Improved model of ionosphere variability and study for long-term statistical characteristics

Ionospheric variability is influenced by many factors, such as solar radiation, neutral atmosphere composition, and geomagnetic disturbances. Mainly characterized by the total electron content (TEC) and electron density, the climatology of the ionosphere features temporal and spatial changes. Establishing a multivariant regression model helps substantially in better understanding the ionosphere characteristics and their long-term variability. In this paper, an improvement of the existing ionosphere multivariate linear fitting regression model is proposed and investigated using data from both the ionosonde and the global ionosphere map (GIM) derived from ground-based Global Navigation Satellite System (GNSS) observations. The proposed method gives more consideration to the impact of the solar activity and adds modeling of the annual periodic fluctuations and half-year periodic fluctuations for the F10.7 index. The improved model is verified to have a better correlation with the real observations and can help reduce the calculation uncertainty. Moreover, the proposed model is used to evaluate the fitting accuracy of the GIMs produced by five authorized data analysis centers from the International GNSS Service (IGS). The results show that there is a fixing hole in the North America region for the GIM model where the correlation between the GIM and the proposed model always returns lower values compared to other places.     

多模多频卫星导航系统码偏差统一定义与处理方法

精确处理和修正观测量偏差（OSB）是有效发挥多模多频优势,提升GNSS服务和应用效能的前提和基础，已成为国内外卫星导航高精度定位领域研究的热点问题之一。国际GNSS服务组织（IGS）和国际大地测量协会（IAG）专门成立了工作组推动相关工作。然而，目前有关观测量偏差处理的方法仍存在着定义不统一、求解不严密、使用不便捷等突出问题，给实时高精度定位应用带来诸多不利因素。针对此，首先阐述了中国科学院（CAS）电离层分析中心码偏差产品的定义、估计策略和使用方法，然后给出了部分精度评估和分析。结果表明：CAS、CODE和DLR发布的码偏差参数一致性优于0.30ns，CAS码偏差月稳定性优于0.15ns。相关工作对于推动多模多频GNSS在电离层监测、高精度定位和授时定时等领域的应用具有重要参考价值。     

基于非差模型的GPS卫星实时钟差估计精度分析

通过分析实时钟差估计的解算过程,实现了基于非差模型的GPS卫星实时钟差估计,利用区域和全球数据、最终和实时轨道分别求解实时钟差,并将其结果与IGS实时钟差产品进行对比,分析GPS卫星实时钟差产品的精度。算例表明:采用IGS最终轨道产品实时解算卫星钟差,平均钟差精度达到0.2ns;采用IGS实时轨道产品实时解算卫星钟差,平均钟差精度达到0.25ns;IGS实时钟差产品平均钟差精度达到0.2ns以内。实时估计的钟差和IGS实时钟差产品精度差异有很大一部分是由于双方采用的钟差解算策略不同造成的,IGS实时钟差产品和IGS实时轨道产品是同一软件求解得到,符合性更好,且两种实时钟差产品在精度评定时选择IGS最终钟差产品为参考,这对IGS实时钟差产品的评估也会有利。     

不同电离层模型对北斗共视的精度影响分析

GNSS共视时间传递已成为远程高精度时间同步的主要技术手段之一,我国自主研制的北斗导航系统已经服务于亚太地区,基于北斗共视进行高精度时间传递已成为我国时频领域的研究热点。为了提高导航系统定位精度,需降低或消除导航定位过程中的各类误差,其中电离层为影响北斗共视的主要误差。研究了常用的几种电离层修正算法,利用2014年7月份的观测数据分析不同电离层模型对北斗共视钟差的精度影响,给出了残差标准差和稳定度值。分析结果表明:经各种电离层修正后,钟差精度都有所提高,其中双频电离层修正最优,比VTEC格网模型和Klobuchar模型分别提高22%和30%。对于不同星座,GEO卫星计算的钟差修正后精度明显优于MEO、IGSO卫星。     

利用探空产品评估GNSS-PPP估计ZTD精度

无线探空测站可以提供高精度和高垂直分辨率的大气产品。为评估GNSS精密单点定位获得的天顶对流层延迟(ZTD)的精度,将无线探空产品获得的ZTD作为真值,选取中国地区4个IGS观测站及其附近的探空测站2014—2018年的数据进行试算和分析。针对两种产品空间分辨率不一致性问题,利用GNSS气象观测值来弥补探空测站与GNSS测站高程的不匹配。实验结果表明:GNSS气象观测能够较好地弥补探空测站与GNSS测站高程的不一致性;GNSS精密单点定位技术获取的ZTD与探空产品估算的ZTD差值的RMS值小于4cm。     

GNSS卫星钟差估计与结果分析

探讨了GNSS卫星钟差估计的基本原理、处理方法及数据处理中的一些关键技术,利用全球56个IGS跟踪站的观测数据进行钟差估计,比较分析了钟差产品的精度与定位性能。以GPS系统解算结果为例,其钟差产品与IGS最终精密卫星钟差符合较好,精度优于0.04ns(约0.012m),多系统钟差解算结果互差优于亚纳秒级。基于钟差产品进行精密单点定位解算试验,试验结果表明,在定位收敛之后,静态PPP在东、北、天3个方向上精度为0.0582m、0.0466m、0.1188m;动态PPP在东、北、天3个方向上精度为0.0671m、0.0640m、0.3200m。定位结果与IGS最终精密钟差解算结果符合较好,表明两者之间差异较小,进一步验证了解算得到的卫星钟差产品的定位性能。     

Global behavior of the equatorial anomaly since 1999 and effects on GPS signals

Tools to generate VTEC maps were developed. These maps have been used to study the global behavior of the equatorial anomaly since 1999 up to now, and its effects on GPS signal. The VTEC data for any place around the world is based on IONEX data. In this way, a quick annual behavior of the VTEC may be analyzed, and also compared to the VTEC behavior for different places and different years. Based on these data an electron density model taking into account radial as well latitudinal and longitudinal gradients were developed. This model was incorporated in a 3D ray-tracing program. Using this program it was possible to compare the STEC conversion to the VTEC. As expected the results show that the lower the elevation angles of the Satellite Vehicle, the greater the error in the VTEC estimation.     

GPS/GLONASS/GALILEO实时服务（RTS）产品性能评估分析

目前,不同机构提供的GNSS实时服务产品性能存在差异。为了全面揭示实时服务产品的性能，为系统服务和用户应用提供参考，统计了各实时服务产品的历元完整率及卫星数量，基于实时轨道和钟差恢复方法，比较分析了产品精度，并评估了产品定位性能。研究结果表明：正常情况下，实时服务产品的历元完整率较高，基本可保持在95%以上，所提供系统的卫星数量保持稳定且充足。对于GPS，各机构卫星实时轨道平均精度基本一致，约为3cm，实时钟差精度略有差别。对于其他GNSS，不同机构产品精度存在差别。利用实时服务产品进行GPS实时精密单点定位的平面精度优于10cm，高程精度优于20cm。相对于GPS单系统，多系统联合定位精度基本一致，但收敛速度明显提升。     

GNSS实时卫星钟差估计技术进展

不依赖实体基准站增强信息的GNSS实时精密单点定位服务将逐渐成为主流定位模式。实时卫星钟差产品作为实时精密单点定位的关键先决条件之一，其精度直接决定实时精密定位服务的性能。计算实时卫星钟差的GNSS实时卫星钟差估计技术成为实时精密定位的核心技术之一，其主要包括两种解算模式：非差解算模式和差分解算模式。由于对卫星模糊度等未知参数处理策略的不同，卫星钟差估计技术又可细分为非差、历元差分、星间差分、混合差分等策略类型。针对不同实时卫星钟差估计技术的原理方法、算法效率、适用性等问题，综合目前已有相关研究成果的基础上，对GNSS实时卫星钟差估计的研究现状、关键技术和面临的挑战进行了较为系统的总结综述，并对未来卫星钟差预报产品和实时估计产品的关系进行了展望。     

GNSS实时卫星钟差估计在地震监测中的应用

为快速、有效地获取地震发生阶段震源周边地区站点的动态位移,为地震预警系统提供高可靠性的地表形变信息,利用全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)高频观测数据,基于非差估计法对多模GNSS卫星钟差进行实时估计及性能分析,并将其应用于精密单点定位(precise point positioning, PPP)实时计算2021年漾濞M_w6.4地震和玛多M_w 7.4地震的地面动态形变。结果表明,GNSS四系统实时估计卫星钟差的标准差(standard deviation, STD)均值为0.142 ns,其多系统组合PPP动态解的平均标准差在水平方向达到0.5 cm,高程方向达到1.0 cm,计算得到的地震动态位移波形相对GPS单系统更为稳定,而且能够获得较为准确的同震形变。     

2018年阿拉斯加Mw7.9级地震同震电离层扰动研究

2018年1月23日，阿拉斯加湾科迪亚克岛东南部海域发生了Mw7.9级地震，这是由于太平洋板块浅层岩石圈内的走滑断层造成的。采用美国连续运行参考站（CORS）的GPS观测数据（采样间隔为15s），解算孕震区上空高精度的倾斜总电子含量（STEC），利用奇异谱分析（SSA）的方法提取电离层扰动信息，对阿拉斯加地震同震电离层扰动（CID）进行分析。结果表明，在震后1h内，STEC探测到了明显的“N”形波扰动，扰动振幅超过了0.16个总电子含量单位（TECU），持续时间近15min。CID传播速度为2.62km/s,在距震中600km的范围内传播，结合扰动信号频率，判断是由瑞利波向上传播至电离层引起的。由于受到地震破裂带和地磁场影响，CID传播具有明显的方向差异性，探测到的CID点主要位于震中西南方向。此外，在SWARM卫星的垂直总电子含量（VTEC）数据中发现，震发当天震中上空区域TEC明显减小。     

天象一号低轨导航增强系统研究与在轨试验验证

如何实现GNSS全球瞬时高精度服务一直是GNSS领域的迫切需求和研究热点.采用低轨导航增强技术体制,利用低轨卫星运动几何变化快的特点,解决GNSS精密单点定位快速收敛问题和性能提升问题,是GNSS高精度定位服务未来发展的重要方向.从全球瞬时高精度服务内涵出发,阐述了天象一号低轨导航增强试验系统的技术体制,包括系统工作模...     

Global Response of the Ionosphere to Atmospheric Tides Forced from Below: Recent Progress Based on Satellite Measurements

This paper provides an overview on the recent progress in studying the ionospheric response to atmospheric tides forced from below. The global spatial structure and temporal variability of the atmospheric temperature tides and their ionospheric responses are considered on the basis of modern satellite-board data (COSMIC and TIMED). The tidal waves from the two data sets have been extracted by one and the same data analysis method. The similarity between the lower thermospheric temperature tides and their ionospheric responses provides evidence for confirming the new paradigm of atmosphere-ionosphere coupling. This paper provides also new experimental results which give an explanation why the WN4 and partly WN3 longitude structures are so prominent pattern in the ionosphere. These results present evidence indicating that the WN4 (WN3) structure is not generated only by the DE3 (DE2) tide as it has been often assumed. The DE3 (DE2) tide remains the leading contributor, but the SPW4 and SE2 (SPW3, DW4 and SE1) waves have their effects as well in a way that the ionospheric response becomes almost double (1.5 time stronger). The paper presents also the global distribution and temporal variability of the sun-synchronous 24-h (DW1), 12-h (SW2) and 8-h (TW3) electron density oscillations. It has been shown that while the latitude and altitude structure of the ionospheric SW2 response is predominantly shaped by the migrating SW2 tide forced from below the DW1 response is mainly due to daily variability of the photo-ionization. The peculiar vertical structure of the ionospheric TW3 response, that shows downward/upward phase progression, calls for further study of the physical processes shaping this ionospheric response.     

面向Android智能终端的多模GNSS实时非差精密定位

Android操作系统中全球导航卫星系统(GNSS)原始数据的开放为大众高精度位置服务的应用带来了重要机遇。在对Android系统GNSS原始数据特性分析的基础上,利用智能终端GNSS原始数据实现了实时非差精密定位,研制了面向Android平台的实时精密单点定位(PPP)软件PPPAnd,并开展了实际环境下的定位测试。测试结果表明:基于Android终端GNSS原始数据的实时静态伪距单点定位精度(RMS)为1.16m(水平方向)和1.51m(垂直方向),较其自身位置速度和时间(PVT)解算结果分别提高了70%和76%;实时静态精密单点定位解算结果的精度(RMS)为0.62m(水平方向)和0.66m(垂直方向),较PVT结果分别提高了87%和82%,精度收敛至1m以内所需时间约8min,并且收敛后的精度可达亚米级;城市环境中车载实时动态精密单点定位的水平和垂直精度(RMS)分别约为1.32m和0.81m,较PVT结果分别提高了39%和65%。     

低成本GNSS终端中北斗三号多频观测的分析及应用CSCD

低成本消费级GNSS芯片相较于传统测绘级接收机在体积、功耗等方面具有突出优势,在未来无人驾驶、物联网等新兴应用领域具有极大潜力。然而当前低成本GNSS芯片的观测量存在非常严重的噪声和误差,为了改善观测质量,低成本芯片正逐渐从单频向多频过渡。首先调研了目前低成本GNSS接收机对多频信号的支持情况,然后介绍了北斗三号多频观测在电离层延迟和整周模糊度估计等方面的应用。通过对真实数据的采集和分析,针对当前原始观测量存在的诸多问题,提出了具体的预处理方案,并在此基础上开展了信号强度、电离层和模糊度实验。实验结果表明,基于华为Mate 40手机的低成本GNSS方案的北斗三频电离层延迟估计误差的均值为-2.97m,三频整周模糊度估计的成功率达93.8%,相较于单频整周模糊度估计的3.11%成功率有显著提升。     

基于SSR改正的实时精密单点定位精度分析

通过IGS分析中心实时播发的SSR(State Space Representation)信息修正广播星历轨道和钟差,使用扩展Kalman滤波数据处理方法仿真实时精密单点定位。结果表明:经过实时SSR修正后的广播星历钟差与IGS最终钟差产品相比,精度优于0.15ns。广播星历SSR修正的实时精密单点定位单天解ENU方向RMS优于20cm,其优于超快速预报星历的实时精密单点定位结果,低于基于IGS最终精密星历的动态精密单点定位精度。     

Feasibility study of autonomous orbit determination using only the crosslink range measurement for a combined navigation constellation

In order to expand the coverage area of satellite navigation systems, a combined navigation constellation which is formed by a global navigation constellation and a Lagrangian navigation constellation was studied. Only the crosslink range measurement was used to achieve long-term precise autonomous orbit determination for the combined navigation constellation, and the measurement model was derived. Simulations of 180 days based on the international global navigation satellite system(GNSS) service(IGS) ephemeris showed that the mentioned autonomous orbit determination method worked well in the Earth–Moon system. Statistical results were used to analyze the accuracy of autonomous orbit determination under the influences of different Lagrangian satellite constellations.     

顾及轨道误差的GNSS卫星钟差实时估计策略优化

为提高GNSS卫星钟差实时估计精度，针对GNSS各卫星系统的轨道差异，分析各系统卫星轨道误差对钟差估计的影响，基于距离函数线性化二阶残余项的思想，提出了一种顾及轨道误差的权函数模型，以优化实时卫星钟差估计策略。利用全球均匀分布的IGS和iGMAS跟踪站的实时观测数据进行实验，并与GBM的事后精密钟差进行对比分析。结果表明： GPS精度提高率为6.47%，BDS精度提高率为6.46%，GLONASS精度提高率为7.42%，Galileo精度提高率为7.62%。     

基于iGMAS的国家标准时间精密授时系统

UTC是国际标准时间.UTC(NTSC)是UTC的物理实现之一,是我国的国家标准时间,也是我国一切授时业务的基础.目前,广泛应用的GNSS授时精度可达10～50ns.随着现代信息社会的快速发展,数十纳秒的授时精度及事后处理的工作模式已无法满足需求.针对上述问题,设计了基于iGMAS的国家标准时间精密授时系统(PTS).PTS的基本原理为:服务端基于iGMAS平台生成实时轨道及以UTC(NTSC)为参考的实时卫星钟差,用户端结合实时产品及伪距、载波相位观测数据,解算本地钟与UTC(NTSC)偏差.此外,搭建了PTS原型系统并展开测试分析,测试结果显示,基于PTS原型系统,各用户站授时精度均优于1ns.与GNSS授时技术相比,PTS将授时精度提高了1～2个量级,且基于国家标准时间授时,成本低廉,易于实现,具有应用前景.     

基于相位平滑伪距的GNSS时差监测评估

随着全球卫星导航系统进一步的发展和完善,在系统层面上对各个GNSS进行实时时差监测是必要的。为了降低时差监测中伪距观测值的观测噪声及多径误差对时差监测的影响,采用相位平滑伪距的方法对伪距观测值的噪声及多径误差进行平滑,该方法可以实时地对伪距观测值进行处理,并且具有较好的平滑效果。利用平滑后的伪距观测值进行时差监测可以将时差监测值的标准差由2~4ns降低到1~3ns,噪声降低比率平均在20%以上。在与BIPM公布的时差数据相比,GPS-GLONASS实测值也具有较好的一致性,可以满足GNSS时差监测与预报的需求。