Galileo卫星导航系统电离层全球建模及其性能分析

为全面分析和评估Galileo电离层全球建模和卫星差分码偏差的精度，该文选取全球364个GNSS观测站，利用15阶球谐函数构造高精度的电离层格网模型，并以CODE发布的电离层产品为基准，将其与该文建立的电离层网格模型按照不同纬度进行验证和分析。此外，该文将计算的差分码偏差与现有偏差产品进行对比分析。实验结果表明，Galileo建立的电离层模型在平静日状态下与CODE的平均偏差在2 TECU以内、均方根误差在3 TECU以内；在活跃日状态下的结果与CODE的平均偏差在3 TECU以内、RMSE在4 TECU以内。解算的卫星差分码偏差与现有偏差产品进行对比分析的结果表明，平静日的偏差在0.1 ns以内，活跃日的偏差在0.2 ns以内，两种状态下的STD均在0.1 ns以内。所以，采用Galileo进行电离层建模可以精确表现电离层。     

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3.7TECU,卫星差分码偏差与欧洲定轨中心相比优于0.1ns,与IGS相比优于0.2ns,接收机差分码偏差与欧洲定轨中心相比优于1ns(大部分优于0.5ns),与IGS相比优于1.5ns。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。     

GPS和GLONASS组合的全球实测电离层TEC建模

根据高精度卫星导航和电离层活动监测的需要,利用全球238个GPS基准站的双频实测数据,通过建立球谐函数模型的同时解算电离层电子含量以及GPS与GLONASS卫星DCB及其相应的接收机DCB;将其结果与CODE、IGS分析中心的结果进行比较分析,表明该方法建立的模型是可靠的,其GPS和GLONASS卫星DCB相对于CODE精度优于0.1ns,相对于IGS精度优于0.2ns,其GPS测站DCB和GLONASS测站DCB相对于CODE和IGS精度优于1ns,垂直总电子含量相对CODE和IGS精度优于3TECU,组合结果精度高于组合前。     

利用GPS三频观测值监测电离层TEC及其变化率

三频观测数据为监测电离层总电子含量提供了更多的观测值选择。在双频观测值估算电离层总电子含量的原理基础上,利用不同纬度地区的三频GPS观测资料计算获得了电离层总电子含量值及其变化率。分析结果表明：由于GPS接收机码间偏差的影响,不同频率间组合获得的电离层总电子含量结果出现较大的系统差异,使用不同频率组合获得的电离层TEC变化率有很好的一致性。     

山东区域电离层模型的建立及精度评估

针对电离层延迟改正对单频接收机用户带来误差较大的问题,该文基于球谐函数借助山东区域CORS双频观测数据建立山东区域电离层模型,并对硬件延迟偏差(DCB)和电子含量进行可靠性、稳定性分析,进一步使用单频精密单点定位(PPP)验证山东区域电离层模型的有效性。实验结果表明:测站DCB解算精度稳定在0.4ns内,解算卫星DCB与欧洲定轨中心(CODE)的偏差总体稳定在0.5ns内,区域电离层模型与CODE解算VTEC差值的均方根为1.22TECU,STD为0.93TECU,对山东区域单频PPP而言,山东区域电离层模型比CODE发布全球电离层模型在N、E、U方向精度明显提高。同时,建立的山东区域电离层模型从时间分辨率、空间分辨率上均优于CODE中心发布全球电离层模型。     

基于河北省CORS的区域电离层模型精度分析

为提高区域电离层模型和导航定位服务的精度,利用河北省连续运行参考站系统（CORS） 6个基准站的GPS卫星观测数据进行区域电离层建模和接收机差分码偏差（DCB）估计,并引入中国科学院（CAS）发布的电离层产品内插得到的垂直总电子含量（VTEC）进行区域电离层模型精度验证。实验结果表明,估计的单日GPS卫星DCB与产品值精度相当,偏差控制在0.5 ns以内;河北省CORS站GPS系统接收机DCB稳定性较好,5 d的标准偏差均小于0.1 ns;利用河北省CORS建立的区域电离层TEC在地磁平静期与磁暴期均与CAS产品值具有较高的一致性,TEC偏差控制在2 TECU以内。河北省区域电离层模型能有效监测电离层TEC在不同地磁状态下的时空变化,提高区域导航定位服务水平。     

GPS接收机硬件延迟时变特性分析

在全球定位系统(Global Positioning System,GPS)中,接收机硬件延迟引起的码偏差和相位偏差是影响精密授时、电离层建模以及非差模糊度解算的重要因素。利用GPS对电离层总电子含量进行估计和建模时,通常假定GPS接收机硬件延迟偏差是稳定不变的量,对其可能存在的波动及影响因素考虑不充分。因此,对GPS接收机硬件延迟偏差的时变特性进行分析,有助于提高电离层电子含量估值的准确性和可靠性。分析了GPS接收机差分码偏差(differential code bias,DCB)和差分相位偏差(differential phase bias,DPB)单历元及单天解的时间变化特性,并对温度变化与接收机DCB、DPB变化之间的相关性进行了实验探究。结果表明,接收机重启前后其DCB值会发生突变,重启之后接收机DCB和DPB大约需要25 min才能趋于稳定。接收机DCB和DPB并不能长期保持稳定,实验数据显示,在2~3 h内,DCB的变化量可以达到0.8 m左右,DPB的变化量可以达到4 mm左右,接收机DCB和DPB的波动与周围环境温度的变化具有较强相关性。     

利用GPS观测资料确定接收机差分码偏差的算法

仪器偏差是利用GPS观测资料确定总电子含量（Total Electron Content,TEC）的主要误差源之一,接收机P1和P2的仪器偏差称为差分码偏差。探讨了利用GPS资料计算接收机差分码偏差的算法,并进行了软件实现。实际观测数据的结果初步验证了算法的正确性。     

一种北斗卫星差分码偏差估计方法

卫星码偏差会降低卫星测量精度,因此本文就北斗卫星差分码偏差估计进行了研究和验证。首先将电离层作为一个单层,采用球谐函数来参数化电离层TEC值,然后利用最小二乘估算了北斗卫星的码偏差,根据北斗系统2014年4月1-29日间的实测数据计算了14颗北斗卫星的码偏差,最后将计算结果与IGS发布的码偏差参考值进行了对比分析。结果显示误差值在0~2 ns之间,符合度极高,从而验证了该估计方法的有效性。     

基于陆态网数据低阶球谐函数电离层区域建模

根据高精度卫星导航和电离层活动监测的需要,特别是中国北斗系统的运营,利用陆态网络200余个GPS基准站的双频实测数据,通过建立低阶球谐函数模型同时解算电离层电子含量、GPS卫星DCB;将其结果与CODE分析中心的结果进行比较.分析表明,该方法建立的模型是可靠的,其GPS卫星DCB相对于CODE精度优于0.3ns,垂直总电子含量相对CODE精度优于3TECU.     

区域电离层TEC建模及其在磁暴上的应用

介绍计算卫星及测站硬件延迟的方法,采用低阶球谐函数模型进行系统组合硬件延迟的参数估计,选取欧洲区域内的10个IGS观测站,15 min实时解算一个VTEC模型,对解算结果的准确性和稳定性与IGS公布的结果进行比较,计算结果与IGS的计算结果一致。针对2015年3月17日发生的磁暴,利用经过硬件延迟修正后的电子含量,研究测站上空的电离层电子含量的变化情况,表明其能较好地反映磁暴现象。      

基于球谐函数区域电离层模型建立

利用GPS双频观测数据建立高精度、准实时的区域电离层总电子含量(TEC)模型是电离层研究的一个重要手段。文中探讨IGS观测站数据结合4阶球谐函数建立区域电离层格网模型的方法,并对硬件延迟(DCB)和TEC建模结果的可靠性进行分析,结果表明,DCB解算精度在0.4ns以内,TEC内外精度优于1.4TECU(1TECU=1016电子数/m2)和1.5TECU,满足导航定位中电离层改正的需要。     

随机模型对北斗DCB估计和电离层建模的影响

差分码偏差(DCB)作为电离层建模和导航定位中一项重要的误差源,对其进行估计求解至关重要. 为提高北斗卫星导航系统(BDS) DCB估计和电离层建模精度,提出了一种综合高度角、卫地距和测站纬度多因素的随机模型,并对比分析了不同随机模型对BDS DCB估计和电离层垂直总电子含量(VTEC)建模精度的影响. 结果表明:不同随机模型对卫星端DCB解算产生约0.2 ns差异. 相较于高度角随机模型,采用高度角、卫地距组合模型测站DCB估计精度平均提高0.13 ns,电离层建模精度提高了约0.2 TECU. 新提出的随机模型,在低纬度测站DCB解算精度上差于高度角模型和高度角、卫地距组合模型,但在高纬度测站DCB解算结果上更优,且对电离层VTEC建模精度提升效果明显,与前两种随机模型相比分别提升了0.88 TECU和0.68 TECU.      

基于区域电离层建模的硬件延迟参数估计

介绍计算硬件延迟的方法,采用电离层VTEC模型进行系统组合硬件延迟的参数估计;比较单站和多站建模的差异,并且对解算结果的准确性与稳定性与IGS公布的结果进行比较.计算结果与IGS的计算结果一致,表明修正硬件延迟后的电子浓度含量能较好地反映磁暴现象.     

一种精确估计区域北斗接收机硬件延迟的方法

提出了一种精确估计区域北斗接收机硬件延迟(DCB)的方法。该方法不需要传统复杂的电离层模型,在已知一个参考站接收机硬件延迟的条件下,利用正常情况下电离层延迟量和卫星-接收机几何距离强相关这一特点,采用站间单差法来精确估计区域内BDS接收机的硬件延迟。试验结果表明,该方法单站估计的单站北斗接收机连续30d的硬件延迟RMS在0.3ns左右。通过GEO卫星双频观测值扣除已知卫星DCB和本文方法估计的接收机DCB,计算对应穿刺点一天的VTEC并和GIM格网内插结果并进行比对分析,二者大小和变化趋势均符合较好,进一步验证了本文提出的方法具有可靠性。     

Estimation and analysis of GPS satellite DCB based on LEO observations

The Global Positioning System (GPS) satellite differential code bias (DCB) should be precisely calibrated when obtaining ionospheric slant total electron content (TEC). So far, it is ground-based GPS observations that have been used to estimate GPS satellite DCB. With the increased Low Earth Orbit (LEO) missions in the near future, the real-time satellite DCB estimation is a crucial factor in real-time LEO GPS data applications. One alternative way is estimating GPS DCB based on the LEO observations themselves, instead of using ground observations. We propose an approach to estimate the satellite DCB based on Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate (COSMIC) and Challenging Minisatellite Payload (CHAMP) GPS observations during the years 2002–2012. The results have been validated through comparisons with those issued by Center for Orbit Determination in Europe (CODE). The evaluations indicate that: The approach can estimate satellite DCB in a reasonable way; the DCB estimated based on CHAMP observations is much better than those on COSMIC observations; the accuracy and precision of DCB show a possible dependency on the ionospheric ionization level. This method is significance for the real-time processing of LEO-based GNSS TEC data from the perspective of real-time applications.     

A two-step ionospheric modeling algorithm considering the impact of GLONASS pseudo-range inter-channel biases

The Global Navigation Satellite System presents a plausible and cost-effective way of computing the total electron content (TEC). But TEC estimated value could be seriously affected by the differential code biases (DCB) of frequency-dependent satellites and receivers. Unlike GPS and other satellite systems, GLONASS adopts a frequency-division multiplexing access mode to distinguish different satellites. This strategy leads to different wavelengths and inter-frequency biases (IFBs) for both pseudo-range and carrier phase observations, whose impacts are rarely considered in ionospheric modeling. We obtained observations from four groups of co-stations to analyze the characteristics of the GLONASS receiver P1P2 pseudo-range IFB with a double-difference method. The results showed that the GLONASS P1P2 pseudo-range IFB remained stable for a period of time and could catch up to several meters, which cannot be absorbed by the receiver DCB during ionospheric modeling. Given the characteristics of the GLONASS P1P2 pseudo-range IFB, we proposed a two-step ionosphere modeling method with the priori IFB information. The experimental analysis showed that the new algorithm can effectively eliminate the adverse effects on ionospheric model and hardware delay parameters estimation in different space environments. During high solar activity period, compared to the traditional GPS + GLONASS modeling algorithm, the absolute average deviation of TEC decreased from 2.17 to 2.07 TECu (TEC unit); simultaneously, the average RMS of GPS satellite DCB decreased from 0.225 to 0.219 ns, and the average deviation of GLONASS satellite DCB decreased from 0.253 to 0.113 ns with a great improvement in over 55%.     

精密单点定位中附加先验电离层改正的内插方法研究

在精密单点定位技术中,外部提供给接收机更多的先验信息能使其定位精度和实时性得到提高。依靠增强站网内插出流动站的电离层延迟进行非差非组合精密单点定位时,其提供的改正达到精度要求势必使待估参数减少,模型强度变强,定位精度高。本文对比了内插电离层改正的精度,探讨了内插模型,提出了平面双样条内插模型。实验结果表明:在内插模型合适的情况下,电离层延迟精度可达到精密单点定位的要求。      

iGMAS全球电离层TEC格网产品精度分析

为了分析与评估国际GNSS监测评估系统(iGMAS)全球电离层TEC格网产品精度,该文基于iGMAS及IGS各电离层分析中心发布的全球电离层TEC格网产品,进行了精度比较分析,结果表明:iGMAS与IGS、CODE、JPL、ESOC、UPC等IGS电离层工作组发布的全球电离层TEC格网产品,在全球、不同纬度带和欧洲等不同区域均表现出较高的一致性和强相关性,互差为0~2.0 TECU;JPL分析中心GIM的内符合精度约为2.5 TECU,iGMAS、IGS、CODE、ESOC和UPC等分析中心GIM的内符合精度均小于1.5 TECU;在2~8 TECU的精度范围内,iGMAS全球电离层TEC格网产品的精度总体与IGS、CODE、JPL、ESOC、UPC等IGS电离层工作组的精度相当。