利用GPS研究电离层延迟及电子浓度变化规律

电离层是大气层的重要组成部分，电离层对GPS观测信号的折射影响，是GPS测量中最严重最棘手的误差源之一，精确修正电离层折射影响和反演电离层结构，一直是GPS研究和应用中的热点问题，一方面，为提高（特别是单频）GPS测量精度，需研究精确的电离层折射改正模型或其它有效方法；另一方面，利用各类GPS网络所拥有的大量高精度的GPS观测资料可有效提取电离层变化信息，深入了解电离层精细结构、变化规律及其对无线电信号干扰机制，实现对电离层灾害性突发事件的探测和预报，近年来，结合理论研究和实际应用的需要，我们在这领域作了以下几方面的工作：（1）研究如何利用单台双频CPS接收机的观测信息确定电离层延迟改正模型，为小范围的单频用户服务；（2）研究如何建立较大区域的电离层格网模型，进而初步设想利用中国地壳运动观测网络深入研究我国领域的电离层的电子浓度变化规律；（3）研究单频用户如何更好地利用电离层延迟改正信息；（4）研究如何利用GPS网络系统监测电离层的异常活动。     

香港地区电离层垂向电子含量的变化规律

根据香港GPS永久跟踪站的长期GPS观测资料,估计出了香港地区电离层垂向电子含量,并分析了垂向电子含量的周日变化规律,对建立香港地区实用的电离层模型有重要的指导意义。     

利用单站地基GPS数据反演电离层电子密度

利用单站GPS观测数据对GPS硬件系统延迟作出修正,得到较精确的电离层总电子含量。根据Chapman电离层理论,建立电离层模型,利用遗传算法优化选择电离层关键参量,反演得到接收机上空电子密度剖面,结果表明：该方法用于太阳活动高年白天电子密度剖面反演效果优于国际参考电离层。     

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。     

电离层对GPS的影响

电离层效应是GPS导航定位的主要误差。本文论述电离层的特征及电离层的下列影响：电离层码群延、电离层载波相位超前、电离层多普勒频移、电离层折射与高度角的关系、振幅闪烁、磁暴对GPS的影响、电离层对差分GPS的影响和GPS接收机的电离层改正。     

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.     

电离层误差对城市轨道交通GPS控制网测量精度的影响分析

以南宁市轨道交通GPS控制网测量的实际工程作业为背景,首先对电离层延迟基本模型的建立进行了论述,然后结合南宁市区域大气电离层活动的特点,利用电离层延迟模型和精密数据处理软件对南宁市区域电离层延迟数据进行了解算,并通过与电离层现报数据进行比较,分析了南宁市轨道交通GPS控制测量短周期内各个测站的电离层延迟变化规律以及市轨道交通GPS控制网测量的影响。     

基于GPS的南极电离层电子总含量空间分布特征研究

利用南极区域内的中国中山站GPS常年跟踪站(ZHON)和国际GPS服务站GPS观测数据,计算出2000-2006年期间南极地区上空高精度电离层电子总含量值,分别对极光区内、极光区外、极隙、极盖区的电离层电子总含量进行分析比较.结果表明,极光区外的电子总含量峰值要大于极光区内,极光区内的电子总含量峰值又大于极盖区,而每日...     

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。     

利用GPS观测值监测电离层的时空变化

研究电离层时空变规律对卫星导航、航空航天和通讯等具有重要价值。文中利用IGS站提供的GPS双频观测数据,采用区域电离层模型估计GPS系统硬件延迟,从而计算绝对电离层总电子含量。在时间尺度上,选择COR1站的2012年、2015年和2017年的数据进行时间变化分析,结果表明,电离层总电子含量在时间上呈现出周日变化、月变化和季节性变化。在空间方面,选择了经度相差较小、纬度方向分布均匀的CRO1、BRMU、UNBJ和QIKI四个IGS站进行分析,结果表明在纬度方向具有明显的单峰效应,随着纬度的增大电离层总电子含量呈现减小趋势。      

WAAS系统下单频GPS用户电离层延迟改正新方法

对于现有WAAS等差分GPS系统而言,在电离层活动激烈及系统不能正常发送或用户无法正常接收电离层延迟改正信息时,如何确保其所服务区域内单频GPS用户的电离层延迟的实时改正效果,是需要进一步解决的问题。本文提出一种能够同时克服这些不足的单频GPS电离层延迟实时改正方案,并用算例初步验证了其有效性。     

GPS现代化后电离层折射误差高阶项的三频改正方法

研究了电离层对GPS观测信号的主要影响及电离层折射误差模型,总结了电离层双频改正模型。针对GPS现代化中增加的第三频率,系统推导了三个频率的电离层改正模型及相位观测值无电离层组合(LC组合)模型。该模型将电离层折射误差模型改正至二阶项,可进一步提高GPS定位精度,同时,为GPS定位中其他误差的改正及分离、周跳的探测等提供了有力的技术手段。     

电离层干扰对GPS掩星弯曲角和温度精度的影响

以MSIS90大气模式和3DNeUoG电离层模式为背景大气,仿真模拟了电离层暴、电离层行扰和电离层槽对GPS掩星弯曲角电离层残差及温度精度的影响。结果表明,在太阳活动活跃期,弯曲角电离层残差在35~50km高度范围内可达1.5μrad,其标准差可达0.9μrad;在15~35km高度范围内可达4μrad,其标准差可达1.4μrad。电离层暴和电离层槽可使弯曲角电离层残差标准差增大20多倍;电离层行扰可使弯曲角电离层残差标准差增大数倍。电离层干扰引起的电离层残差可使15~35km高度范围内温度反演误差高达8K,这样的温度误差会对掩星观测的日平均温度和月平均温度产生显著影响。因此,需要发展新的电离层修正方法;在掩星气候监测中,需加强电离层监测,并结合监测结果剔除电离层干扰误差。     

GPS反演上电离层剖面及实例

介绍了在利用GPS观测电离层TEC和反演上电离层剖面过程中，如何选择最适宜GPS星，如何计算卫星有关参数，如何计算卫星到测站间斜向TEC等问题，最后给出了一个剖面反演实例。     

基于地基GPS研究台风引起电离层TEC的变化特征

利用GPS研究电离层,具有其他探测技术所没有的全天候、高分辨率、大范围等优点.本文采用双频GPS数据提取区域电离层电子浓度总含量（TEC）,并结合全球电离层地理（GIM）数据,借助滑动四分位距法建立TEC背景值.研究了台风“莫兰蒂”对其经过区域及登陆地点电离层TEC的影响.分析表明,台风登陆厦门前一天,厦门地区电离层TEC发生了较强的正扰动,登陆后第二天,TEC发生了小尺度的负扰动;台风临近台湾岛前,东南沿海和台湾岛区域电离层出现了大范围的正异常扰动,其值为15～20 TECU,持续时间10 h.结合厦门和台湾岛的地形,推测此次TEC异常原因是由于台风所激发的声重力波传播到电离层高度,造成了电离层的异常扰动.      

利用全球电离层模型改进单频测量定位精神

CODE分析中心提供全球每日GPS电离层实测模型，与传统的经验电离层模型相比，CODE的模型能够较准确地描述影响电磁波传播的电子密度分布状况。目前，CODE电离层模型主要用于Bernese软件处理GPS数据时周跳剔除及模糊度确定方面，在春中作为一种对实测量的约束条件来使用。全球电离层模型能否以更通用的方法直接在单位频测量数据处理中使用是一个有待于研究的问题。本文初步探讨了全球电离层模型用于单频测量数据处理的几个途径，并做了初步分析比较。结果表明，全球电离层模型可改善单频机定位精度。     

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。     

一种改进的GPS/GLONASS组合精密单点定位算法研究

讨论了GPS精密单点定位的数学模型。提出了一种改进的GPS精密单点定位算法,该算法是把电离层延迟分为一阶电离层延迟和二阶电离层延迟的方法。分别对各阶电离层进行研究:一阶电离层采用线性组合的方式消除,二阶电离层延迟采用模型估计方法进行消除,最终达到消除电离层影响的目的。最后把该算法应用于GPS/GLONASS组合精密单点定位中,分别从E、N、U 3个定位方向上比较了GPS和GPS/GLONASS组合精密单点定位的定位结果,计算结果表明,该算法在一定程度上提高了定位的精度。较单系统GPS精密单点定位,它能够加快定位的收敛速度,保证定位的连续性。     

利用球冠谐分析方法和GPS数据建立中国区域电离层TEC模型

利用GPS实测资料建立了中国区域电离层TEC球冠谐分析模型(spherical cap harmonic analysis,SCHA),评估了该模型的精度和有效性.结果表明,该模型有较高的拟合精度,其拟合残差约为±3 TECU,且精度在时间和空间上分布较均匀.根据IGS分析中心发布的IONEX全球电离层数据(GIM),内插得到了区域内相应时段的平均电离层电子含量,并利用它对CSHA模型的零阶项系数C0.0所表示的区域平均电离层电子含量进行了检核.结果表明,二者具有较高的一致性和相关性,其谱特征相关系数为0.993.由于SCHA模型较GIM模型利用了更多本区域的GPS观测数据,因此其拟舍精度更高,拟合结果与实测数据更一致.时SCHA模型参数的时间序列进行谱分析,结果表明,该模型的模型系数较好地描述了区域电离层TEC的周期性变化特征.     

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。