基于GPS的中国区域电离层层析反演结果分析

针对电离层单层模型不能反映电离层垂直结构的特点,利用层析成像方法和2003年中国地壳运动监测网络提供的双频GPS载波相位数据,反演中国区域上空电离层电子密度年变化的时间序列值,分析中国区域上空电离层电子密度的周日变化特性,并研究其在垂直方向上的变化特性以及赤道异常结构的发展和消亡过程;同时讨论了利用GPS资料反演中国区域电离层电子密度所存在的困难和需要进一步解决的问题.     

中国地区不同区域电离层时空频域特性分析

利用中国区域电离层格网数据,采用频谱分析方法研究中国不同区域的电离层周期差异和极值差异,并采用电离层梯度计算法分析不同区域的电离层小尺度时空变化特性。结果表明：1）相比北方区域,南方区域电离层周期性特征更为明显;2）经度变化为5°时,全国范围内的电离层TEC变化值大多在-10~10 TECu之间;纬度变化为2.5°时,全国范围内的电离层TEC变化值大多在-20~20 TECu之间,南北部空间变化特性差异较大,东西部差异较小;3）时间间隔为1 h时,全国范围内的电离层TEC变化值大多在5~25 TECu之间,南北方时间变化特性差异较大,东西部差异较小,但随着时间间隔增大,东西部时间变化特性差异逐渐明显。研究结论可为中国区域的实时电离层建模工作提供理论参考,同时对中国区域的电离层时空变化、电离层磁暴监测研究有一定参考意义。     

北斗电离层模型精度分析

北斗电离层模型包括基本导航的BDSKlob模型、BDGIM模型及广域差分格网电离层模型,本文详细分析2种基本导航的电离层模型因相邻模型参数更新引起的延迟跳变,基于CODE格网电离层模型对比2种电离层模型随空间和时间的变化情况,分析不同电离层模型在不同时段不同纬度的改正精度及定位精度,并利用2018年数据对北斗格网点电离层信息的服务范围和服务精度进行评估。结果表明,相比于BDSKlob模型,BDGIM模型与CODE格网电离层模型更接近,且分布均匀,相邻2组模型参数更新的延迟跳变小于1 ns。BDGIM模型在北半球的改正精度优于南半球,在中国区域及全球范围的改正率分别达到75%及60%以上,明显优于BDSKlob模型,且BDGIM模型相比于BDSKlob模型的定位精度最多可提升45%。北斗格网电离层的有效区域基本覆盖中国范围,电离层延迟误差优于2.08 TECu,改正比例大于80%。     

北斗卫星系统频间偏差预报模型研究

为研究北斗卫星频间偏差参数(DCB)长期及短期变化特性,在某卫星DCB参数缺失时,对该卫星DCB参数进行短期及长期预报,以预报值代替真实值。本文利用中国测绘科学研究院i GMAS分析中心数据,采用二次多项式拟合法对北斗卫星DCB参数展开研究,通过构建电离层延迟模型求解北斗卫星DCB参数,统计了北斗卫星包括GEO卫星、IGSO卫星、MEO卫星的2016-01~2016-12及2017-02-01~2017-02-28的频间偏差参数解算结果,分析其变化特性,并采用二次多项式拟合法对DCB参数进行长短期预报及精度分析。实验证明,相比GEO、IGSO卫星、MEO卫星的DCB参数较低且波动幅度介于GEO、IGSO卫星之间;二次多项式拟合法可对北斗卫星的频间偏差参数进行预报,对北斗卫星的频间偏差求值及预报具有重要的参考作用。     

全球系统广播电离层模型精度分析

分析北斗电离层模型与GPS Klobuchar和NeQuickG模型的差异,并以IGS分析中心全球格网电离层模型为参考值,将北斗电离层模型与其他全球电离层模型进行精度比对。结果表明,BDGIM模型显著优于其他3种模型,具有良好的全球电离层综合修正能力,尤其在中国及周边区域其修正百分比达77.01%。     

联合GPS相位观测值与全球电离层图提取区域电离层TEC

提出一种结合GPS相位观测值与全球电离层图提取区域电离层总电子含量的方法。由于没有采用伪距观测值,无需考虑差分码偏差的影响。实验表明,在不同区域以及不同电离层活动条件下,用该方法改正电离层延迟,其单频定位精度较采用全球电离层图有显著提高,与采用相位平滑伪距电离层延迟改正的结果总体上相当。     

Prophet-Elman残差改正电离层TEC短期预报模型

针对电离层TEC非线性、非平稳的特点,建立一种基于Prophet与Elman神经网络相结合的残差改正电离层短期预报模型。利用该模型对IGS提供的不同太阳活动程度期间的电离层TEC时间序列进行建模预报。结果显示,改正模型能够反映电离层TEC的变化特征,在太阳活动低年和太阳活动高年预报的平均相对精度分别为92.9%和92.2%,均方根误差分别为0.94 TECu和1.77 TECu,精度较Prophet-Elman模型及单一Elman模型有显著提高。     

基于SSA-LSTM的短期电离层TEC组合预报模型

针对电离层总电子含量(TEC)时间序列具有高噪声、非线性和非平稳的特性,在奇异谱分析基础上,融合长短期记忆神经网络模型构建短期电离层组合预报改进模型,并对磁暴期、磁平静期的电离层TEC预报精度进行分析。结果表明,在磁暴期和磁平静期,该模型预报3 d的TEC相对精度分别为91.17%和95.46%,比单一LSTM模型分别提高4.92百分点和3.17百分点。     

基于CMONOC建立和评估中国区域电离层模型

利用中国地壳运动监测网络CMONOC中85个测站的GPS观测数据,建立3种常用的区域电离层模型:多项式函数模型(polynomial model,POLY)、低阶球谐函数模型(low-degree spheric function model,LSF)和球冠谐函数模型(spheric cap harmonic model,SCHA),并利用数字测高仪和GPS实测数据对3个模型进行评估和比较。与数字测高仪数据的比较表明,3个模型能够较为准确地反映VTEC的变化趋势,证明了模型的有效性。与GPS实测数据的比较表明,3个模型中平均精度最高的是低阶球谐函数模型,其次是多项式模型,最后是球冠谐模型,其RMS和STD平均值依次为3.48 TECu、3.03 TECu、3.54 TECu、3.00TECu、3.82TECu、3.25TECu。利用GPS实测数据计算GIM(global ionospheric maps)模型的精度,结果显示,3个模型的BIAS均比GIM模型大,但是其RMS和STD小于GIM模型,显示了区域模型精度较高的稳定性。由各个模型与GIM模型的VTEC差值格网图可知,3个模型在建模区域的中部精度较高,多项式模型在边界有较明显的边际效应。     

利用澳洲北斗GEO数据改进Klobuchar模型

利用澳大利亚科廷大学双频北斗GEO数据,分析了2013、2014年该地电离层VTEC的日变化、季节变化特性。在此基础上,针对Klobuchar模型在计算穿刺点VTEC上存在的不足提出一种改进模型。最后利用1 a的数据对改进模型计算VTEC的精度进行评估。结果表明,改进模型计算VTEC的精度明显高于原模型,绝大部分月份精度提高超过10%,总体精度达到64%以上。     

贝叶斯正则化的Elman神经网络电离层TEC预报模型

利用2017年中低纬电离层总电子含量、地磁活动指数、年积日等参数,首次建立基于贝叶斯正则化(Bayesian regularization)的Elman回归神经网络(BR-Elman)的电离层TEC预报模型。同时,根据地磁活动指数的变化特征,分别进行平静电离层和扰动电离层预报建模。实验结果表明,该方法在平静期5 d预测值的均方根误差为1.19 TECu,残差为1.03 TECu,相关系数为0.93;在扰动期5 d预测值均方根误差为1.34 TECu,残差为1.01 TECu,相关系数为0.91。贝叶斯正则化的BP神经网络模型以及传统BP神经网络模型在平静期与扰动期5 d的预测上,均方根误差最小为1.87 TECu,残差最小为1.50 TECu,相关系数最优为0.87。通过对比分析,该模型较其他2个模型的预报效果有明显改善。     

基于不等式约束算法改善高纬度地区GNSS电离层建模精度

由于当前国际GNSS服务组织（IGS）跟踪站在高纬度区域分布不均，用于电离层拟合建模的观测数据不均匀、不全面，导致在利用这些IGS跟踪站观测数据建立电离层拟合模型时该区域的电离层电子总含量拟合模型精度不够，电离层拟合模型格网输出值甚至出现了大量有悖于电离层实际物理意义的负值和零值现象。针对此问题，利用不等式约束算法，对拟合模型电离层格网输出的负值点、零值点加入不等式约束条件，采用附加不等式约束条件的最小二乘法对参数的解算进行优化，并用实测GNSS数据进行验证。实验结果表明，该算法对测站分布稀疏的高纬度地区出现大量零值和负值的情况有明显改善。此外，该算法对全球电离层模型的建模精度也有一定程度的提高。     

地基GNSS区域电离层延迟实时格网算法研究

采用中国区域陆态网络跟踪站的GNSS数据,利用载波相位平滑后的组合伪距观测值提取电离层延迟,扣除由CODE产品确定的卫星硬件延迟,利用半变异函数确定VTEC的空间相关性以及由经验值确定的时间相关性,建立VTEC和接收机DCB的随机模型,实现区域电离层实时格网建模。结果表明,模型99.7%的残差分布在1 m以内,内符合精度约0.3 m。以IGS电离层GIM为参考,格网点VTEC周日变化特征与之符合较好。接收机硬件延迟比较稳定,日变化量在1.5 ns以内;利用IGS卫星硬件延迟和球谐系数,从原始观测信息中分离出区域测站接收机硬件延迟,以此为参考,周日均值较差在2 ns以内。     

基于Holt-Winters的电离层总电子含量预报

利用IGS中心提供的不同经纬度平静期、活跃期14 d的电离层TEC格网点数据,以前8 d的TEC值作为样本序列,分别采用Holt-Winters加法模型和乘法模型建立TEC预报模型,并预报后6 d的TEC值。结果表明,无论在电离层平静期还是活跃期,2种模型所得预报结果大致相同,并与实际观测数据吻合较好,但加法模型的预测结果能更好地反映电离层TEC的变化特性。     

一种新的北斗Klobuchar模型及其精度分析

针对传统Klobuchar模型电离层延迟修正精度不高的问题,提出一种新的Klobuchar模型,以提高北斗导航系统的精度。利用欧洲定轨中心CODE的全球格网数据作为参考,使用松弛搜索法分别对覆盖中国区域的格网点和9个测站的观测数据进行算例分析。比较两种方法得出,新模型的修正精度相对于广播模型有大幅提高;新模型预报7d内的电离层时延值修正效果也比广播模型有明显改善;格网点上的平均修正精度从67.89%提高到78.44%,观测数据的平均修正精度从69.81%提升至82.34%。     

基于改进的Klobuchar模型建立南宁市区域电离层延迟模型

以最小二乘曲面拟合模型为背景场,利用南宁市区域CORS网实测数据,对Klobuchar模型的初始相位、振幅和夜间时延值不断改正,建立南宁市区域电离层延迟模型。结果表明,改进的Klobuchar模型精度有显著提高。     

EWT-Elman组合模型短期电离层TEC预报

针对电离层总电子含量(TEC)非线性、高噪声的特点,建立基于经验小波变换(EWT)和Elman神经网络的短期电离层组合预报模型。运用该模型对不同地磁环境的电离层TEC时间序列进行建模预报,结果表明,EWT-Elman组合模型可反映电离层TEC的变化特征,地磁平静期预测平均相对精度为93%,均方根误差为1.04 TECu;地磁扰动期预测平均相对精度为92.4%,均方根误差为2.18 TECu。单一Elman模型、EMD-Elman组合模型以及EWT-BP组合模型在地磁平静期平均相对精度最高为90.7%,均方根误差最小为1.33 TECu;地磁扰动期平均相对精度最高为90.7%,均方根误差最小为2.57 TECu。对比其他模型,本文方法预测效果最优。     

f-3项与投影函数对电离层延迟的影响

依据Chapman正常电离层理论,构造Chapman剖面函数加权投影函数,给出VTEC三角多项式模型,并以武汉站2005年1月1日观测数据进行实例解算,分析电离层延迟f-3项、电离层单层高度、电离层投影函数形式等对电离层延迟的影响.     

单双频混合GNSS变形监测系统中单频点电离层误差改正

采用单双频GNSS混合模式进行变形监测的关键是利用双频点数据建立区域电离层误差改正模型,并对单频点的电离层延迟误差进行改正,从而使单频点监测精度也能满足要求。利用广州南沙单双频地面沉降监测网数据对LCM、DIM、LIM、LSM四种区域电离层误差改正模型及其建立方案进行实例,结果表明,4种电离层误差改正模型均能显著改善单频点的监测精度,其中LCM与LIM较优,且利用单频点周围近距离的3个双频点构建区域电离层模型的处理策略最佳。     

高阶电离层延迟对中国区域双差定位影响研究

给出顾及高阶电离层延迟改正的双差定位模型，探讨中国区域VTEC的时空变化规律，分析高阶电离层延迟对L3观测值的影响。利用41个陆态网测站2015年全年的GNSS数据，基于Bernese 5.2软件的双差定位技术，系统研究高阶电离层延迟对中国区域双差定位的影响及其时空分布规律。结果表明，高阶电离层延迟对中国区域双差定位的影响与测站网型结构相关，明显存在0.5 a的周期变化，影响年均值大小为0～2 mm，且具有方向性差异，对高纬度测站的影响有向北偏移趋势，对低纬度测站的影响有向南偏移趋势。