区域电离层TEC建模及时空变化特征分析

论文摘要

提高卫星导航定位精度一直以来是导航领域追踪研究的热点问题,但影响定位精度的因素也比较多,如系统硬件延迟、对流层延迟、多路径效应、电离层延迟和钟差等。自从美国取消SA政策后,电离层延迟是影响GPS卫星定位精度最重要的误差源之一。目前电离层经验模型和GIM的对电离层延迟的修正效果有限,尤其在我国境内的IGS站稀少,导致GIM在我国境内偏差比较大,所以建立区域电离层模型对提高该区域卫星定位精度具有重要价值。随着区域CORS的逐步建成,为建立区域电离层模型提供了数据保障,根据不同频率信号在电离层中延迟不同的理论,可以利用CORS的双频GPS信号建立区域电离层模型。重点研究区域电离层建模和分析电离层的时空变化规律。本文主要做了以下研究工作:（1）介绍电离层的基本情况和推导了信号发生电离层延迟的理论依据,分析影响电离层的各种影响因素,包括单层电离层高度,太阳的活动强度和活动周期。比较各种电离层模型,总结了各种电离层模型的优缺点,本文基于CORS数据的区域电离层建模选用了多项式电离层模型。（2）研究周跳探测和修复的不同方法,分析不同方法的优缺点,选用电离层残差法和Melbourne-Wübbena法的组合法对双频观测值进行周跳的探测和修复有良好效果;分析硬件延迟对计算电离层总电子含量的影响,解算出GPS系统硬件延迟,并分离卫星硬件延迟和接收机硬件延迟,验证表明符合所需精度要求;介绍了几种常用的卫星坐标插值方法,通过对比这几种插值方法在卫星坐标插值中得到的插值结果的精度,选用滑动式Lagrange插值法进行精密星历插值计算;计算卫星高度角、方位角和电离层穿刺点位置。根据载波相位平滑伪距的方法,总结出进行平滑效果较好的平滑系数区间为1520。（3）根据电离层的连续性,区域多项式模型和解算GPS系统硬件延迟的特点,推导附有限制条件的多项式区域电离层模型的解算方法;使用GSCORS数据建立了甘肃省区域电离层模型,用GMT做出甘肃省电离层图,并对其内、外符合精度进行评定,结果表明1×2阶附有限制条件的多项式电离层模型完全可以描述甘肃省区域的电离层变化情况;生产了RINEX标准格式的区域电离层产品IONEX,可以通过官方发布提供给用户使用,改善本地区对电离层延迟误差的修正效果。（4）分别根据单站电离层模型和区域电离层模型研究了电离层的时间变化和空间变化规律。结果表明电离层具有明显的时空变化规律,如夜间电离层平静,白天随着太阳的升起,电离层TEC逐渐增大,到UT04:00-UT06:00之间可以达到最大值;春秋两季电离层TEC总体偏高,5月和10月左右会出现峰值,而夏冬两季电离层TEC总体较为平静;太阳活动频繁的年份电离层TEC高于太阳活动较为平静的年份,具有明显的太阳活动周期性;电离层随纬度的变化呈现出随着纬度增大电离层TEC值逐渐减小的规律。电离层时空变化规律为进一步提高电离层建模精度提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 电离层研究进展
•   1.3 主要研究内容和技术路线图
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 技术路线图
• 2 基于GPS的电离层监测理论与方法
•   2.0 电离层概况
•   2.1 电离层延迟理论
•   2.2 电子密度及其影响因素
•     2.2.1 电子密度
•     2.2.2 影响因素
•   2.3 总电子含量及其影响因素
•     2.3.1 总电子含量
•     2.3.2 影响因素
•   2.4 电离层经验模型
•     2.4.1 本特模型
•     2.4.2 国际参考电离层模型
•     2.4.3 克罗布歇模型
•   2.5 电离层实时模型
•     2.5.1 球谐函数模型
•     2.5.2 广义三角级数模型
•     2.5.3 多项式模型
•   2.6 本章小结
• 3 GPS数据预处理
•   3.1 周跳的探测与修复
•     3.1.1 产生周跳的原因
•     3.1.2 周跳的特点
•     3.1.3 周跳的探测与修复算法
•   3.2 GPS系统硬件延迟
•     3.2.1 硬件延迟对计算电离层TEC的影响
•     3.2.2 系统硬件延迟解算方法
•   3.3 利用广播星历计算卫星位置
•     3.3.1 GPS广播星历
•     3.3.2 计算卫星位置
•   3.4 利用精密星历计算卫星位置
•     3.4.1 GPS精密星历
•     3.4.2 Newton插值法
•     3.4.3 Lagrange插值法
•     3.4.4 ChebyShev拟合法
•   3.5 卫星高度角和方位角计算
•   3.6 计算穿刺点位置
•   3.7 本章小结
• 4 区域电离层建模与精度分析
•   4.1 CORS简介
•     4.1.1 CORS系统的发展
•     4.1.2 GSCORS介绍
•   4.2 多项式模型
•     4.2.1 多项式模型原理
•     4.2.2 附有限制条件的多项式模型
•     4.2.3 载波相位平滑伪距
•   4.3 甘肃省区域电离层模型
•     4.3.1 电离层模型参数解算
•     4.3.2 甘肃省电离层TEC图
•   4.4 模型精度评定
•     4.4.1 内符合精度
•     4.4.2 外符合精度
•   4.5 区域电离层产品
•   4.6 本章小结
• 5 电离层时空变化
•   5.1 单站电离层时间变化
•     5.1.1 周日变化
•     5.1.2 季节性变化
•     5.1.3 不同年份变化
•   5.2 单站电离层空间变化
•     5.2.1 IGS站选取
•     5.2.2 不同纬度电离层的变化规律
•   5.3 甘肃省区域电离层时空变化
•     5.3.1 区域电离层时间变化
•     5.3.2 区域电离层空间变化
•   5.4 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 区域电离层产品
• 攻读学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 寇瑞雄

导师: 李仲勤

关键词: 电离层,总电子含量,多项式模型,时空变化

来源: 兰州交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 自然地理学和测绘学,地球物理学,电信技术

单位: 兰州交通大学

分类号: P228.4;TN967.1;P352

DOI: 10.27205/d.cnki.gltec.2019.000612

总页数: 90

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