GNSS电离层模型改正精度评估与分析

电离层时延误差是导航定位信号在空间传播路径上的主要误差源之一,因此全面了解GNSS电离层模型的改正精度具有一定现实意义.根据GPS,BDS和Galileo系统所采用的电离层修正模型,利用2014年电离层校正参数,以高精度全球电离层图为基准,评估分析了三大系统电离层时延的改正精度.结果表明:目前GNSS使用的几种电离层修正模型的改正率在65~75%左右;Galileo系统使用的第二版NeQuick模型与第一版NeQuick模型相比在修正精度上并无显著提高;GPS使用的Klobuchar 8参数模型在北半球25°-45°N的中纬度地区精度很高,但是在全球其他区域精度较低,分布性较差,而NeQuick模型全球改正率分布则较为平均且平滑.      

基于NTCM-BC模型的全球卫星导航系统单频电离层延迟修正

选择NTCM-BC模型作为单频电离层延迟修正模型,通过非线性最小二乘拟合的方法,利用提前一天预测的电离层图（COPG文件）,计算得到NTCM-BC模型修正系数;利用Klobuchar模型和IGS发布的GIM数据对NTCM-BC模型进行比较和分析.对太阳活动高、中、低年实测数据的分析结果表明:全球平均水平上,NTCM-BC模型的电离层延迟修正性能明显优于Klobuchar模型,NTCM-BC模型的TEC平均误差和均方根误差比Klobuchar模型分别下降了41%和30%;模型的TEC计算误差与太阳活动剧烈程度成正相关,即太阳活动高年模型误差较大,太阳活动低年误差相对较低.相较于磁静日,磁扰日期间Klobuchar模型和NCTM模型的误差均有一定程度的增加.此外,模型的电离层修正误差同时存在明显的纬度、季节和地方时差异.      

北斗区域Klobuchar改进模型及其修正精度分析

北斗卫星导航系统采用Klobuchar模型修正单频接收机用户的电离层延迟误差,由于此模型从亚洲地区应用角度考虑,在某一特定区域的修正精度甚至不足50%。为进一步提高区域电离层延迟修正精度,提出在原模型8个改正参数的基础上增加5个关键参数的Klobuchar改进模型,并采用松弛迭代与直线搜索法中的黄金分割相结合的算法对新增参数进行求解。以天津及其附近区域为例,利用GPStation6接收机采集到的实测数据对改进模型与原模型进行计算。将国际全球导航卫星系统服务组织（International GNSS Service,IGS）发布的全球电离层格网数据作为参考值,对比分析改进模型与原模型的修正精度。结果表明,区域Klobuchar改进模型在天津及其附近区域的电离层延迟平均修正精度比原模型提升了10.46%,平均修正精度达到77.51%。     

Klobuchar模型的实用分析与改进

电离层延迟误差是无线电信号传播中不可忽视的误差源.GPS特许用户利用双频接收机的双频观测值直接对电离层延迟进行实时测定,其所得结果精度很高.多数普通用户所使用的单频接收机依靠电离层模型对其进行误差修正,效果不很理想.本文通过WUHN观测站双频接收机10天的实测数据对GPS广播星历采用的Klobuchar模型进行了验证,其结果与前人论述相一致.此外,经由反映太阳活动强度的太阳相对黑子数对Klobuchar模型提出了新的改进方法.实验数据结果表明,该方法对此模型修正效果有大幅提升,对原模型修正效果>50%的修正率由60%左右提升至85%以上,>80%的修正率由10%左右提升至40%以上.在实际应用中单频接收机用户可以参考本文改进方法对Klobuchar模型进行修正.      

Klobuchar电离层模型误差分析及预测

电离层延迟误差是全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)中的重要误差源之一.目前在电离层延迟改正模型中,应用最广泛的是Klobuchar参数模型,但是该模型的改正率仅能达到60％左右,无法满足日益增长的精度需求.将国际GNSS监测评估系统(internation...     

一种基于系数择优的低阶球谐电离层延迟改正模型

针对单频接收机的电离层延迟改正问题, 提出了一种基于系数择优的低阶球谐电离层延迟改正模型. 按照电离层延迟改正模型参数择优问题的描述, 明确参数优化的目标和约束条件, 根据参数选择可编码的特点, 提出了利用遗传算法进行参数择优的方法及步骤. 以欧洲定轨中心(CODE)提供的电离层数据作为参考标准, 对参数择优模型、 低阶球谐模型和Klobuchar模型模拟的区域电离层VTEC精度进行了比较分析. 结果表明, 较之相同系数个数的低阶球谐模型, 参数择优模型精度平均改进了1～2TECU, 而且比Klobuchar模型及低阶球谐模型能更好地反映电离层的周日变化及纬度变化特征.      

基于因果卷积与LSTM网络的电离层总电子含量预报

电离层总电子含量（TEC）不仅是分析电离层形态的关键参数之一,同时为导航及定位等空间应用系统消除电离层附加时延提供重要支撑。由于电离层TEC的时空变化特征,本文融合因果卷积和长短时记忆网络,以太阳活动指数F_10.7、地磁活动指数Dst和电离层TEC历史数据作为特征输入,构建深度学习模型,实现提前24 h预报电离层TEC。进一步利用2005－2013年连续9年的CODE TEC数据,全面评估了模型在北京站（40°N,115°E）、武汉站（30.53°N,114.36°E）和海口站（20.02°N,110.38°E）的预报性能。结果显示不同太阳活动条件下三个站的TEC值与真实测量值的相关系数都大于0.87,均方根误差大都集中在0～1 TECU以内,且模型预报精度与纬度、太阳、地磁活动程度、季节变化相关。与仅由长短时记忆网络构成的预报模型相比,本实验模型均方根误差降低了15%,为电离层TEC预报模型的实际应用提供了参考。      

北斗星基增强系统性能评估

以实际广播星历、精密星历和北斗星基增强系统(BDSBAS)增强报文为实验数据，通过计算BDSBAS轨道误差、卫星钟差、空间信号测距误差和BDSBAS格网电离层有效点、播发时间和电离层延迟误差6个指标，评估分析了BDSBAS空间信号的性能。结果显示：BDSBAS增强后的GPS卫星轨道误差在切向、法向、径向分别降低了34.57%,40.57%,30.90%；卫星钟差均方根降低了24.31%，卫星钟差标准差降低了16.8%；空间信号测距误差相比增强前降低了32.75%;BDSBAS格网电离层有效点覆盖了中国及周边地区；BDSBAS各点电离层延迟播发间隔均达到ICAO对精确差分定位的要求；电离层延迟在0°-5°N范围内误差在0.4 m以上，可信度均达到99.9%，在5°-55°N范围内误差小于0.4 m，可信度均为100%;BDSBAS水平定位误差提升超过25%，垂直定位误差提升超过50%，完好性均在99.9%以上。     

南极GPS定位中的电离层延迟分析

基于南极地区国际GNSS服务组织(IGS,International GNSS Service)跟踪站的全球定位系统(GPS,Global Position System)双频实测数据,分析了南极地区电离层延迟的变化情况及其二阶项延迟对南极GPS定位结果的影响.结果表明:南极地区的总电子含量(TEC,Total Electron Content)日间波动频繁,其日间TEC最大值变化较中纬度地区剧烈;在南极地区夏季,电离层二阶项延迟对GPS定位结果的影响可达cm级.同时,由于欧洲定轨中心(CODE,The European Center for Orbit Determination)提供的全球电离层模型(GIM,Global Ionosphere Maps)在南极区域应用的局限性,通过选取南极地区6个IGS跟踪站作为基准站建立了区域电离层TEC模型(RIM,Regional Ionosphere Model).经实测数据计算证明,对于南极地区,RIM的定位精度在一定程度上优于全球电离层模型GIM.     

基于CIT技术的广域增强系统电离层延迟修正算法

提出了一种基于电离层层析成像(CIT)技术的广域增强系统(WAAS)电离层延迟 修正算法. 该算法利用模式基函数与截断奇异值分解正则化组合的方式, 实现WAAS单频用户的电离层延迟误差修正. 基于中国区域23个广域基准站 和10个用户站的仿真结果分析表明, 传统的网格算法和基于CIT技术的电离 层延迟修正算法的电离层延迟修正精度与太阳活动、昼夜变化及地磁纬度 之间均存在明显的相关性. 基于CIT技术的电离层延迟修正算法精度优于网格算法, CIT算法的平均误差与标准差相比网格算法均有较大幅度的下降.      

磁暴期间中国中低纬电离层不规则体与扰动分析

2017年9月8日发生了一次强磁暴，Kp指数最大值达到8.利用区域电离层格网模型（Regional Ionosphere Map，RIM）和区域ROTI（Rate of TEC Index）地图，分析了磁暴期间中国及其周边地区电离层TEC扰动特征和低纬地区电离层不规则体的产生与发展情况，同时利用不同纬度IGS（International GNSS Service）测站BJFS（39.6°N，115.9°E），JFNG（30.5°N，114.5°E）和HKWS（22.4°N，114.3°E）的GPS双频观测值，获取各测站的ROTI和DROT（Standard Deviation of Differential ROT）指数变化趋势.结果表明:此次磁暴发生期间电离层扰动先以正相扰动为主，主要发生在中低纬区域，dTEC（differential TEC）最大值达到14.9TECU，随后电离层正相扰动逐渐衰减，在低纬区域发生电离层负相扰动，dTEC最小值达到-7.2TECU；在12:30UT-13:30UT时段，中国南部低纬地区发生明显的电离层不规则体事件；相比BJFS和JFNG两个测站，位于低纬的HKWS测站的ROTI和DROT指数变化更为剧烈，这表明电离层不规则体结构存在纬度差异.      

实时电离层格网数据精度评估

电离层延迟是制约单频接收机定位精度的重要误差源之一.为提高单频接收机的实时电离层改正精度，需要实时电离层数据.以中国科学院空天信息创新研究院提供的实时电离层数据为例，对比分析不同太阳活动期实时电离层数据及预报电离层数据与IGS最终电离层数据之间的差值以及不同太阳活动期、不同纬度测站的电离层数据对电离层延迟进行改正后得到的定位精度.结果表明:在低太阳活动期和高太阳活动期，实时电离层数据无法很好地反映大部分海洋上空的电离层变化特性；对不同太阳活动期，实时电离层数据在高纬度测站的定位精度优于预报数据和广播模型，在中纬度测站的定位精度略低于预报数据而与广播模型定位精度相当，在低纬度测站的定位精度略优于预报数据和广播模型.      

地磁暴期间北半球高纬度地区电离层变化特征及对精密定位的影响

基于加拿大地区高纬度电离层观测网的电离层闪烁观测数据,分析了2018年8月26日地磁暴事件引发的北半球高纬度地区电离层总电子含量（TEC）异常变化、TEC变化率指数（ROTI）及电离层相位闪烁的变化特征.结果表明:加拿大地区最大异常值约6 TECU,磁暴引发全球电离层TEC异常峰值高达20 TECU;加拿大地区电离层相位闪烁发生率最大增至12.6%,而磁静日期间约为1%;强电离层闪烁期间,电离层相位闪烁指数与ROTI之间具有较强的一致性.对GPS双频精密单点定位（Precise Point Positioning,PPP）结果进行分析发现:无闪烁期间定位误差随测站纬度的增高呈现出增大趋势,但均方根误差小于0.4m;闪烁发生期间各测站的定位误差均显著增大,水平和垂直方向定位误差分别增至约0.9m及1.7m.      

CYGNSS/SMAP数据融合半经验模型的土壤湿度反演

星载GNSS反射信号(GNSS-R)的土壤湿度反演易受陆地多变环境因素影响，目前，对于星载GNSS-R土壤湿度反演中误差分析及反演模型外推性能分析较少。综合多种误差修正模型，包括GNSS卫星发射功率误差、植被和地表粗糙度对反射信号强度的衰减，通过修正提高陆地点反射率的准确性，建立了反射率-土壤湿度的CYGNSS/SMAP数据融合的反演半经验模型。实现了一年高精度外推反演，反演偏差为-0.003 7 cm³/cm³，均方根误差(RMSE)为0.026 4 cm³/cm³，相关系数为0.963 6。提出了分季节的外推模型，提高了低含水量季节的外推精度。实验区域的经度为90°E～130°E，纬度为20°N～38°N，利用2019年10月至2020年9月的CYGNSS/SMAP数据进行训练，外推2020年10月至2021年9月的土壤湿度。经误差模型修正反射率后，模型的反演偏差提升6.80%，均方根误差提升3.30%。针对实验区域内冬、春季土壤含水量较低时反演精度差的问题，提出了同季节外推的分季节训练模型，相...     

基于极大验后推估理论的全球电离层地图预报

提出了一种基于极大验后估计理论的全球电离层预报方法，基于中国科学院电离层分析中心（CAS）提供的快速全球电离层地图（GIM），实现了1天、2天和5天GIM的预报。以国际GNSS服务组织（IGS）最终GIM、Jason测高卫星提供的电离层观测信息及全球GNSS基准站实测电离层总电子含量（TEC）为基准，评估了2008－2017年CAS电离层预报GIM在全球大陆及海洋区域的精度，并与欧洲定轨中心（CODE）、欧洲空间局（ESA）和西班牙加泰罗尼亚理工大学（UPC）的预报GIM进行对比。在评估时段内，与IGS-GIM相比，CAS预报GIM精度为2.4~3.1 TECU；与测高卫星TEC相比，CAS预报GIM的精度为5.1~6.6 TECU；与全球基准站实测TEC相比，CAS预报GIM的电离层延迟修正精度优于80%。总体来看，CAS预报GIM与CODE预报GIM精度相当，显著优于ESA和UPC预报GIM。      

Measurement Error and Correction or the Ionospheric Effect

电磁波经过电离层传播时会受到电离层折射的影响而产生延迟,星载接收机探测到的时间是信号延迟之后的到达时间．某次实验数据显示,一些波段的瞬态电测辐射信号的群时延之差可达10^5ns数量级,这在对信号源进行时差定位时是不能直接运用的．为有效消除电离层延迟的影响,将双频修正法应用于某项工程中,利用接收到的实验数据求解出电离层的TEC（电离层总电子含量）,并在此基础上对信号到达星载接收机的时间进行修正．最后,对修正结果进行了验证,给出了误差来源．     

Kalman滤波估算电离层延迟的一种优化方法

频间偏差（Inter Frequency Bias,IFB）通常会给电离层延迟的解算带来误差.目前从电离层延迟中消除频间偏差的方法是基于GPS双频观测数据建立垂直电离层模型,利用卡尔曼滤波实时估算电离层模型系数和频间偏差.然而滤波过程中的测量噪声协方差矩阵没有考虑系统观测量之间的相关性,这会导致滤波模型不准确,进而影响最后求解的电离层延迟的准确性.本文选取了美国19个参考站的GPS双频观测数据,利用卡尔曼滤波实时估算电离层模型系数以及频间偏差.在滤波过程中,通过将先验频间偏差的估计方差引入测量噪声方差,实现对测量噪声协方差矩阵的优化.计算结果表明,优化后得到的卫星频间偏差与欧洲定轨中心（Center for Orbit Determination in Europe,CODE）得到的频间偏差更接近.将优化后的电离层延迟代入伪距解算,得到的位置误差的标准差在东向和天顶向分别下降了12.5%和15.4%,天顶向误差平均值下降了17.6%,定位精度得到提高.      

Galileo卫星导航系统广播Nequick模型及其参数拟合

提出了基于IGRF模型的Galileo广播Nequick模型及其参数拟合算法, 解决了Galileo信号仿真中地理场景映射与地磁坐标下的电离层延时修正参数拟合问题. 应用IGRF模型, 可计算出任意给定位置和时间点的地磁参数以及E层、 F₁层、F₂层的电子密度, 从而计算出Galileo电离层修正参数. 仿真结果表明, 该算法拟合的全球电离层延时与IGS提供的实际观测值基本一致, 仿真精度高于一般的经验电离层模型, 实现了Galileo卫星信号的电离层延时修正参数的精确仿真.      

电离层暴时经验模型STORM在中国区域的适应性研究

利用中国区域内9个垂测站1976---1987年一个太阳活动周期的电离层暴时f0F2数据, 统计分析了电离层暴事件的等级, 以及不同等级的电离层暴随季节和地磁纬度的分布特征. 研究发现, 中小型电离层暴在春秋季发生的概率较大, 不同季节的发生次数与地磁纬度具有明显的关系. 利用STORM模型对电离层暴时f0F2和大型及特大型电离层暴时f0F2的预测值与月中值进行了比较. 结果表明, 除了冬季误差增大外, 发生电离层暴时STORM模型能够有效地改善月中值模型. 增加中国的暴时数据, 并提高对冬季的暴时参数f0F2的预测是改善STORM模型的重要因素. 建立合适的暴时指数来预测f0F2是未来研究的重点.      

利用IGS-TEC数据分析中国华南地区电离层赤道异常北驼峰的变化特征

利用2010年11月至2011年10月IGS提供的全球电子浓度总含量(TEC)数据, 分析太阳活动上升期华南地区(经度110°E, 纬度5°—35°N) 上空电离层赤道异常(EIA)北驼峰的变化特征. 结果显示, 电离层赤道异常北驼峰区TEC峰值I具有明显的季节和半年变化特征; 北驼峰峰值出现的时间T和纬度L的日变化有一个相对较大的变化区间, 其季节和半年变化特征并不明显; 太阳活动对北驼峰变化影响比较明显, 而地磁活动对北驼峰变化影响不明显.