用GPS 观测研究电离层TEC 水平梯度

双频GPS 用户能自动修正电离层总电子含量(TEC) 引起的延时误差, 但是对于电离层中的不规则体造成的信号闪烁而引起的误差则不能消除. 即使是差分GPS 系统, 电离层误差仍然是其主要的误差源, 其中电离层TEC 梯度将会影响到系统的定位精度和性能. 本文用GPS 方法研究了电离层TEC 的水平梯度问题, 用处于赤道异常区NTUS 台站的GPS 观测数据作了具体计算. 结果表明, 在日落以后到子夜前后电离层垂直TEC 出现了大的涨落, 电离层中的不规则体导致L 波段信号强的闪烁, 同时还伴随着大而快速变化的电离层~TEC 水平梯度. 对比发现, ROTI指数、电离层TEC 水平梯度和电离层垂直TEC 三者之间有很好的对应关系, 它们的变化特征均由电离层中的不规则体引起. 我们认为研究电离层闪烁, 特别是在缺乏S4指数时, 电离层TEC 梯度也可以作为一个重要的可选参数.      

电离层闪烁对导航接收机性能的影响

为定量分析电离层闪烁对接收机环路的影响,利用信号在电离层闪烁影响下的等效传输信道模型,通过数值仿真对比分析了电离层闪烁对接收信号幅度、载波相位、码相位、载噪比和I/Q支路跟踪值的性能影响。结果表明：电离层闪烁会使接收载噪比出现深度的快速衰落,严重时会出现高达5dB的突降,从而显著地影响用户的定位性能;在相同的电离层闪烁强度下,较小的环路带宽会发生较弱的载波相位周跳。     

基于GPS信号的电离层S4指数计算方法研究

电波穿越电离层时,由于受到电离层不均匀结构的影响,电波的幅度、相位、时延等有时会发生快速抖动,这就是所谓的电磁波电离层闪烁现象.电离层闪烁会影响卫星通信系统的质量和导航系统的精度.本文分析了GPS信号研究电离层闪烁的基本原理,讨论了电离层闪烁监测中S4指数的计算方法及其修正方法.通过数据模拟,评估了原始S4指数计算方法及其修正方法的性能特点.针对原始S4指数计算方法及修正方法的不足,提出了一种新的修正方法,并采用实测GPS数据对上述方法进行了检验.结果表明,上述方法是有效的和可靠的.      

基于双频GPS观测的电离层TEC与硬件延迟反演方法

利用全球定位系统（Global Positioning System,GPS）的双频观测数据反演得到电离层的总电子含量（Total Electron Content,TEC）,使得广域甚至全球范围高时空分辨率的电离层观测研究成为可能,但由于GPS卫星和接收机对信号的硬件延迟可导致TEC测量系统偏差,因此,需要探索反演TEC并估测GPS卫星与接收机硬件延迟的有效算法.本文根据电离层电波传播理论,阐述了基于双频GPS观测提取电离层TEC的方法,给出TEC与硬件延迟的基本关系.综合研究了TEC与硬件延迟的反演方法,进行分析与归纳分类,在此基础上提出了有待深入研究的问题.      

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.      

GPS软件接收机原理样机设计与实现

为了满足GPS/INS(Global Positioning System/Inertial Navigation System)超紧组合导航系统研究的需要,克服硬件接收机参数固定,适应性差的弱点,设计了一种参数可调、灵活控制的GPS软件接收机.采用GPS L1频率的中频采样信号,运用FFT(Fast Fourier Transform)频域捕获算法和锁相环与锁频环相互辅助的载波环路,实现了信号捕获、码环和载波环路跟踪、导航电文提取与解码、伪距及导航定位解算,并与NovAtel公司的FlexPax型硬件接收机进行了比较.跑车测试结果表明,该GPS软件接收机捕获迅速、跟踪准确,导航定位精度小于10m,动态抗干扰能力明显优于一般GPS硬件接收机,适合于GPS/INS超紧组合导航系统的应用.     

一种用于电离层TEC监测的GNSS信号载波跟踪算法

全球卫星导航系统（GNSS）是电离层TEC监测中应用最普遍的手段. 目前方法通常是在传统导航用途的GNSS接收机输出的原始观测量基础上,经过数据后处理得到电离层TEC信息,其GNSS信号的跟踪处理算法依然采用GNSS导航接收机的算法. 针对GNSS系统用于电离层TEC监测的特殊性,提出一种称为GNSS双频信号和差联合跟踪的新算法,与传统方法相比,该算法直接跟踪电离层TEC的变化,可以提高电离层TEC跟踪的灵敏度和TEC的观测精度,改善电离层TEC监测性能.      

高动态GPS信号C/A码捕获方案及实现

为检测高动态GPS(Global Positioning System)信号,需要设计码环及载波环捕获与跟踪数字系统.尽量缩短盲捕时间,快速捕获到信号,是研制高动态GPS接收机技术的关键,而GPS信号C/A码的快速捕获是码跟踪和载波捕获与跟踪的基础.主要讨论了在高动态GPS信号C/A码捕获中,并行搜索法和串行搜索法的原理与实现,并结合GEC公司的十二通道相关器GP2021,给出基于DSP(数字信号处理器)技术用串行搜索法捕获高动态GPS信号C/A码的算法实现.     

宇宙噪声的电离层闪烁与电离层不规则结构的结构参数

利用宇宙噪声是均匀的。各向同性的背景电磁辐射的假设,对电子密度涨落空间分布波数谱为负幂律函数的电离层不规则结构,用射线光学方法导出了闪烁功率谱的表示式。与射电星和轨道人造卫星信标的电离层闪烁相比,减少了因相对运动弓队的变量。用数值计算方法研究了电离层不规则结构的结构参量L_y、l_y、p、η对功率谱的影响。与实测资料比较,发现电离层吸收事件期间且Riometer记录的闪烁资料中,60%以上相应的不规则结构有L_y>103,η>η₀(0.2<η₀<0.5).      

北驼峰区电离层GPS卫星闪烁事件时空特征及对通信的影响

基于子午工程北大深圳站（22.59°N,113.97°E）电离层GPS双频接收机在2011年1月1日至2017年12月31日连续7年的长时间序列闪烁和TEC观测数据,分析不同太阳活条件下华南赤道异常北驼峰区观测到的GPS卫星L波段电离层闪烁事件时空分布特征及其对通信的影响.结果表明:GPS闪烁事件几乎都发生在夜间,且主要发生在春秋分月份;在不同太阳活动条件下,夜间GPS闪烁事件都主要发生在北驼峰区域靠近磁赤道的一侧,且GPS闪烁事件存在明显的东-西侧天区不对称性,即在台站西侧天区发生的闪烁事件明显偏多;在不同太阳活动条件下,弱闪烁事件伴随的TEC耗尽和卫星失锁事件比例相对较低,强闪烁事件则大部分都伴随着TEC耗尽和卫星失锁事件的发生.      

GPS phase difference variation statistics: A comparison between phase scintillation index and proxy indices

Scintillated GPS phase observations are traditionally characterized by the phase scintillation index, derived from specialized GPS receivers usually tracking at 50 Hz. Geodetic quality GPS receivers, on the other hand, are normally tracking at frequencies up to 1 Hz. However, availability of continuously operating geodetic receivers both in time and geographical location are superior to scintillation receiver’s coverage in many parts of the world. This motivates scintillation studies using regional and global geodetic GPS networks. Previous studies have shown the usefulness of GPS estimated total electron content variations for detecting ionospheric irregularities. In this paper, collocated geodetic and scintillation receivers are employed to compare proxy indices derived from geodetic receivers with the phase scintillation index during quiet and moderately disturbed ionospheric conditions. Sensitivity of the phase scintillation indices at high latitude stations to geomagnetic activity is discussed. Global mapping of ionospheric disturbances using proxy indices from real-time 1 Hz GPS stations are also presented.     

Mid-latitude amplitude scintillation of GPS signals and GPS performance slips

Degradation of transionospheric radio signals and operation failures during ionospheric disturbances constitute a crucial factor of space weather influence on radio engineering satellite systems performance. We found that during the main phase of strong magnetic storms in 2000–2003 when the auroral oval expands into mid-latitudes, its southern boundary develops a region with intense small-scale electron density irregularities. Such irregularities may cause strong amplitude scintillations of GPS signals at both GPS operating frequencies. The another consequence of it was significant random GPS signal phase fluctuations, breaking-down of signal tracking, and sharp increasing of GPS positioning errors as a result.     

基于GPS的广州地区电离层不规则体纬向漂移速度计算分析

利用广州站组建的两台短间距GPS电离层闪烁监测仪的观测数据, 分别对GPS卫星信号强度用功率谱和短间距台链互相关性两种方法计算了3次闪烁事件电离层不规则体的漂移速度. 分析结果表明, 同一不规则体会引起两台站闪烁事件的同时发生, 两种方法测量不规则体漂移速度通常在50～160m/s之间, 平均大小均在120m/s左右, 且纬向漂移速度在闪烁初期起伏较明显, 速度随闪烁时间有下降的趋势, 夜间纬向漂移方向由西向东, 广州地区漂移速度特性符合低纬其他地区不规则体漂移速度特征, 两种计算方法合理有效.      

基于多种观测手段的东亚低纬电离层不规则体事件分析

利用海南台站（19.5°N,109.1°E,dip:13.6°N）和磁赤道区的多种地基和天基观测数据,对2011年11月20日观测到的电离层不规则体事件进行了分析.海南台站VHF雷达、电离层闪烁和数字测高仪的综合观测结果表明,当天日落附近发生了强的电离层不规则体事件,主要表现为雷达羽和强闪烁的形态.结合磁赤道区GPS和C/NOFS卫星观测结果进行分析可知,海南台站日落附近出现的雷达羽和强闪烁与南海磁赤道区产生的主等离子体泡存在明显联系.      

电离层TEC日落阶段涨落异常增强现象研究

重点报道了一种TEC信距测量的夜间抖动异常现象，分析了这种现象的观测特征，指出了夜间GPS伪距观测是的异常抖动，特别是日落后时段GPS伪距观测量的散开十分严重的乐是个别的偶然现象，在考察了周围环境之后初步排除了这种现象是由周围地物引起的可能性，而进一步与电离层不均匀体（Spread-F)的特征，特别是它发生率最大的地方时进行比较，认为这是一种电离层效应，由大尺度的电离层不规则结构造成的散射很可能是这种夜间散开的主要原因。本文仅就单站GPS观测资料认证了这种夜间强烈抖动的存在，分析了北京上空电离层中发生的不均匀体或各种扰动对GPS信号的可能影响及其观测特征，指出了夜间GPS伪距观测量的异常抖动，特别是日落后时段GPS伪距观测量的散开十分严重的现象，可以用于电离层不规则结构的研究。由于GPS设备比较简便，数据量大，精度高，适用于各种环境等特点，我们发展的单站数据分析方法可能会对研究电离层TEC夜间涨落异常增加现象，包括地域，时间上的统计特性比较有利。     

海南地区电离层不规则体纬向漂移速度的观测和研究

根据中国海南富克(19.3°N,109.1°E)三点GPS观测系统2007年3月至11月的观测数据,利用互相关方法分析了三站闪烁信号的时间延迟,得出了不规则体纬向漂移的基本特征.在中国海南地区,闪烁主要发生在春秋季节,夜间不规则体的纬向漂移速度以东向为主,大小在50～150 m/s之间;平均东向漂移速度随时间呈下降趋势.另外,在闪烁刚发生时,不规则体纬向速度起伏较大,这可能与不规则体的随机起伏以及等离子体泡产生时垂直速度较大有关.中国海南地区不规则体纬向漂移速度的这些基本特征与低纬其他地区的测量结果较为一致.     

Correlation of GPS signal fades due to ionospheric scintillation for aviation applications

Deep and frequent Global Positioning System (GPS) signal fading due to strong ionospheric scintillation is a major concern for GPS-guided aviation in equatorial areas during high solar activity. A GPS aviation receiver may lose carrier tracking lock under deep fading, and a lost channel cannot be used for position calculation until lock is reestablished. Hence, frequent loss of lock due to frequent fading can significantly reduce the availability of GPS aviation. However, the geometric diversity of the satellites can mitigate scintillation impact on GPS aviation depending on the correlation level of deep fades between satellites. This paper proposes a metric to measure the correlation level of two fading channels from the perspective of GPS aviation. Using this metric, the satellite-to-satellite correlation is studied based on real scintillation data. The low satellite-to-satellite correlation shown in this paper envisions notable availability benefit from the geometric diversity of satellites under strong scintillation. In addition, this paper proposes a way to generate correlated fading processes with arbitrary correlation coefficients. Using this correlated fading process model, the availability of Localizer Performance with Vertical guidance (LPV)-200 under severe scintillation scenarios is analyzed. The result emphasizes the importance of a fast reacquisition capability of an aviation receiver after a brief outage, which is not currently mandated by the aviation receiver performance standards.     

Investigation of ionospheric irregularities and scintillation using TEC at high latitude

The occurrence of ionospheric irregularities at high latitudes, with dimensions of several kms down to decameter scale size shows strong correlation with geomagnetic disturbance, season and solar activity. Transionospheric radio waves propagating through these irregularities experience rapid random fluctuations in phase and/or amplitude of the signal at the receiver, termed scintillation, which can degrade GNSS services. Thus, investigation and prediction of this scintillation effect is very important. To investigate such scintillation effects, a GISTM (GPS Ionospheric Scintillation and TEC Monitoring) NovAtel dual frequency (L1/L2) GPS receiver has been installed at Trondheim, Norway (63.41°$63.41°$ N, 10.4°$10.4°$ E), capable of collecting scintillation indices at a 1 min rate as well as the raw data (phase and intensity) of the satellite signals at a 50 Hz sampling rate and TEC (Total Electron Content) at a 1 Hz rate. Many researchers have reported that both phase and amplitude scintillation is closely associated with TEC fluctuations or associated with a significant developing enhancement or depletion in the TEC. In this study, a novel analogous phase index is developed which provides samples at a 1 min rate. Generally the scintillation indices can help in estimating the irregularity scintillation effect at a one minute rate, but such procedures are time consuming if DFTs of the phase and/or amplitude at a 50 Hz data are required. In this study, instead, this analogous phase index is estimated from 1 Hz rate TEC values obtained from the raw signals and is then compared for weak, moderate and strong scintillation at Trondheim for one year of data collected from the installed GPS receiver. The spectral index of the irregularities (that is the inverse power law of their spatial spectrum) is determined from the resultant phase scintillation psd. The correlations of the scintillation indices and spectral indices with the analogous phase index have been investigated under different geomagnetic conditions (represented by the Kp index) and an approximate linear correlation of phase scintillation with the analogous phase index was found. Then a principal advantage of this index is that it achieves this correlation without requiring a high sampling data rate and the need for DFTs. Thus, the index seems a good candidate for developing a simple means of ionospheric scintillation prediction which could also be utilized in the development of alerts using regional mappings.     

2006年12月13日太阳射电暴对GPS观测的影响

日地空间环境不仅影响航天器运行和安全, 也是导航、定位和通信等无线 电应用系统主要的误差源. 其中来自太阳L波段的射电暴被认为是全球导航卫星 系统(GNSS)稳定和性能的潜在威胁因素, 当L波段射电爆发达到一定阈值时, 将给用户带来不同程度的射电噪声干扰, 严重时会引起接收机失锁和定位服务 中断. 本文对2006年12月13日太阳射电暴对GPS造成的影响进行了研究, 利用太阳射电 观测数据、L波段闪烁观测数据和向阳面不同区域的GPS观测网数据, 分析 GPS观测对射电暴的响应. 结果表明, 此次事件对GPS观测产生了明显的影响, 射 电暴期间GPS发生幅度闪烁事件和明显失锁现象, 多个台站上空的多颗GPS 卫星 信号完全中断长达6min左右, 且多个台站上空锁定的卫星数目小于4颗, 使 得GPS定位完全失效. 相对而言, 射电暴期间日下点附近的GPS台站受到的影响 比远离日下点的大.