全球电离层模型的分布式并行解算

为满足GNSS数据处理效率不断提升的需求,提出并开发了一套分布式并行计算框架,并基于该框架实现了全球电离层模型的分布式并行解算。采用2台服务器和4台台式机,对全球电离层建模分别测试了单机多线程、多机分布式等并行计算方案,并分析了不同方案建模的数据处理效率。结果表明,采用多线程并行计算可以大幅提高数据处理效率,且当开启线程数与计算机CPU核心数一致时效率提升最佳;采用多机分布式并行计算可进一步提高数据处理效率,使用4台台式机相对于单台台式机解算时间减少约60%,使用2台服务器相对于单台服务器解算时间减少约18%;采用分布式并行计算方案,可充分利用多台计算机资源来提高全球电离层建模效率,对电离层产品快速发布、建模算法的测试等具有重要的意义,对多系统GNSS精密定轨与定位、大网解算也具有很好的参考价值。     

全球电离层模型的OpenMP多线程并行解算

探讨了OpenMP多线程技术在全球电离层建模中的应用。在日固地磁参考系下采用15阶次的球谐展开建立全球电离层模型,并对1天解、3天解两种方案的结果与IGS电离层产品进行了对比,电离层图偏差的均方根约3~5 TECU,且3天解的方案首尾两组电离层图与IGS产品符合得更好;卫星差分码偏差和接收机差分码偏差与IGS的差异分别约为0.2 ns和2 ns,仅有少数几个接收机差分码偏差在少数几天与IGS差异较大,超过3~4 ns。实验中使用Dell服务器R730（配置:128 GB内存、2个CPU、8个核心和32个线程数）,采用OpenMP多线程并行计算能够明显提高全球电离层模型的建模效率,单天解算仅需约7 min,3天解算需约22 min,效率提升近8倍。使用3 d观测数据并采用OpenMP多线程并行计算来建立全球电离层模型可有效节省建模时间,同时还能提高首尾两组模型系数的精度以进一步提升全球电离层模型的精度,对建模算法的测试、电离层产品的快速发布以及模型后续检验和预测等带来了便利,也为后续实现利用多卫星导航系统观测数据快速建立全球电离层模型提供了参考。     

附有国际参考电离层约束的全球电离层模型

提出利用国际参考电离层附加虚拟观测值对总电子含量值为负数的地区、赤道异常区域和南半球区域电离层进行约束,在日固地磁参考系下采用15阶次的球谐展开建立全球电离层模型,解算得单位权中误差约为1. 6TECU,残差绝对值小于3TECU的比例达90%以上,且全球电离层图与IGS电离层工作组的电离层产品精度相当,偏差RMS约为3. 7 TECU,卫星差分码偏差与欧洲定轨中心相比优于0. 1 ns,与 IGS相比优于0. 2 ns,接收机差分码偏差与欧洲定轨中心相比优于1 ns(大部分优于0. 5 ns),与lGS相比优于1. 5 ns.实验结果表明,附有国际参考电离层约束的全球电离层模型确保了全球各个地区的电离层总电子含量为正值,且有效提高了全球电离层模型在赤道异常区域、海洋地区和南半球的精度。     

OpenMP并行计算在全球电离层反演中的应用

对全球电离层反演数据处理中的计算密集型任务进行分析,针对数据预处理、组建法方程矩阵、参数预消除和法方程矩阵求逆等主要模块设计了基于OpenMP（Open Multi-Processing）的并行计算方案。该实验方案在单台服务器下实施,通过算例验证了本文并行计算方案的有效性和可靠性。实验结果表明:采用并行计算后,全球电离层快速解执行时间只需要10~13 min,计算速度加快了约6倍;最终解执行时间只需要39~47 min,计算速度加快了约5倍。本文全球电离层模型精度约为2.8~3.8 TECU,最终解模型精度相比快速解精度提高了约0.2 TECU,与IGS各个分析中心电离层产品精度基本相当。     

GNSS大网双差模型并行快速解算方法

针对GNSS大网数据采用双差模型解算时存在时效性差的问题,提出了一种改进的独立双差观测值构建与独立基线并行解算的方法,采用并行技术实现多核并行与网络多节点并行的双层自动快速解算策略。通过对约375个IGS站1周的观测数据进行处理,改进的独立双差观测值选取方法比传统路径最短方法所选的单天全网独立双差数据平均多了53万个,E、N、U方向坐标重复性平均提升了14.0%、12.9%和29.2%。采用不同解算策略的计算结果表明,4台普通计算机的并行计算比传统串行方案的计算效率提升了14倍左右,如375个测站采用改进观测值构建方法的4节点并行方案仅需要35.62min,显著提高了整网双差的解算效率。     

基于深度学习构建的全球电离层NmF2模型

采用递归神经网络对空基COSMIC和地基垂测站数据建立了全球电离层峰值电子密度模型,模型均方根误差达到1.3×10~5 el/cm~3。在春夏秋冬4个季节内,人工神经网络ANN模型预测精度比IRI模型分别提高了25.7%、19.7%、33.3%和21.8%。另外,ANN模型不仅能够有效地模拟全球电离层时空变化特征,也能够成功地模拟电离层的诸多区域物理变化特性,如赤道电离异常、威德尔海异常、中纬度夜间异常和冬季异常。ANN模型可以为改正单频接收机的电离层延迟发挥一定的作用。     

基于GNSS的电离层模型研究进展

在利用全球导航卫星系统GNSS进行精密定位和导航时,电离层延迟误差是影响其精度和准确度的主要误差源之一,故对电离层模型研究至关重要。本文将电离层模型分成了经典电离层模型和现代电离层模型,并对经典电离层模型进行了比较,重点介绍了目前全世界电离层模型的研究热点、存在问题及研究方向。     

iGMAS全球电离层延迟模型及并行计算策略

针对全球电离层延迟建模中传统串行处理方法效率低等问题,研究了基于全球分布的IGS跟踪站和iGMAS跟踪站观测数据实现全球电离层建模并行解算的基本方法、流程及策略。在Bernese软件基础上研制了一套iGMAS全球电离层延迟建模软件。为了验证并行解算方法的正确性和计算效率,利用全球200个左右IGS跟踪站和6个iGMAS跟踪站2014-08-20-2014-09-06共7周的观测数据,解算了快速电离层TEC格网。与IGS,CODE以及ESA最终电离层格网比较,结果表明:基于该方法解算的快速电离层TEC格网,与CODE,ESA以及IGS最终电离层TEC格网的互差,统计不同纬度带内偏差的均方根误差,全球范围内偏差的均方根误差均在1.5~2.5 TECu之间,南北半球高纬度地区在0.5~1.5 TECu之间,所有地区均优于5 TECu,整体精度与IGS,CODE以及ESA最终电离层TEC格网精度产品相当。     

利用全球电离层地图分析芦山地震电离层异常变化

利用全球电离层地图（ g lobalionos p herema p,gim） 提 供 的 垂 直 电 子 含 量（ verticaltotalelectroncon-tent,vtec） 观测值,采用滑动四分位距法分析了芦山地震前后的电离层异常。为了探讨异常现象与地震之间的相关性,进一步确定了震中附近上空 vtec 东 向 及 北 向 梯 度 变 化,并 比 较 分 析 了2008～2012 年 相 同 时间段的 vtec 变化。结果表明,2013年4月18～20日的负异常现象很可能与地震相关。通过分析震中附近电离层赤道异常的变化,发现赤道异常峰值在震前5d内明显减 小,且 峰 值 的 位 置 向 磁 赤 道 方 向 移 动。结 合电离层负异常现象及赤道异常的变化,本 文 认 为 芦 山 地 震 孕 震 区 内 异 常 电 场 可 能 是 引 起 电 离 层 异 常 的 主 要原因之一。     

地基GPS区域电离层多项式模型与硬件延迟统一解算分析

探讨了利用区域地基GPS双频精码数据建立单层电离层多项式模型中,多项式系数、组合硬件延迟统一平差的数据处理方法。数据分析表明,GPS卫星短弧段的天空视图对电离层多项式建模的影响较大,由此估计的组合硬件延迟解不稳定,电离层模型也存在系统误差,边际效应明显;分段常数的全天电离层延迟多项式建模的数据处理方法可以有效地削弱短时弧段建模的影响,获取一致性、稳定性更好的组合硬件延迟。     

北斗全球系统广播电离层模型性能初步评估

北斗三号系统于2017年正式启动建设,将采用新的北斗全球电离层延迟修正模型（BeiDou global ionospheric delay correction model,BDGIM）。使用高精度格网电离层数据和双频实测电离层延迟数据作为参考,对北斗试验卫星系统播发的BDGIM模型精度进行了相应分析和评估,并与北斗Klobuchar和GPS Klobuchar模型精度进行了比较。研究结果表明,在中国区域,BDGIM模型和北斗Klobuchar模型精度相当,优于GPS Klobuchar模型;在全球范围内,BDGIM模型精度优于北斗Klobuchar和GPS Klobuchar模型。采用不同电离层模型进行伪距单频单点定位,并对定位结果进行对比分析,结果显示,使用BDGIM模型比北斗Klobuchar模型的定位精度有13%的提高,比GPS Klobuchar模型有7%~10%的提高。     

基于球谐函数模型的电离层预报

据球谐函数模型系数的特点,采用ARMA(p,q)模型对球谐函数模型系数进行预报,由球谐函数模型计算电离层VTEC。提出了针对某一时刻球谐系数进行预报的方法,相比传统按照时刻顺序的预报,预报时间大大延长,预报精度也有所提高。试验结果表明,相比中高纬度地区,低纬度地区预报精度偏低,同时,一天中不同时刻预报结果有所差别,前半天的预报效果明显好于后半天。     

基于Holt-Winter的电离层延迟预报模型

区域CORS系统为电离层延迟的研究提供了新的技术和数据平台,可利用参考站实际观测数据解算电离层延迟。根据电离层延迟具有周日性和季节性的特征,提出利用Holt-Winter模型对实算的电离层延迟进行预报。利用JSCORS的实测数据,对Holt-Winter的无季节模型、加法模型和乘法模型进行实例分析。结果表明,加法模型和乘法模型的预报效果较好,加法模型要稍优于乘法模型。     

局域观测网高精度电离层延迟估计和应用

针对用户对高精度电离层延迟产品的迫切需求,研究了基于局域参考站网络进行高精度电离层延迟的估计和内插方法,分析讨论了应用获取的电离层延迟进行单频单站数据处理的精度。结果表明,通过局域参考站观测可以实现优于7 cm的高精度电离层延迟服务。采用高精度的电离层延迟产品,单频单站用户2 h静态观测在N、E和U这3个方向的精度可分别达到3.5、5.5和8.6 cm。动态定位结果表明,受电离层延迟内插结果与解算模式影响,模糊度参数收敛速度较慢,但收敛之后,N、E和U这3个方向的均方根可分别达到3.1、5.2和7.0 cm。研究成果可为高精度电离层延迟的解算与产品服务提供理论依据与技术保障,并为单频单站用户在导航定位中的应用提供参考。     

信息扩散估计在电离层格网模型建立中的应用

介绍了二维最优信息扩散估计的基本方法,将该方法应用于区域电离层格网模型的建立,实现过程中采用了自适应窗宽和逐级加密的方法改善模型效果,并结合具体算例证明了该模型的有效性。     

一种基于泰勒级数展开的电离层延迟改正模型

针对电离层延迟误差对定位精度的影响,本文将泰勒级数展开应用于电离层延迟的求解过程中,提出了一种基于泰勒级数展开的电离层改正模型（TSE模型）。将该模型与传统的Klobuchar模型和NeQuick模型在VTEC的求解精度和定位精度上进行了对比分析,用IGS网站提供的测量数据,通过仿真试验验证,得出了TSE模型在提高定位精度上具有较好的可行性与时间适应性的结论。