态应用精度要求.      

给定内插重力异常精度时对重力数据的要求

基于最小二乘配置误差估计公式,建立了重力异常格网数据的分辨率和精度与重力异常内插值精度的关系,提出了在给定插值精度时反推已知格网数据的分辨率和精度的方法。以EGM2008重力场模型为例,在不同分辨率和精度条件下进行重力异常插值实验。实验结果与本文方法的计算结果基本一致,表明该方法具有一定的可行性。     

基于残差统计特性的中国区域格网电离层GIVE算法优化

北斗星基增强(BDSBAS)系统播发格网电离层改正数和格网电离层完好性参数GIVE,用以提升GNSS系统的服务精度并实现区域电离层活动完好性监视,以满足精密进近(GLS PA)需求.本文在实现BDSBAS格网电离层粗差剔除与改正数计算的基础上,提出了一种电离层完好性参数GIVE的优化方法,进而评估了BDSBAS格网电离层的应用精度.BDSBA S格网电离层格网点延迟估计采用平面拟合算法计算,异常数据剔除采用稳健的中值容错算法,GIVE的估计考虑了电离层残差分布的偏度与峰度统计特性,能够实现对电离层异常活动的及时响应.2020年1月实测数据分析结果表明,BDSBAS格网电离层修正精度(RMSE)为2～3 TECU,改正百分比达到75％ ～79％,GIVE包络率优于99.9％.修正格网电离层后可提升GPS定位精度20％ ～40％.     

联合全极化SAR和IRI估计三维电子密度分布

三维电子密度是研究电离层空间结构的关键参数,现有的技术和方法存在空间分辨率不足的缺陷。基于此,提出一种联合全极化合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)和国际参考电离层(international reference ionosphere,IRI)模型估计高空间分辨率三维电子密度分布的方法。首先利用全极化SAR计算法拉第旋转(Faraday rotation,FR)角;然后根据FR角结合磁场信息估计垂直总电子含量(vertical total electron content,VTEC);最后联合估计的VTEC和IRI电子密度剖线求解三维空间电子密度分布。为了验证所提方法的可行性,利用覆盖美国阿拉斯加地区的先进陆地观测卫星(advanced land observing satellite, ALOS)-1全极化SAR影像进行了实验,并获取GPS及Poker Flat测站的非相干散射雷达(incoherent scattering radar, ISR)数据对实验结果进行验证。结果发现,相对于IRI三维电子密度,所提方法获取的高空间分辨率三维电子密度整体误差减少了33.57%,其中高于133 km的电子密度误差减少了47.98%。     

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。     

单频GPS实时定位精度分析

电离层延迟误差是单频GPS实时/事后定位误差的一个重要来源,目前尚无有效的方法来削弱其影响。针对这一状况,该文首先介绍了单频GPS改正电离层延迟误差的常用方法,通过分析说明了电离层格网数据能够有效改善单频GPS实时/事后定位误差。给出了电离层格网数据的建立、预报方法,并详细介绍了刺入点地心经纬度VTEC值的计算方法、四点格网法内插刺入点天顶方向的总电子含量以及单层模型投影函数。结合算例,分析比较了不同类型电离层改正数据与卫星星历数据对单频GPS实时/事后定位精度的影响。实验结果表明,利用电离层格网预报数据能够显著改善单频GPS的实时/事后导航定位精度,对提高单频GPS定位精度具有一定实用价值。     

格网电离层延迟模型的建立方法与试算结果

简要叙述了格网电离层延迟模型的建立原理 ,提出运用太阳 -地球坐标框架中的一阶球谐函数来模型化穿透点电离层延迟 ,以建立类似 WAAS的格网电离层模型的方法。用 11个参考站的实测数据试验性地建立了覆盖我国的格网电离层延迟模型 ,并用9个用户站的数据检验了电离层格网模型的精度。实例表明 ,用本文的方法利用 11个参考站可以建立覆盖我国大部分地区的格网电离层延迟模型 ,模型精度可达± 0 .7m。     

全球电离层TEC格网时空变化特性分析

卫星导航定位中,电离层延迟是影响用户实时定位精度的重要因素之一。利用全球电离层格网(global ionosphere maps,GIM)提供电离层延迟改正是较为常用的方法,而GIM格网的精度受限于地面GNSS(global navigation satellite system)跟踪站的分布密度。利用区域内少量或1个GNSS跟踪站建立实时区域电离层总电子含量(total electron content,TEC)模型,生成高精度的实时区域电离层格网,为用户提供区域电离层延迟改正显得尤为重要。基于CODE(Center for Orbit Determination in Europe)分析中心2016—2018年995 d的GIM格网数据,分析了相邻格网点TEC的变化范围以及不同时间间隔同一格网点TEC的变化范围。结果表明,GIM在经度方向上分辨率为5°变化的均值范围为0.2～1.0 TECU,在纬度方向上分辨率为2.5°变化的均值范围为0.4～1.4 TECU,在经度和纬度分辨率均小于1°时,电离层TEC的变化小于1.0 TECU;1 h内同一格网点电离层TEC的变化均值约为1.28 TECU,30 min内同一格网点电离层TEC的变化小于1.0 TECU。该研究为小范围内(半径小于100 km)实时区域电离层TEC模型的建立及电离层格网的时间适用范围提供了有效的数据支撑和理论验证,同时对区域电离层TEC时空变化的研究、电离层TEC预报、电离层异常监测和磁暴监测等具有一定的参考意义。     

一种适用于电离层层析成像的TV-MART算法

针对电离层电子密度重构问题,提出了一种综合利用总变差最小化(toalvariation,TV)与乘法代数重构算法(multiplicativealgebraicreconstructiontechnique,MART)的电离层层析成像算法。该算法对反演模型的参数施加总变差约束,以提高反演过程的稳定性和结果的精确性。通过模拟数据和实测数据对模型的重构结果进行验证,结果表明,相对于乘法代数重构算法,该算法能够有效地提高电离层电子密度的重构精度。     

日本九州岛地震震前电离层TEC异常

采用IGS发布的GIM数据,提出了一种结合滑动时窗法和临近格网点电离层TEC相关性分析法的联合分析方法,研究了震前电离层异常变化与地震的关系。通过分析震区附近5个格网点TEC的异常变化情况,发现震前电离层TEC发生明显异常变化,且格网点之间的TEC序列相关性受地震显著影响;通过分析二维电离层图的TEC异常空间分布,发现震前三天震中附近分别出现6h、12h和6h的异常。最后利用电离层层析的方法,对电离层异常时刻进行了电子密度的反演,进一步分析了电子密度在电离层异常时刻的分布情况。     

基于重构等高线的格网细化模型

以规则格网DEM为基础,利用回放等高线与原等高线进行比较,提出两个误差指标和一种格网细化模型,以生成多分辨率的格网DEM,并提高DEM的等高线精度。针对该模型的两个关键步骤,进行了较为详细的论述。通过对一幅实际地形数据进行试验,比较不同方法得出的DEM等高线精度,为DEM精度研究,特别是多分辨率DEM精度研究,提供了一种新的方法和思路。     

融合ECMWF格网数据的水汽层析精化方法

全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)层析技术是获取对流层三维水汽信息的重要途径之一。然而,传统水汽层析方法在构建层析模型时缺少足够的初始先验信息,导致层析模型设计矩阵结构不稳定,层析解算结果精度较差。针对上述情况,提出了一种融合欧洲中尺度天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasting, ECMWF)格网数据精化层析模型反演水汽的方法。该方法通过ECMWF ERA-Interim再分析资料数据集提供的格网数据计算得到层析区域各网格内的水汽密度初值,将其作为先验初始信息附加到传统层析模型中对模型精化。在层析模型解算时,顾及层析模型先验信息权比对层析结果的影响。为了验证提出方法的有效性,以中国香港卫星定位参考站网(satellite positioning reference station network, SatRef)实测GNSS和气象数据为例进行实验,并以实验区域的无线电探空数据为基准验证该方法的可行性及精度。实验结果表明,提出的方法能够明显提高层析结果的精度,反演水汽的均方根误差(root mean squared error, RMSE)由原来的1.82 g/m3减小到了1.07 g/m3,改善率为41.2%。此外,所提方法在平均绝对偏差(mean absolute error, MAE)、偏差(Bias)和标准差(standard deviation,STD)等方面也均优于传统层析方法。     

一种基于传统MART的电离层层析新算法

层析算法研究是电离层层析技术的关键。针对传统的乘法代数重构算法(MART)存在精度不高的问题,提出了一个改进的电离层层析算法(IMART)。该算法一方面将像素内的截距值与电子含量作为组合量,构造了新的组合量;另一方面改变了松弛因子的获取方式,削弱了噪声对反演结果的影响。利用GPS实测数据,对该算法的可靠性和优越性进行了仔细验证。根据统计分析和定量比较的结果,发现该算法表现出显著的重构精度且相较于其他经典层析算法有18%的提高。