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利用半参数核估计的电离层建模新方法

武汉大学学报（信息科学版） 2023年第9期48卷 1416-1424页

作者：蒋可潘雄罗小敏李扬张旭焱徐景田中国地质大学地理与信息工程学院湖北武汉430079

目前区域电离层延迟建模中,较少顾及单层模型薄层高度假设误差、投影函数选择误差、差分码估计偏差以及数学公式的模型化误差等,为了削弱这些误差对解算精度的影响,将半参数模型引入到电离层球谐函数建模中,利用半参数核估计方法,解算... 详细信息

目前区域电离层延迟建模中,较少顾及单层模型薄层高度假设误差、投影函数选择误差、差分码估计偏差以及数学公式的模型化误差等,为了削弱这些误差对解算精度的影响,将半参数模型引入到电离层球谐函数建模中,利用半参数核估计方法,解算误差分量和球谐函数系数,并将解算结果代入区域4阶电离层球谐函数计算建模区域内电离层总电子含量(total electron content,TEC)。选取欧洲大陆区域的国际GNSS服务组织(international global navigation satellite system service,IGS)测站,分别对太阳活动低年和太阳活动高年的观测数据进行电离层建模,并采用半参数核估计法与传统最小二乘法进行建模精度的对比与分析。实验结果表明:太阳活动低年,以欧洲定轨中心发布的电离层TEC为参考,利用半参数核估计法的区域电离层建模相比于最小二乘,其精度提高了12.2%~19.0%,以IGS发布的电离层TEC为参考,其精度提高了8.3%~13.6%;太阳活动高年,利用半参数核估计法进行电离层建模相较于最小二乘法精度相当。

关键词：电离层建模半参数模型球谐函数

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基于电离层线状变化特征的电离层建模方法

测绘地理信息 2022年第5期47卷 17-21页

作者：褚睿韬姚宜斌孔建武汉大学测绘学院湖北武汉430079 武汉大学中国南极测绘研究中心湖北武汉430079

电离层变化主要受太阳活动和地磁活动的影响,研究发现受到地磁场作用,电离层内部电子在特定线状特征上的变化具备一定规律性,如经度方向的规律性强于纬度方向。基于此,提出了一种基于电离层线状变化特征的建模方法,选择具备特定地理位... 详细信息

电离层变化主要受太阳活动和地磁活动的影响,研究发现受到地磁场作用,电离层内部电子在特定线状特征上的变化具备一定规律性,如经度方向的规律性强于纬度方向。基于此,提出了一种基于电离层线状变化特征的建模方法,选择具备特定地理位置约束(经线方向、纬线方向、磁力线方向)的站点,引入电离层高阶梯度变化,估计待求点电离层电子含量信息。实验结果表明,在DOY172地方时14时,地磁经度带和地理经度带的误差均值和标准差最优结果比地理纬度带的结果分别减小了72%、62%。从2014年整年来看,线性建模误差均值和标准差最优结果比面状建模误差均值和标准差分别减小了82%、49%。

关键词：高阶梯度电离层变化线状电离层模型电离层建模斜路径总电子含量(slant total electron content,STEC)

高纬度区域GNSS多系统电离层建模及其精度评估

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全球定位系统 2023年第3期48卷 33-38页

作者：肖勇杭州杭港地铁五号线有限公司杭州311100

电离层延迟是影响卫星导航和定位精度的主要误差源之一,精确建立电离层模型对高精度导航定位具有重要意义.针对高纬度区域多全球卫星导航系统(GNSS)电离层建模的研究,首先给出了GNSS多系统的电离层建模方法,然后利用高纬度区域均匀分布... 详细信息

电离层延迟是影响卫星导航和定位精度的主要误差源之一,精确建立电离层模型对高精度导航定位具有重要意义.针对高纬度区域多全球卫星导航系统(GNSS)电离层建模的研究,首先给出了GNSS多系统的电离层建模方法,然后利用高纬度区域均匀分布的11个MGEX(Multi-GNSS Experiment)测站观测数据进行电离层建模,对比分析了电离层多项式模型和球谐函数模型下GPS单系统和GNSS多系统的电离层建模精度.结果表明:两种电离层模型解算的各系统卫星差分码偏差(DCB)估值差异较小,且绝大部分卫星DCB估值偏差都小于0.5 ns,精度较高;两种电离层模型在GNSS多系统下的系数估计精度高于GPS单系统,且电离层垂直总电子含量(VTEC)残差总体小于GPS单系统;电离层球谐函数模型GPS单系统建模精度为3.09 TECU,GNSS多系统为1.80 TECU,提高率为41.7%.

关键词：电离层建模全球卫星导航系统(GNSS) 多系统高纬度区域精度评估

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GNSS区域电离层建模及其精度评估

GNSS区域电离层建模及其精度评估

作者：崔贺杰安徽理工大学

学位级别：硕士

随着时代的不断发展,科技的进步带来了很多日新月异的变化。其中测绘行业的快速发展和完善能够很好的应用到科研的很多方面,就比如全球卫星导航系统GNSS(Global Navigation Satelite System,GNSS)就为电离层的研究提供了很好的平台。本... 详细信息

随着时代的不断发展,科技的进步带来了很多日新月异的变化。其中测绘行业的快速发展和完善能够很好的应用到科研的很多方面,就比如全球卫星导航系统GNSS(Global Navigation Satelite System,GNSS)就为电离层的研究提供了很好的平台。本文主要对于地球大气的主要组成部分之一的电离层进行研究,因其对于GNSS观测数据会造成延迟误差,影响GNSS的定位精度,所以通过研究电离层的结构、变化特征以及提取高精度的电离层中的总电子含量TEC(Total Electron Content,TEC)去构建模型来减小或者消除电离层所造成的延迟误差。进行电离层的区域模型构建其实与构建高精度的TEC模型有着相关的联系,二者可以相互促进发展。通过模型的构建可以做到提高GNSS观测的定位精度,同时也可以为我们对于电离层的研究和对于其异常变化的监测带来很多可利用的实验参考依据,促进人们对于电离层的认知和其带来的不必要的影响。电离层有着复杂的结构和变化特征,所以本文将对于电离层进行区域电离层建模的研究,介绍其相关结构和变化特征,以及建模的原理方法并通过采用一种函数模型去完成电离层区域模型的构建,分析构建模型的结果以及应用。主要研究内容概括如下:1.简要介绍电离层建模的研究背景和意义,以及关于电离层建模的国内外研究进展。接着会分析电离层自身的结构以及所具有的变化特征以及对于GNSS信号传播的影响(其中包括硬件延迟所带来的影响)以及其具有的异常现象及相关指数,同时也会对于电离层的提取TEC做出介绍,对于电离层的GNSS观测信息确定和载波相位平滑伪距观测做出简要介绍。通过这些介绍来构建电离层区域建模的理论框架,为完成模型的构建做基础。2.介绍电离层模型构建的方法以及基本原理,STEC(Slant TEC,STEC)转换为VTEC(Vertical TEC,VTEC)的投影函数以及电离层建模常用的模型比如电离层的经验模型、数学模型以及电离层的随机模型。3.基于电离层建模当中常用的数学函数模型中的球谐函数去进行电离层区域模型的构建,通过对于数据的下载和解算,利用球谐函数模型建立低纬度地区(30°S-30°N,180°W-180°E)的区域电离层模型。得出结论为如果基于单一数据源(即COSMIC2 TEC)建立的TEC模型要相比较于融合数据源(COSMIC2TEC和CODE TEC)建立的电离层模型仅仅只能展现总体变化趋势,对TEC细节变化和赤道异常现象的则不如融合数据源建立的COSGIM模型,该模型能够更好的电离层TEC的变化特征。4.基于谐波函数去构建电离层单站TEC经验模型。介绍两种不同情况下使用的电离层TEC经验模型,然后在2016年和2020年的时候选择三个单站下载数据,在二分点和二至点四个时间点分别构建他们的TEC经验模型,并对其结果做出分析。得出在MSNA区域以外的两个单站mkea站和brst站的TEC经验模型具有较好的拟合效果,能够反映出电离层每日的变化特征。而位于MSNA区域的ohi3站则反映出电离层的异常现象。图[30]表[5]参【90】

关键词：电离层建模 TEC 球谐函数 TEC经验模型

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GNSS差分码偏差及电离层建模研究

GNSS差分码偏差及电离层建模研究

作者：刘宇桂林电子科技大学

学位级别：硕士

电离层是地球空间的一部分,其特性变化对人类太空探索和空间应用都有着重要的影响。卫星导航定位中的误差源中,电离层延迟占据着重要的位置。全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)作为一种全新的技术手段,因其全... 详细信息

电离层是地球空间的一部分,其特性变化对人类太空探索和空间应用都有着重要的影响。卫星导航定位中的误差源中,电离层延迟占据着重要的位置。全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)作为一种全新的技术手段,因其全天候全球连续监测、高精度等优点,为电离层研究提供了既可靠又丰富的观测资料。目前,基于GNSS的电离层研究已经成为一个非常前沿的研究领域。此外,差分码偏差参数(Differential Code Bias,DCB)是电离层观测值中不可忽略的偏差项,与电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)参数相互耦合。在高精度定轨、定位、授时等数据处理中,也必须进DCB改正。因此,差分码偏差的精确估计和电离层TEC的数学函数拟合是GNSS电离层建模研究中两个重要的问题。本文基于GNSS双频观测数据,开展GNSS差分码偏差估计与电离层建模研究,并对建模结果进行对比分析。主要研究内容概括如下:1.针对卫星信号接收机的观测数据并不完全适用于电离层建模问题,本文采用了一套数据处理的工序,并结合载波相位平滑伪距的方法,保证了GNSS观测数据的质量,为DCB解算和VTEC建模提供了有效支撑。2.实现了基于多项式函数的DCB解算与VTEC单站区域建模。针对多项式分段建模中存在的VTEC变化不连续问题,提出了时段过渡约束的建模方法。在GPS卫星频间偏差估计方面,首先对比分析了基于不同纬度测站的单站单日解算结果,结果表明纬度差异对卫星DCB解算精度的影响不大。解算了一个月时间GPS卫星频间偏差及频内偏差,估计值与CSA、DLR的DCB产品进行对比分析,结果表明频间DCB平均偏差和STD基本都小于0.4ns,频间DCB平均偏差和STD基本都小于0.2ns,频内偏差比频间偏差的估计精度高,GPS卫星DCB在一个月内基本稳定。建立和分析了单站区域电离层TEC模型,分析了区域模型的精度,与电离层分析中心的差值范围基本都在3TECU以内。3.实现了基于球谐函数DCB解算与VTEC多站区域建模。针对建模中格网点VTEC出现异常值的问题,提出了基于平差增权的格网修正算法。利用IGS 9个测站连续31天的观测数据解算了GPS卫星频间偏差。结果表明:估计的DCB结果与CSA、DLR产品符合得较好,频间DCB平均偏差和STD基本都小于0.4ns。在DCB参数的稳定性评估方面,估计的GPS卫星DCB序列的STD基本小于0.1ns,表明卫星DCB一月内基本稳定。建立了经纬度范围为110～140°E、20～40°N的电离层区域模型,将VTEC建模结果分别与WHU、CAS发布的GIM产品进行做差比较,超过90%的差值大小不超过3TECU。

关键词：电离层建模差分码偏差 TEC 多项式函数球谐函数

多模多频GNSS差分码偏差估计及电离层建模研究

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测绘学报 2023年第6期52卷 1040-1040页

作者：汪奇生湘潭大学土木工程学院湖南湘潭411105

电离层延迟是GNSS导航定位中重要的误差源,对电离层进行监测和建模具有重要的意义。GNSS具有覆盖范围广、观测时间长、反演精度高等特点,为电离层监测和建模提供了一种有效的手段。差分码偏差(differential code bias,DCB)包含在电离层... 详细信息

电离层延迟是GNSS导航定位中重要的误差源,对电离层进行监测和建模具有重要的意义。GNSS具有覆盖范围广、观测时间长、反演精度高等特点,为电离层监测和建模提供了一种有效的手段。差分码偏差(differential code bias,DCB)包含在电离层观测值中,与电离层总电子含量(total electron content,TEC)参数相互耦合,在电离层建模时需要被精确分离和确定。

关键词：差分码偏差电离层建模电离层总电子含量电离层延迟观测时间反演精度误差源导航定位

基于星载GNSS-SAR数据融合的电离层建模

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基于星载GNSS-SAR数据融合的电离层建模

多系统GNSS高精度电离层建模和差分码偏差估计

第十三届中国卫星导航年会

作者：郭炜付海洋眭韵王康宁复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室

电离层是全球卫星导航定位系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）的一个重要误差来源,也会引起低频星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）信号和成像质量下降。本文通过研究L波段SAR信号STEC反演,完成基于SAR... 详细信息

电离层是全球卫星导航定位系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）的一个重要误差来源,也会引起低频星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）信号和成像质量下降。本文通过研究L波段SAR信号STEC反演,完成基于SAR信号和GNSS信号双层电离层建模,探索SAR信号和GNSS信号电离层联合建模的可行性。首先,理论分析了SAR信号反演STEC的方法,并构建基于SAR信号和GNSS信号数据融合的双层电离层模型。其次,研究了基于电离层色散效应的双频自适应反演STEC的方法,利用仿真的L波段SAR回波信号和IRI2016电离层模型数据对SAR信号回波中的STEC进行测量。最后,基于构建的GNSS-SAR电离层双层模型,使用多项式函数联合SAR信号反演STEC的结果以及模型数据进行电离层建模。结果初步表明GNSS-SAR电离层双层电离层模型具有理论的可行性,本文为未来导航遥感融合发展面临的共性电离层问题,提供了一种GNSS-SAR数据融合的电离层双层模型。

关键词： GNSS-SAR融合合成孔径雷达（SAR）电离层建模双频自适应

来源： cnki会议评论

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多系统GNSS高精度电离层建模和差分码偏差估计

作者：解为良武汉大学

学位级别：硕士

电离层作为空间大气的重要组成部分,对无线电传播和航空航天等相关活动都有着重大的影响。作为GNSS导航定位中的主要误差源之一,电离层延迟严重制约了 GNSS单频用户的定位精度。同时,由于电离层色散特性的存在,使得利用地面GNSS双频观... 详细信息

电离层作为空间大气的重要组成部分,对无线电传播和航空航天等相关活动都有着重大的影响。作为GNSS导航定位中的主要误差源之一,电离层延迟严重制约了 GNSS单频用户的定位精度。同时,由于电离层色散特性的存在,使得利用地面GNSS双频观测值监测电离层成为可能。与传统的电离层监测技术相比,GNSS具有反演精度高、覆盖范围广、全天候连续观测等优势。基于GNSS的电离层探测技术已经成为当前电离层领域的研究热点。尽管国内外学者在GNSS电离层监测领域作了大量的研究,建立了 GNSS电离层建模的基本理论,并实现了电离层产品的日常发布。但是,目前GNSS电离层产品的精度仍有待进一步提升。此外,差分码偏差(DCB)作为电离层观测值中不可忽略的偏差项,其数值可以达到几十纳秒。在GNSS高精度定轨、定位、授时等数据处理中,也必须进行DCB改正。随着近年来BDS和Galileo系统的快速发展,多系统GNSS DCB参数的精确估计显得日益重要。目前可用的DCB产品仍多局限于GPS和GLONASS系统。针对当前多系统GNSS的应用需求,开展多系统GNSS电离层建模和DCB参数精确估计的研究有较重要的意义。本文旨在研究多系统GNSS高精度电离层建模和DCB估计相关理论方法,力求为全球导航定位用户提供高精度高可靠性的GNSS全球电离层和DCB产品。围绕该核心目标,本文评估了不同电离层观测值提取方法和多系统GNSS融合对电离层建模的贡献,并基于IGS小时更新观测文件生成近实时电离层产品。实现了 GPS、GLONASS、BDS和Galileo系统DCB参数的精确估计,结合GLONASS和BDS卫星的特性对其DCB参数进行了分析。论文的主要工作和结论如下:(1)系统总结了 GNSS电离层建模和DCB估计中存在的问题,介绍了相关的基本原理和方法。从GNSS基础观测方程出发,详细推导了不同电离层观测值提取方法。总结了 GNSS电离层建模中较常用的投影函数和拟合模型。推导了多系统GNSS DCB估计的具体方法,并给出了 DCB参数的精度评价指标。(2)分析了多系统GNSS观测值融合和PPP固定解电离层观测值提取方法对电离层建模的贡献。利用全球IGS/MGEX网的观测数据实现单GPS、GPS+GLONASS、GPS+BDS、GPA+GLONASS+Galileo 以及GPS+GLONASS+BDS+Galileo五种组合模式的全球电离层建模,并对不同组合模式生成的电离层产品进行对比分析。结果表明,不同观测值组合生成的电离层产品间偏差值基本在1 TECU以内,多系统GNSS观测值对当前全球电离层建模的贡献不明显。PPP固定解与传统相位平滑伪距电离层观测值提取方法相比,其对全球电离层建模的贡献不明显。但采用区域网内插时,PPP固定解比相位滑伪距的电离层产品精度高约0.5 TECU。单频PPP的结果表明,采用PPP固定解改正电离层延迟比相位平滑伪距方法在E、N、U方向的定位精度提升分别接近30%、36.4%和 37.5%。(3)针对实时GNSS导航定位用户,利用IGS小时更新的观测文件生成了近实时全球电离层产品。该近实时产品与CODE电离层产品在全球大部分区域的偏差小于2 TECU,统计偏差的均值和STD分别在4 TECU和6 TECU以内。以CODE电离层产品为参考,近实时电离层产品与事后产品的偏差基本相当。对三种电离层产品进行单频PPP的结果表明,近实时产品与事后产品精度基本相当,比CODE事后电离层产品略差。(4)实现了 GPS、GLONASS、BDS和Galileo四系统DCB参数的精确估计,并对估计的多系统DCB产品进行了评估。实验结果表明:估计的DCB产品与DLR和IGG的产品符合得较好,三个机构GPS、GLONASS、BDS和Galileo卫星DCB的偏差分别在0.2 ns、0.5 ns、0.2 ns和0.2 ns以内。在DCB参数的稳定性方面,本文估计的GPS、GLONASS、BDS和Galileo卫星DCB的STD分别小于 0.05 ns、0.14 ns、0.11 ns 和 0.15 ns,比 DLR 和 IGGDCB 产品的 STD 略小。(5)针对GLONASS卫星信号采用频分多址编码方式,提出一种顾及GLONASS频间偏差的DCB估计方法,并评估其频间偏差对DCB估计的影响。结果表明:不顾及GLONASS频间偏差进行DCB估计时,其观测值残差出现与频率通道相关的系统误差,而顾及GLONASS频间偏差的DCB估计方法能消除该系统误差。将顾及和忽略频间偏差估计的DCB参数作差,得到不同频率通道上DCB偏差的最大值达到7ns。同时,基于MGEX和iGMAS网的观测数据对BDS2和BDS3卫星DCB间的系统偏差进行了分析。结果表明:对于MGEX/iGMAS同一网内接收机,BDS2和BDS3卫星DCB间不存在明显的系统偏差,而对于网间接收机BDS2和BDS

关键词： GNSS 电离层建模差分码偏差精密单点定位频间偏差 BDS2 BDS3

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GNSS电离层精确建模及其应用研究

GNSS电离层精确建模及其应用研究

作者：梅登奎长沙理工大学

学位级别：硕士

太阳或地磁活动爆发造成的电离层空间天气效应是当前空间物理和空间大地测量等领域的研究热点,通过对电离层空间环境进行系统观测、理论研究与模型构建,对于促进电离层物理理论发展、保护人类生存环境、保障无线电通讯和提高全球定位导... 详细信息

太阳或地磁活动爆发造成的电离层空间天气效应是当前空间物理和空间大地测量等领域的研究热点,通过对电离层空间环境进行系统观测、理论研究与模型构建,对于促进电离层物理理论发展、保护人类生存环境、保障无线电通讯和提高全球定位导航系统精度具有重要的意义。近年来,全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,缩写为GNSS）逐渐成为电离层高动态监测的重要技术手段,本文基于GNSS技术,围绕电离层二维/三维建模展开研究:（1）差分码偏差是精确提取电离层延迟量时必须剔除的系统误差,本文以我国BDS（BeiDou Navigation Satellite System）卫星差分码偏差为例,研究了不同太阳活动状态下BDS卫星差分码偏差产品的稳定性差异;针对MGEX（Multi-GNSS Experiment）发布的卫星差分码偏差产品可能存在数据缺失和发布延迟等不足,采用自回归移动平均时间序列预测模型,实现了 BDS卫星差分码偏差产品短期预报,其预测结果与MGEX发布值具有较好的一致性,满足了用户对差分码偏差产品的及时性需求,弥补了差分码偏差产品的异常缺失,保证数据完整性。（2）利用国际GNSS服务组织（International GNSS Service,缩写为IGS）发布的全球电离层格网模型（Global Ionospheric Map,缩写为GIM）,监测了强磁暴期间中国中低纬度地区上空电离层TEC（Total Electron Content）水平扰动特性,初步探讨了可能触发电离层扰动的物理机制。由于我国境内IGS测站数较少,IGSGIM产品时空分辨率低,精度受限,本文利用湖南省 CORS（Continuously Operating Reference Stations）实测数据,建立湖南区域电离层TEC模型,时空分辨率明显提高,提升了电离层暴时扰动变化监测能力。另外,分析了磁暴发生期间我国中低纬地区电离层不规则体事件及其纬度差异。（3）由于电离层层析系统的不适定性,电离层电子密度层析解不唯一或者不稳定。针对此问题,本文提出一种电离层层析重构的三步改进算法。首先,改进传统乘法代数重构算法迭代公式,加快层析迭代收敛速度;其次,施加合理的水平和垂直约束条件,有效改善电离层层析系统的不适定性;最后,在垂直高度向采用不等间距格网划分方法。模拟实验和实测数据证明了改进算法可以有效提高电子密度层析重构质量。（4）电离层层析约束条件一般未顾及每一轮迭代结束后电子密度值的变化,在整个层析迭代过程中约束方程系数保持不变,不尽合理。本文进一步提出自适应约束电离层层析重构新算法,该算法顾及上一轮迭代结束后的电子密度变化,重新计算水平方向上高斯距离加权函数的权系数和垂直剖面上相邻像素的电子密度比值,实现自适应调整各水平和垂直约束方程系数,有效提高了迭代收敛速度和反演精度。利用新算法重构了湖南区域电离层电子密度三维分布,分析了电离层电子密度在经度、纬度和高度向上的暴时扰动变化,得到大量有益的实验结果。

关键词： GNSS 电离层建模电离层层析差分码偏差电离层扰动电子密度电子含量