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.      

基于北斗双星的被动定位算法研究

针对我国现有北斗双星定位系统主动定位存在的问题,提出了一种被动定位算法.该算法根据两颗同步卫星、用户配备的原子钟、高程设备等获得卫星到用户的时间及高程信息,首先将北斗系统的工作区域划分为若干网格,定义了费用函数.然后计算各网格的费用,将具有最小费用的网格及邻域作为下一次搜索的区域,再将该子区域进一步网格化后计算费用函数,经过多次迭代后就可将当前搜索的网格中心作为用户所在位置.最后用电子地图对三维搜索算法可行性进行了仿真,仿真考虑了网格划分方法和电离层误差对结果的影响.结果表明,该算法运算速度快,并且具有较高的定位精度,对现有北斗双星主动定位系统是一种可行的改进算法.      

北斗三号系统广域差分服务精度评估

为了保证北斗系统广域差分服务的平稳过渡，北斗三号系统（BDS-3）通过GEO卫星B1I/B3I信号播发北斗二号协议广域差分改正信息，包括等效钟差改正数与格网点电离层信息。分析了增加BDS-3卫星后，等效钟差改正数和格网点电离层信息的特征，并对BDS-2和BDS-3的用户差分距离误差（UDRE）进行了对比。联合BDS-2和BDS-3实测数据，对BDS-3广域差分服务定位精度进行了评估。分析结果表明:BDS-2卫星广播星历空间信号用户等效距离误差（UERE）约为1 m，经过等效钟差改正数后，用户差分距离误差约为0.3 m；BDS-3卫星广播星历空间信号用户等效距离误差约为0.4 m，经过等效钟差改正数后，用户差分距离误差约为0.2 m。等效钟差改正数可以修正广播电文更新带来的空间信号阶跃误差，显著提升卫星空间信号精度。与基本导航系统播发的Klobuchar 8模型，广域差分系统所播发的格网点电离层信息可将电离层误差修正精度提高约18%。与单独BDS-2卫星相比，BDS-2/BDS-3卫星联合条件下，基本导航的单频用户和双频用户定位精度可分别提升26%和41%；广域差分服务的单频用户定位精度为2.4 m，双频用户定位精度为1.7 m，单频用户和双频用户定位精度分别提升13%和41%。      

北斗系统UERE及定位精度评估

用户测距误差（URE）与用户设备误差（UEE）是影响定位精度的主要因素.民航是北斗系统的高端用户,监测其对民航机场的覆盖性和服务性能十分必要.本文根据华东、华南、华北、西北地区4个民航机场观测站的北斗实测数据,分析了各机场卫星的可见性.根据URE的解算方法、电离层修正模型、对流层修正模型以及定位精度的评估方法,给出了对应的性能评估结果.研究发现:可见星数均在6～14颗,满足定位要求; 95%置信度下,电离层延迟优于7.50m,对流层延迟优于13.28m,地球静止轨道卫星（GEO）、倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）、中圆轨道卫星（MEO）卫星的URE值分别优于2.36m,1.72m,2.59m,满足北斗规范的要求;95%置信度下,定位精度水平方向优于3.63m,垂直方向优于6.98m.结果表明北斗系统在民航机场监测站的覆盖性及服务性能良好.      

北斗D2导航电文解析和完好性性能分析

为评估北斗D2导航电文对系统空间信号完好性影响，对D2导航电文结构和内容进行研究。首先，通过基本导航信息的解析，给出了确定卫星位置和用户位置过程所需的信息和时间，并对受卫星星历和时钟影响的用户测距误差做了说明，介绍了电离层误差、对流层误差改正模型。然后，通过增强服务信息的解析，论述了完好性信息（RURA、UDRE）及格网电离层延迟的计算方法。最后给出了使用完好性信息、用户局部误差获取用户定位误差保护级的算法。     

利用RDSS系统测量数据提取电离层TEC参数的研究

提出了一种基于无线测定卫星业务(RDSS)系统观测数据提取电离层TEC参数的方法,利用此方法计算分析了2006年5月地面中心地区电离层垂向TEC的日变化趋势.研究结果表明,利用RDSS系统观测数据提取的电离层垂向TEC,在北京时间每日凌晨0400时左右达到最小值,在午后1400时左右达到最大值,符合电离层TEC参数受太阳活动影响较大的物理规律.结果说明研究方法是可行且有效的,文章还对可能存在的误差进行了探讨.      

WAAS电离层延迟网格校正中的用户算法研究

从广域增强系统WAAS中对电离层延迟的网格校正算法出发,分析了用户基于网格校正的电离层校正算法,阐明了核算法的原理并详细推导了计算公式和计算过程.     

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.      

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。     

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。     

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.      

Analysis and improvement of ionospheric thin shell model used in SBAS for China region

The most frequently used mapping function for converting slant total electron content (STEC) to vertical total electron content (VTEC) uses a simplified ionospheric single layer model in satellite based augmentation system (SBAS). Aiming at ionospheric single layer model altitude variation, we analyzed the statistical characteristic of mapping function in systemic approach particular for the region of China, and then experimental mapping function was proposed. The experimental mapping function is used in SBAS ionospheric correction and the precision of vertical correction is compared with standard mapping function. The results show that conversion factor errors depend on latitude, time and elevation, experimental mapping function is helpful to the vertical TEC estimation and may improve the precision of SBAS ionospheric refraction correction especially for the low latitude region of China.     

45°(N)纬度带的Klobuchar like电离层延迟季节修正模型与评估

电离层延迟是全球卫星导航系统（GNSS）的主要误差源之一。对于装配GNSS单频接收机的航空器,选择简单有效的Klobuchar广播电离层模型来改正电离层延迟误差,其修正率为50%～60%。针对45°（N）纬度带,提出了更高电离层修正需求。考虑到季节因素对中高纬度地区电离层的显著影响,利用GIMs（Global Ionospheric Maps）分析了昼夜中TEC（Total Electron Content）的峰值和谷值随季节（年积日）的变化,建立了一种适用于45°（N）纬度带的Klobuchar like电离层模型。该模型不增加广播模型系数,新模型的夜间和VTEC高峰时电离层修正率分别达到了82%和80%,表明在穿刺点集中的45°(N)纬度地区使用该模型可以更精确地描述该地区的电离层,帮助航空器实现更高精度的定位。     

中国区域电离层异常数据野值检测

针对中国区域连续运行参考站接收机野值会干扰星基增强系统（SBAS）电离层异常事件提取的问题，提出了一种基于电离层垂直延迟时间梯度的野值检测方法。首先，介绍了电离层延迟数据的提取方法；然后，论述了依据野值和电离层异常的不同时空相关特性进行野值检测的方法，并用单双频定位误差结果验证了野值检测的正确性；最后，对检测结果进行了分析。结果表明:该方法可有效区分野值和电离层异常；在中国大陆构造环境监测网络200多个参考站中，野值检测所剔除的参考站数目在3~10个，对电离层穿透点空间分布的影响在可接受范围内。      

Evaluation of COMPASS ionospheric model in GNSS positioning

As important products of GNSS navigation message, ionospheric delay model parameters are broadcasted for single-frequency users to improve their positioning accuracy. GPS provides daily Klobuchar ionospheric model parameters based on geomagnetic reference frame, while the regional satellite navigation system of China’s COMPASS broadcasts an eight-parameter ionospheric model, COMPASS Ionospheric Model(CIM), which was generated by processing data from continuous monitoring stations, with updating the parameters every 2 h. To evaluate its performance, CIM predictions are compared to ionospheric delay measurements, along with GPS positioning accuracy comparisons. Real observed data analysis indicates that CIM provides higher correction precision in middle-latitude regions, but relatively lower correction precision for low-latitude regions where the ionosphere has much higher variability. CIM errors for some users show a common bias for in-coming COMPASS signals from different satellites, and hence ionospheric model errors are somehow translated into the receivers’ clock error estimation. In addition, the CIM from the China regional monitoring network are further evaluated for global ionospheric corrections. Results show that in the Northern Hemisphere areas including Asia, Europe and North America, the three-dimensional positioning accuracy using the CIM for ionospheric delay corrections is improved by 7.8%–35.3% when compared to GPS single-frequency positioning ionospheric delay corrections using the Klobuchar model. However, the positioning accuracy in the Southern Hemisphere is degraded due apparently to the lack of monitoring stations there.     

SHAKING: Adjusted spherical harmonics adding KrigING method for near real-time ionospheric modeling with multi-GNSS observations

Precise positioning based on Global Navigation Satellite System (GNSS) technique requires high accuracy ionospheric total electron content (TEC) correction models to account for the ionospheric path delay errors. We present an adjusted Spherical Harmonics Adding KrigING method (SHAKING) approach for regional ionospheric vertical TEC (VTEC) modeling in real time. In the proposed SHAKING method, the VTEC information over the sparse observation data area is extrapolated by the Adjusted Spherical Harmonic (ASH) function, and the boundary distortion in regional VTEC modeling is corrected by the stochastic VTEC estimated using Kriging interpolation. Using real-time GPS, GLONASS and BDS-2/3 data streams of the Crust Movement Observation Network of China (CMONOC), the SHAKING-based regional ionospheric VTEC maps are re-constructed over China and its boundary regions. Compared to GNSS VTECs derived from the independent stations, the quality of SHAKING solution improves by 13–31% and 6–33% with respect to the ASH-only solution during high and low geomagnetic periods, respectively. Compared to the inverse distance weighting (IDW) generated result, significant quality improved of SHAKING-based VTEC maps is also observed, especially over the edge areas with an improvement of 60–80%. Overall, the proposed SHAKING method exhibits notable advantage over the existing regional VTEC modeling techniques, which can be used for regional TEC modeling and associated high-precision positioning applications.     

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。      

三频信标高精度TEC测量新方法

电子总含量(TEC)是电离层探测的主要参量之一, 作为层析(CT)的输入参量, TEC测量精度直接影响电离层CT成像的结果. 过去主要采用双频信标测量TEC, 由于相位积分常数的求解、系统硬件延迟等误差, 使得TEC测量结果不能满足电离层CT高精度重建成像的要求. 三频相干信标技术的出现, 使得电离层天基测量技术有了新的发展. 提出了基于三频信标的传播时延-相位联合测量反演TEC的方法, 融合三频信标在电子密度随机起伏探测和相位积分常数计算两方面的优势, 进一步提高了TEC的测量精度. 模拟结果显示利用此方法的三频信标TEC测量结果提高了电离层CT的精度.