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（international GNSS monitoring & assessment system，iGMAS）发布的高精度电离层格网数据作为对照，对Klobuchar电离层模型误差进行计算和分析，结果发现在中纬度区域误差存在明显的周期性特征。为进一步提高Klobuchar电离层模型在中纬度区域的改正精度，建立了基于粒子群优化反向传播（back propagation，BP）神经网络的Klobuchar电离层误差预测模型,并以2019年10月的采样数据为例进行误差预测。结果表明，用该模型对中纬度区域电离层延迟提供误差补偿，可将精度提高到90%左右。     

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.      

基于北斗GEO卫星双频观测值连续监测电离层延迟

利用北斗GEO卫星观测数据直接计算电离层延迟。由于GEO卫星具有固定穿刺点和静地的特性,使得观测站监测电离层变化时可不考虑空间变化,并可进行连续不间断监测。通过分析北斗GEO卫星三种频率码伪距和载波相位观测值不同组合,选取B1&B2双频计算电离层延迟为最优组合,采用相位平滑伪距的方法计算电离层延迟TEC,相较其他电离层模型,该方法的优点是不会引入模型误差,可得到连续的高精度的电离层延迟监测结果。     

基于BDS/GPS和经验模型的区域电离层建模

基于北斗卫星导航系统（BDS）和全球定位系统（GPS）实测电离层穿刺点（IPP）数据，结合国际参考电离层（IRI）经验模型历史数据，提出一种对区域二维电离层总电子含量（TEC）进行高精度建模的方法.针对缺乏穿刺点的区域内短时间电离层建模时精度较低且各时段穿刺点空间分布不同的问题，该方法使用IRI模型在建模区域内均匀添加虚拟穿刺点数据，并根据与实测穿刺点的距离，使用构造的权重计算公式赋予其动态权重值，通过加权最小二乘法进行球谐模型参数解算.与欧洲定轨中心（CODE）发布的全球电离层图（GIM）进行数据比对发现，相对于只使用BDS/GPS实测穿刺点数据的建模方法，利用本文建模方法计算获得的垂直总电子含量（VTEC）值对缺乏实测穿刺点的区域精度有明显的提升.      

星载SAR电离层探测及误差补偿

工作于低频波段的星载合成孔径雷达（SAR）信号会受到电离层的显著影响，因此在系统设计时必须考虑相应的补偿方法。基于此，首先开展了适用于低频大宽带SAR模式的电离层影响评估研究，建立了基于勒让德展开的五阶误差分析模型，可有效解决传统模型各阶次耦合问题。其次，针对背景电离层色散问题，开展了基于双频自聚焦算法的补偿研究，利用ALOS PALSAR数据进行了半物理仿真验证，电离层反演精度优于04TECU，可有效提升图像聚焦质量；针对法拉第旋转角误差，利用ALOS PALSAR回波散射矩阵信息开展了补偿研究，结果显示，相比官网提供的补偿参数，误差可进一步降低27%。上述基于回波数据本身的补偿研究，可避免第三方数据精度差、分辨率低、需地面接收机、传播路径不一致等问题，同时降低了载荷成本。最后，结合SAR高分辨率特性，基于回波的电离层反演可有效提高现有电离层探测能力，开展了PALSAR 垂测仪联合反演电子密度研究，其结果比仅垂测仪数据精度普遍提高了30%以上。研究成果可为未来低频星载SAR的系统设计提供技术支撑。     

利用北斗观测数据实时监测中国区域电离层变化

北斗卫星导航信号采用三个频点工作,可以利用伪距双频组差方法解算电离层电子含量,为实时监视中国区域电离层变化提供新的技术手段.中国中低纬度处于电离层赤道异常变化区,在北纬20°±5°区域时常发生较大梯度的电离层变化.利用北斗实时多频伪距和相位观测数据,采用相位平滑伪距方法计算电离层穿刺点电子含量,分析通过北斗系统GEO卫星监测的电离层周日变化特性;采用多面函数方法拟合中国区域1°×1°分辨率的电离层延迟量,每5min绘制一幅中国区域电离层图,观测区域所有电离层穿刺点拟合残差RMS为2.778TECU;分析北斗系统实时监测中国区域电离层异常情况,当发生电离层异常变化时,相邻两天的VTEC（Vertical Total Electronic Content）峰值相差约60TECU.      

基于IRI背景场的单站电离层TEC地图重构技术

为了有效解决电离层TEC观测数据稀疏时重构问题, 引入IRI-2007作为背景场, 利用反距离加权法和克里格方法重构了电离层TEC地图, 使用交叉检验方法检验了引入背景场前后的重构精度. 结果表明, 引入背景场后, 一方面有效地控制了边缘地区的发散现象, 另一方面重构网格点上绝对误差在 -0.25~0.25 TECU之间的比例分别提高了约70 %和100 %, 误差统计基本呈正态分布. 可以通过引入更加精确的背景场或使用逐步订正方法进一步提高重构精度.      

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.      

一种电离层TEC格点预测模型

基于分析时间序列数据的门限控制单元（GRU）神经网络模型，利用电离层TEC网格点历史数据、太阳活动指数、地磁活动指数作为预测因子，提出一种高精度电离层TEC格点预测模型.对全球60个网格点的数据进行了模型预测和对比实验，得到北半球平均相对精度的均值为83.96%，高于南半球的73.60%，表明预测模型在北半球的适应性更好，且中低纬地区的适应性优于高纬地区；预测模型在磁扰动期的平均相对精度的均值比磁平静期平均相对精度的均值高，约1.95%；与基于递归神经网络（RNN）、长短时记忆网络（LSTM）和双向长短时记忆网络（Bi-LSTM）的电离层TEC单站预测模型相比，本文预测模型的均方根误差（RMSE）平均为原来的80.8%.      

自相关分析法用于电离层TEC的内插评估

基于2004年实测数据的统计分析,将自相关分析法用于电离层TEC的缺值内插,并进行精度评估.采用上海地区GPS综合应用网和中国地壳运动GPS监测网数据,解算成电离层垂直TEC,对缺值进行了时序内插及评估.结果表明,缺值段内的插值误差一般中间较大,两侧较小,插值误差远小于均方差.将自相关分析法内插结果与线性插值法、抛物线法、三次样条法内插结果进行对比,发现对于缺值较多、变化较复杂的缺值段,其插值精度有明显的提高.采用自相关方法进行内插后,有效减小了由于缺值而引起的局部跳跃变化,可以比较准确地研究TEC变化特性.      

等效地球半径法应用中的问题

为阐明等效地球半径法应用的范围和应用中应该注意的问题,从等效地球半径法的定义推导了等效地球半径模型与实际地球模型之间量的映射关系.给出并证明了等效过程中等效地球半径模型与实际地球模型下的射线高度、仰角、长度相等,而地心角在转换过程中约为3/4的映射关系.讨论了需要利用地心角映射关系进行计算时的两种情况,同时给出计算结果和误差分析.     

Evaluation and analysis on positioning performance of BDS/QZSS satellite navigation systems in Asian-Pacific region

By using the observation data and products of precise obit and clock offset from Multi-GNSS Experiment (MGEX) of the International GNSS Service (IGS) and GNSS Research Centre, Curtin University in this paper, the positioning performance of BDS/QZSS satellite navigation system has been analyzed and evaluated in aspects of the quantity of visible satellites, DOP value, multipath effect, signal-to-noise ratio, static PPP and kinematic PPP. The analysis results show that compared to BDS single system when the cutoff angle are 30°and 40°, the DOP value of BDS/QZSS combined system has decreased above 20%, and the quantity of visible satellites increased about 16–30% respectively, because of the improved spatial geometric configuration. The magnitude of satellite multipath effect of BDS system shows the trend of MEO?>?IGSO?>?GEO, which is consistent with that of QZSS satellite system, as the constellation structure of the two systems is similar. The variation tendencies of signal-to-noise ratio with respect to elevation angle of the two systems are almost the same at all frequencies, showing that at the same elevation angle the signal-to-noise ratio of MEO satellites is higher than that of IGSO satellites, as the higher obit is the lower transmitting power is obtained. For having a specially designed obit, the variation of signal-to-noise ratio of BDS system is more stable. However, the magnitude of signal-to-noise ratio of QZSS system appears the trend of frequency 3?>?frequency 2?>?frequency 1. The static PPP performance of the BDS/QZSS combination system has been improved more significantly than the BDS single system in E, N and U directions. When the cutoff angle are at 7°, 15° and 30°, the PPP accuracy is increased about 25–34% in U direction, 10–13% and 23–34% in E and N directions respectively. When the elevation angle is large (40°), compared to BDS single system at lower elevation angles (7° and 15°) the PPP accuracy of the BDS/QZSS combination system is improved above 30% in U direction. In kinematic PPP performance, compared to BDS single system, the accuracy, availability and reliability of the BDS/QZSS combination system has been improved too, especially at large elevation angles (30° and 40°), the kinematic PPP accuracy in E and U directions has been improved about 10–50%, and above 50% in U direction. It can be concluded that the combination with QZSS system can improve the positioning accuracy, reliability and stability of BDS system. In the future, with the improvement of the satellite construction of Japan’s QZSS system and the global networking of China’s BDS satellites, the QZSS satellites will contribute greatly to improve the positioning accuracy, reliability, availability and stability of GNSS systems in areas such as cities, mountains, densely-packed buildings and severely covered areas in Asian-Pacific region.     

Improving regional ionospheric TEC mapping based on RBF interpolation

Radial basis function (RBF) interpolation with multi-quadric is developed to perform ionospheric total electron content (TEC) mapping for the Chinese region between 15°N ~ 40°N and 100°E ~ 125°E. TEC measurements from the Centre for Orbit Determination in Europe (CODE) covering the solar maximum year 2011 are used to investigate the performance of the proposed RBF interpolation method. The differences between the RBF interpolated TEC and the CODE TEC are within 0.5 TECU and the root mean square error (RMSE) is very small when 49 data points are used. The maximum difference is ~5 TECU and the error is less than 1 TECU with 25 samples. Our study suggests that a random distribution of measurement points gives smaller RMSEs than a homogenous distribution when the number of sample points is low. The study indicates that RBF interpolation offers a powerful and reliable tool for ionospheric TEC mapping.     

利用TIE-GCM模式计算电离层电流及夜间电离层磁场

电离层电流产生的磁场是地磁场卫星测绘时需要剔除的干扰源.利用电离层热层模式TIE-GCM计算电离层中的中性风、重力驱动和压强梯度等形成的电离层电流的全球分布,分析电流在特定位置产生的磁场及磁场三分量随纬度的变化规律.结果表明,E层尤其是磁赤道和极区的电流密度较大,可达103nA·m-2量级,F层电流密度量级约为10nA·m-2.在磁静日（Kp≤ 1）夜间22:00LT-04:00LT,电离层电流在中低纬度（南北纬50°之间）产生的磁场量级为几个nT,且磁场的南北向分量和径向分量基本大于东西向分量.通过与CHAMP卫星磁测数据分析比较,发现TIE-GCM模式计算电离层干扰磁场在中低纬度可以取得较好的结果,但在高纬度地区的效果不理想,还需进一步改进模式以提高计算精度.      

星载单频GPS数据的电离层延迟改正方法分析

利用C/A码单点定位对LEO(Low Earth Orbit)卫星上的电离层延迟改正方法——"电离层比例因子法"进行了分析研究.计算的CHAMP卫星的轨道结果表明:采用电子密度峰值高度(hmF2,F2 region maximum electron density height)平均值和瞬时值计算的电离层比例因子α变化范围分别为0.3~0.4和0.2~0.65之间,两者最大差异可达0.3,相比较而言,hmF2瞬时值的结果更加合理,并且相应的大地高H方向的系统偏差要降低0.05~0.3m左右;与双频无电离层组合的普通单点定位结果相比表明该方法能较好地消除电离层一阶项所引入的H方向上的系统偏差;该方法适用的LEO卫星轨道高度范围大致在200~ 600km之间,当轨道高度超过700km时,该方法并不适用.     

The parameters of shock acoustic waves generated during rocket launches

We investigate the form and dynamics of shock acoustic waves (SAW) generated during the launching of rockets Proton and Soyuz from the Baikonur cosmodrome in 1998–2000. In spite of the difference of geophysical conditions, the ionospheric response for all launchings had the character of an N-wave with a period of about 300 s and with an amplitude far exceeding background fluctuations. The angle of elevation of the SAW wave vector varies from 30° to 65°, and the SAW phase velocity (800–1200 m/s) approaches the sound velocity at heights of the ionospheric F region maximum. The position of the SAW source, inferred by neglecting refraction corrections, corresponds to the segment of the rocket path at a distance no less than 700–900 km from the launch pad, which is consistent with the estimated delay time of SAW source triggering (250–300 s).     

基于遗传算法的航空发动机部件特性修正

研究了航空发动机部件特性修正技术,提出了一种基于变适应度函数的模型优化算法,以达到减小总体建模误差,提高模型精度的目的.在稳态模型的基础上,对引气系数、总压恢复系数和各部件的特性进行了修正,使修正后的模型输出与实验数据相一致.采用改进遗传算法,对交叉率和变异率进行了非线性自适应调整,并根据误差大小调整适应度加权系数,避免算法陷入局部最优,同时减小最大建模误差.仿真结果表明,修正后各实验参数平均误差从2.420 8%减小到0.321 7%,模型满足稳态误差小于2%的要求.      

不同太阳活动条件下电离层形态对估算GPS系统硬件延迟的影响

利用两个中纬度台站GPS观测数据提取的GPS卫星硬件延迟,分析了不同太阳活动情况下估算的硬件延迟稳定性和统计特征,结合同期电离层观测数据,研究了电离层状态对硬件延迟估算结果的影响.研究结果表明,基于太阳活动高年(2001年)GPS观测数据估算的硬件延迟稳定性要低于太阳活动低年GPS观测数据的估算结果,利用2001年GPS数据估算的卫星硬件延迟年标准偏差(RMS)平均值约为1TECU,而2009年GPS数据估算的卫星硬件延迟年标准偏差平均值约为0.8TECU.通过对2001年和2009年北京地区电离层F₂层最大电子密度(N_mF₂)变化性分析,结合GPS硬件延迟估算方法对电离层时空变化条件的要求,认为硬件延迟稳定性与太阳活动强度的联系是由不同太阳活动条件下电离层变化的强度差异引起的.      

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.