GPS全球电离层TEC的并行算法建模及初步结果分析

根据高精度卫星导航定位和全球电离层活动监测的需要,利用全球370多个GPS基准站的双频相位实测数据,监测全球电离层总电子含量变化和GPS卫星及接收机的DCB。由于数据量大、数据处理时间长,很难实现高精度快速建模,为此我们采用OpenMP并行算法来加快数据处理速度。实验表明,相对于串行处理,并行处理在8核服务器下能加速7倍以上,在48核服务器下能加速超过40倍。将本文的初步建模结果与CODE、JPL等分析中心的结果进行比较,表明用该方法建立的模型是可靠的。其卫星DCB结果相对于CODE发布的结果精度为0.4ns,相对于JPL发布的结果其精度达到0.3 ns。其测站DCB相对于2个分析中心结果的精度均优于2 ns,垂直总电子含量相对于各分析中心的GIM产品的精度都在5.3TECU以内,相对于CODE的结果的精度最高,达4 TECU。     

GPS监测电离层活动的方法和最新进展

全球定位系统(GPS)可以快速、准确地提供电离层总电子含量(TEC)信息。简要介绍了GPS技术精确测量TEC、监测电离层的原理和方法，指出进行TEC绝对量估计时求解差分群延迟(DCB)的重要性，以及建立多层和实时电离层监测模型的必要性。分析了影响TEC估计的主要误差源，着重介绍了目前GPS监测电离层的最新成果和进展。     

区域网GPS卫星独立定轨的研究

根据我国广域差分GPS系统对GPS卫星定轨的要求,通过对国内GPS跟踪网实测数据的处理,分析和讨论了区域网定轨的数据处理方法和可能达到的定轨精度。为了提高所定轨道的稳定性和先进实时预报的精度,通过对所定轨道的误差分析提出在轨道沿迹方向引入经验加速度计算方案。计算结果表明,采用此方法后GPS卫星的定轨精度有了显提高。既论证了利用我国区域GPS网和广播星历进行独立定轨的可行性,也阐述了提高轨道预报精度的方法。     

IGS产品在GPS时间比对中的应用

在利用GPS CV(GPS Common View)技术进行高精度时间比对时，电离层和卫星位置误差对观测到的卫星信号的影响是不容忽视的，需要对它进行精确的估计和改正．讨论IGS精密星历和CODE全球总电子含量图(TECMAPs)在GPS时间传递中的应用．计算结果表明，采用IGS产品可有效提高单站定时和远距离时间传递的精度。     

GPS星历对LEO星载GPS精密定轨精度的影响

目前,越来越多的低轨卫星上都搭载了用于精密定轨的星载GPs接收机,星载GPS已成为低轨卫星精密定轨的主要手段之一.星载GPS精密定轨精度依赖于GPS星历及钟差精度.基于SHORDE-Ⅲ非差动力学定轨功能,以2005年8月1日至8月7日一周的GRACE卫星实测数据为例,采用事后精密轨道(igs)、快速轨道(igr)和超快速轨道(igu)三种GPS星历在同等条件下定轨,估计GPS星历精度对低轨卫星定轨精度的影响,实际计算结果表明igs和igr两类GPS星历定轨精度相当,约为9.5 cm,igu星历定轨精度略低于igs和igr星历,约为10.5cm:高频GPS卫星钟差数据对定轨精度会产生1-6cm影响.     

基于双频星载GPS数据的LEO卫星运动学定轨研究

运动学定轨是星载GPS特有的定轨方法,该方法不依赖于任何力学模型(地球重力场、大气阻力及太阳辐射压等),尤其适用于受大气阻力影响严重的低轨卫星定轨.基于双频星载GPS数据,研究了运动学定轨原理,讨论了数据预处理方法,建立了一套非差运动学定轨算法.并以GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment)-A、B卫星2008年2月实测数据作为试算验证了本研究方法的有效性和可靠性.GRACE 卫星实测数据计算结果表明:运动学定轨能达到5 cm精度(相对于SLR (Satellite Laser Ranging)),与动力学和简化动力学定轨精度相当.     

利用小波分析研究近地空间高能电子的周期变化特征

利用小波变换对GOES (Geostationary Operational Environmental Satellites)系列卫星(GOES 10/11) 1999年3月至2010年12月和风云2号系列卫星(FY 2C/2D) 2004年10月至2012年5月记录的2 MeV高能电子通量变化情况进行了相关研究,发现GOES卫星观测到的高能电子通量存在明显的13.9 d、 27.7 d、 187.0 d和342.9 d周期, FY卫星观测到的高能电子通量存在明显的13.9 d、27.7 d、222.3 d和374.0 d周期,在某些年份GOES和FY卫星均存在9 d的周期,与地磁Dst (赤道环电流指数)、 AE (极光电射流指数)指数周期高度相似.将高能电子通量和Dst、AE指数进行交叉小波分析,并利用该算法的多分辨率特点以及时域、频域局部化分析方法,将数据按不同频率进行分解,从低频系数重构图像和交叉小波谱图可以清楚看出高能电子通量和地磁指数的关系.基于FY和GOES卫星高能电子通量良好的相关性,对多卫星高能电子通量变化短周期相同、中长周期不同进一步研究,对比发现不同地磁扰动引起的GOES和FY卫星高能电子通量变化存在各向异性,小磁暴也可以对高能电子通量造成和强磁暴一样的效果,并且某些时候存在地方时一致的24 h周期.这一结果表明对地磁宁静期高能电子研究至关重要,同时对理解太阳活动,预报高能电子能谱和预警深层充电事件以及验证预测磁暴、亚暴等事件具有重要意义.     

GPS实时监测和预报电离层电子含量

GPS能高精度地实时监测电离层总电子含量(TEC)变化，对纠正单频GPS接收机电离层延迟和监测电离层活动及其所反映的太阳活动规律具有重要意义．上海地区GPS综合应用网的建立，为监测长江三角洲地区电离层变化提供了宝贵的资料，利用这些双频GPS接收机的连续观测资料，可近实时地监测和预报该地区电离层总电子含量，其内外符精度和外推预报30分钟的精度均优于0.4m．     

基于小波分析和神经网络的卫星钟差预报性能分析

为了有效地进行卫星钟差预报和更好地反映卫星钟差特性,提出了一种基于小波分析和神经网络的4阶段混合模型来实现卫星钟差的预报,并给出了基于小波分析和径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络进行卫星钟差预报的基本思想、预报模型和实施步骤.采用"滑动窗"划分数据,利用神经网络预测小波分解和去噪后的钟差序列各层系数,更精确地把握钟差序列复杂细致的变化规律,从而更好地逼近钟差序列.为验证该混合预报模型的可行性和有效性,利用GPS卫星钟差数据进行钟差预报精度分析,并将其与灰色系统模型和神经网络模型进行比较分析.仿真结果显示,该模型具有较好的预报精度,可为实时GPS动态精密单点定位提供较高精度的卫星钟差.     

卫星跟踪卫星模式中轨道参数需求分析

首次基于半解析法利用GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)双星K波段星间速度误差、GPS接收机轨道误差和加速度计非保守力误差影响累计大地水准面精度的联合模型开展了卫星跟踪卫星模式中轨道参数的需求分析.建议我国将来首颗重力卫星的平均轨道高度设计为400 km和平均星间距离设计为220 km较优.此研究不仅为我国将来卫星重力测量计划中轨道参数的优化选取以及全球重力场精度的有效和快速估计提供了理论基础和计算保证,同时对将来国际GRACE Follow-On地球重力测量计划和GRAIL(Gravity Recovery and Interior Laboratory)月球重力探测计划的发展方向具有一定的指导意义.     

A Study on the Reliability of the Ionospheric VTEC and Satellite DCB Derived from a Regional GPS Network

According to the requirement of high-precision satellite navigation, we have introduced the method for the quasi-realtime monitoring of variations of the regional ionospheric total electron content (TEC) and GPS satellite differential code bias (DCB), based on the dual-frequency carrier-phase smoothed pseudorange data obtained from a regional GPS network in China. Especially, we have studied the feasibility of retrieving DCB independently from the regional GPS networks with different sizes. For this purpose, 3 regional networks based on the countrywide GPS stations are investigated. The comparisons of the computed DCB and VTEC(vertical total electron content) with those of CODE(the Center for Orbit Determination in Europe) indicate that in order to realize a reliable quasi-realtime measurement of DCB by a regional network, there is a certain requirement on the size of the regional network, and that the relative accuracies of the quasi-realtime VTEC and DCB measured by using a Chinese GPS regional network can reach 2.0TECu and 0.25 ns, respectively.     

Evaluation of LEO based GPS slant TEC using a simulation technique

With the increased number of low Earth orbit (LEO) satellites equipped with Global Positioning System (GPS) receiver, the LEO based GPS slant total electron content (STEC) data play a more important role in ionospheric research due to better global coverage. The accuracy of LEO TEC is hardly evaluated by comparison with the independent TEC measurement simultaneously. We propose an approach based on the simulated data to verify the accuracy of TEC determination. The simulated data (i.e., the pseudorange and carrier phase observations) was generated based on the consideration of the effect of the ionosphere, the so-called differential code bias (DCB) and observational noise. The errors of carrier phase to code leveling process and DCB estimation are analyzed quantitatively. Also, the effect of observational noise, solar activity and LEO orbit altitude on the accuracy of TEC determination will be discussed in detail. The accuracy of TEC determination is relative to solar activity and LEO orbit altitude, the higher LEO orbit and lower F10.7 index, the higher accuracy of TEC determination. It is found by the first time that, with the amplification of the pseudorange noise, the accuracy of leveling process and TEC determination declines almost linearly. With the LEO missions in the near future, it is hoped that the GPS satellite DCBs estimated based on LEO observations would be better than those based on ground-based observations.     

The Effect of GPS Ephemeris on the Accuracy of Precise Orbit Determination of LEO Satellite-borne GPS

The satellite-borne GPS receivers dedicated to precise orbit determination are now being carried by more and more low earth orbit (LEO) satellites and the satellite-borne GPS has become one of the main means for the precise orbit determination of low earth orbit satellites. The accuracy of satellite-borne GPS precise orbit determination depends on the accuracies of the GPS ephemeris and the clock error. Based on the orbit determination function of SHORDEIII zero-difference dynamics and using the observational data obtained by the GRACE satellites for the week from 2005 August 1 to 7 as an example, three versions of GPS ephemerides (igs, igr and igu) are used to carry out orbit determination under the same conditions and to estimate the effect of the GPS ephemeris accuracy on the accuracy of orbit determination of low earth orbit satellites. Our calculated results show that the two ephemerides, igs and igr, are equivalent to each other in orbit determination accuracy (about 9.5 cm), while igu is slightly less accurate, at about 10.5 cm. The effect produced by the data of the high frequency GPS satellite clock error on the accuracy of orbit determination is 1–6 cm.     

电离层TEC对小耀斑的响应

利用国际GPS观测网(IGS)提供的多个台站的观测数据,分析了M级别以下的小、暗太阳耀斑对向阳面电离层TEC的影响．利用传统分析方法的结果表明,从单条视线(LOS)观测数据得到的电离层TEC及其时间变化率曲线来看,由于它们的波动水平和正常情况下的背景电离层变化相当,使此类小耀斑的信息完全淹没在背景噪声中,不能够显示和分辨出耀斑的发生．利用相干求和的数据处理方法,选用向阳面18个GPS台站的观测数据研究了一次C级SF耀斑引起的电离层TEC增加,结果发现,这种方法能有效地消除背景电离层变化噪声,电离层对耀斑的响应非常清楚和明显,这通常只能在X级别的大耀斑中看到．和GOES卫星X射线数据相比,电离层TEC变化的时间特征和耀斑爆发的开始、最大和结束时间均有很好的符合,其最大平均TEC增量在0．1TECU以下,和X级别的大耀斑相比有一个或多个量级上的差别．     

基于实时多系统PPP模糊度固定的时间传递算法

随着RTS (Real-Time Service)工程的发展,时频用户可以运用实时精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)技术进行时间传递研究.作为RTS工程的主要参与者,CNES (Centre National d’Etudes Spatiales)分析中心开展PPPWIZARD (Precise Point Positioning with Integer and Zero-difference Ambiguity Resolution Demonstrator)工程验证实时PPP模糊度固定技术.为了探究多系统观测值和实时PPP模糊度固定对时间传递的性能提升,在综合GPS (Global Positioning System)、GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System)、 BDS (Bei Dou navigation System)和Galileo的多系统观测值的基础上,使用CNES分析中心播发的实时产品开展PPP时间传递验证实验,检验了4种不同PPP模式的工作性能.实验结果证明,在多种不同工作模式当中,综合运用多系统观测值和GPS模糊度固定技术进行PPP时间传递的标准差结果最小,标准差相比于传统GPS PPP时间传递平均下降38.1%.     

针对实际气象需要的地球低轨道卫星的轨道计算

针对国内气象部门的要求,本文就某一特定地域对地球低轨道卫星进行轨道计算,使得地面测点能维持在该区域较长时间.计算结果表明该轨道可以使得无线电掩星的地面测点维持在辐射半径为100km之内的区域达130天左右。这基本满足了利用GPS无线电掩星技术对局部地域大气进行监测研究的要求。