一种基于GNSS数据的全球电离层不规则结构活动表征方法

针对如何利用GNSS（Global Navigation Satellite System）数据进行电离层扰动监测的问题,提出了一种基于GNSS数据表征全球电离层扰动的方法。利用大约400个GNSS地面站点的观测数据,计算总电子含量（Total Electron Content,TEC）变化率的标准差——ROTI（Rate of TEC Index）。将该计算结果作为扰动观测量,在纬度与经度的网格上投影形成1 h分辨率的ROTI地图。ROTI地图能够体现几千米到几十千米的电离层不规则体,分析2015年3月期间电离层平静和扰动剧烈时ROTI地图发现,这种大尺度的不规则体主要分布在高纬和低纬区域,磁暴期间ROTI地图会出现数值和扰动面积上的变化,ROTI地图在一定程度上能够表现全球电离层不规则结构的扰动。在此基础上提出了新的全球ROTI扰动指数(Global ROTI index, GROTI),分析结果表明高纬区域的GROTI与地磁指数Kp及AE指数存在良好的相关性。

     

地基单站GNSS的电离层VTEC高精度解算方法

利用IGS提供的双频GNSS观测数据,分析了Kalman方法解算电离层垂直总电子含量（Vertical Total Electron Content,VTEC）存在的问题,提出了Kriging-Kalman改进解算方法,并对两种方法解算的电离层VTEC进行分析和比较.结果表明：在低纬地区,当观测卫星数量发生改变时,Kalman方法解算的VTEC存在跳变异常,Kriging-Kalman方法解算的VTEC变化较为平稳,不存在跳变现象.对比分析耀斑期间两种方法解算VTEC的变化,发现Kalman方法解算的VTEC变化明显小于耀斑引起VTEC的增量;Kriging-Kalman方法解算结果与实际变化相一致.表明Kriging-Kalman方法计算精度更高,能够更精确计算耀斑等剧烈异常空间天气活动期间的VTEC及其变化,有利于电离层VTEC日常精确监测、研究和工程应用.     

新乡上空电离层总电子含量的经验模式

基于电离层总电子含量与太阳活动性之间的线性相关关系,利用在新乡长期测量所得的电离层总电子含量的资料,得出了总电子含量的一种经验模式。     

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伪距观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伪距观测量的异常抖动,特别足日落后时段GPS伪距观测量的散开十分严重的现象不是个别的偶然现象.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.木文仪就单站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没备比较简便、数据量大、精度高、适用于各种环境等特点,我们发展的单站GPS数据分析方法可能会对研究电离层TEC夜问涨落异常增加现象,包括地域、时间上的统计特性比较有利.     

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.     

一次中等磁暴期间全球电离层TEC及ROTI指数变化分析

地磁暴发生时,电离层会有偏离平均水平的强烈扰动.基于全球电离层TEC及其时间变化率ROTI(Rate of TEC Index)数据,对2014年8月一次中等强度磁暴期间的全球电离层影响进行了分析,探讨了磁暴所引发电离层暴的可能机制.研究发现,本次磁暴伴随有明显的电离层暴效应.磁暴期间:南半球电离层以正相暴为主,北半球电离层暴则整体表现为短暂正相暴后长时间强的负相暴;电离层在北半球的下降比南半球强,并且这种下降持续了约一周时间;低纬区域电离层变化幅度明显小于中纬区域,高纬区域则主要表现为负暴效应;赤道北驼峰出现了明显的南移现象,直至磁赤道两侧双驼峰结构消失.对磁暴期间三个不同扇区的电离层ROTI变化的分析表明:欧洲-非洲扇区磁暴前有电离层闪烁发生,磁暴发生后消失,而东亚-澳大利亚及美洲扇区则无此现象出现.研究结果表明,此次磁暴期间的电离层变化存在明显的时间和空间差异.     

一次中等磁暴期间全球电离层TEC及ROTI指数变化分析

地磁暴发生时,电离层会有偏离平均水平的强烈扰动.基于全球电离层TEC及其时间变化率ROTI(Rate of TEC Index)数据,对2014年8月一次中等强度磁暴期间的全球电离层影响进行了分析,探讨了磁暴所引发电离层暴的可能机制.研究发现,本次磁暴伴随有明显的电离层暴效应.磁暴期间:南半球电离层以正相暴为主,北半球电离层暴则整体表现为短暂正相暴后长时间强的负相暴;电离层在北半球的下降比南半球强,并且这种下降持续了约一周时间;低纬区域电离层变化幅度明显小于中纬区域,高纬区域则主要表现为负暴效应;赤道北驼峰出现了明显的南移现象,直至磁赤道两侧双驼峰结构消失.对磁暴期间三个不同扇区的电离层ROTI变化的分析表明:欧洲-非洲扇区磁暴前有电离层闪烁发生,磁暴发生后消失,而东亚-澳大利亚及美洲扇区则无此现象出现.研究结果表明,此次磁暴期间的电离层变化存在明显的时间和空间差异.     

应用高频多普勒方法对耀斑期间电离层TEC变化的估算

通过分析前人对耀斑期间电离层各区域电子密度的变化情况,总结了一个应用耀斑期间的高频多普勒扰动记录估算出层总电子含量变化的方法,并应用这一方法计算了１９９０年３－６月几次耀斑引起的低电离层总电子含量的变化,同时还与各耀斑对应的最大流量密度进行了比较,并对两者之间的相关情况进行了分析。     

通过GPS测量数据研究电离层电子总含量的逐日变化

提出了一种直接通过双频GPS伪距测量数据导出接收站附近垂直TEC的方法,这种方法不需要事先知道卫星和接收机电路时延的精确值,前者可在换算过程中自洽地加以修正,而接收机时钟误差则利用IRI模式的夜晚平均值作为参考来订正,这一订正存在一定的绝对误差,但不会影响逐日相对变化,却使数据处理过程大为简化.得到的垂直TEC为天顶周围60锥角内的平均值,能够相当好地反映电离层电子总含量的周日变化.一个计算实例显示了连续三天北京地区TEC的日变化情况,证实了这一方法的实用性.文中还提出一个新概念或问题,即GPS卫星仰角很小时,通常认为多径效应造成大的误差,本文的一些实例似乎表明,这种多径效应的概念应当包括电离层不规则结构的贡献.     

2004年11月一次磁暴期间全球电离层TEC扰动分析

利用全球分布的GPS原始观测数据提取的电离层总电子含量(TEC)分析了2004年11月6日至12日期间全球电离层暴的形态特点与发展过程.结果表明,11月8日磁暴主相期间电离层暴以大范围的强烈正暴为主,在11月10日的恢复相,Dst又一次降到最低值前后期间,电离层再次受到很强的扰动,大范围的正暴和负暴交替出现.这次磁暴期间夏季半球的负暴更加强烈,反映出负暴偏向于在夏季半球发生的季节变化特点.另外,磁暴期间,夜晚TEC值普遍比磁暴前的平静期要低,具体是什么机制导致还需要进一步收集数据和分析.     

月球电离层掩星探测研究

日本SELENE/KAGUYA探测任务提供了研究月球电离层的机会。采用无线电掩星探测技术和趋势外推算法,消除地球电离层和行星际等离子体的干扰影响,残余的信号相位信息的变化反映了月球电离层的信息,估算出月球周围附近近似对称分布的稀薄电离层中电子总含量(TEC)约为每立方米10-14个。     

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.     

航星座自主运行平行系统的轨道计算方法

构建一个能够与实际卫星导航系统长期保持时空一致的平行系统,可为导航星座自主运行提供一个监视与评估平台。针对建设该平行系统所需的高逼真轨道计算问题,引入平行系统理论的思想,在分析历史精密轨道的基础上,提出高精度轨道计算与预报方法。该方法以不断更新的精密轨道作为输入,利用PID增量式算法或时变加权法进行数据平滑,使得轨道计算结果始终与实际系统保持高度一致性。试验结果表明,该方法可使卫星轨道计算的结果与实际卫星轨道长期保持在分米量级。     

航星座自主运行平行系统的轨道计算方法

构建一个能够与实际卫星导航系统长期保持时空一致的平行系统,可为导航星座自主运行提供一个监视与评估平台。针对建设该平行系统所需的高逼真轨道计算问题,引入平行系统理论的思想,在分析历史精密轨道的基础上,提出高精度轨道计算与预报方法。该方法以不断更新的精密轨道作为输入,利用PID增量式算法或时变加权法进行数据平滑,使得轨道计算结果始终与实际系统保持高度一致性。试验结果表明,该方法可使卫星轨道计算的结果与实际卫星轨道长期保持在分米量级。     

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.     

星载GNSS确定GEO卫星轨道的积分滤波方法

采用星载全球导航卫星系统（GNSS）确定地球静止轨道（GEO）,以解决目前应用星载全球定位系统(GPS)时导航卫星可见性差的问题。以风云卫星为例,分析了未来的GNSS相对于GEO卫星的可见性,针对GEO轨道上导航接收机采样间隔较长的问题,综合轨道积分和卡尔曼滤波方法的优点,提出了确定GEO卫星轨道的积分滤波方法。并利用STK软件仿真产生所需数据,用MATLAB对提出的算法编程并进行仿真验证,结果表明,提出的方法性能优越,定轨精度较高。     

卫星导航终端设备在真实卫星信号下的动态定位精度测试方法研究

卫星导航终端产品测试可分为室内模拟测试和实际信号测试,室内模拟测试信号与实际使用环境有较大差别,不能完全反映实际使用效果;而实际信号测试成本高,重复性较差。为了解决上述测试方法中的不足,本文提出了一种既可实现实际信号的采集,又可在相同环境下反复回放,进而能够高效完成导航终端产品实际使用性能测试方法。本方法基于全球导航卫星系统信号采集回放设备,搭建了包括测试车、实时动态差分基准站、实时动态差分流动站接收机、惯导单元、导航天线等设备的动态跑车测试系统,采集实际信号并在微波暗室中回放,以测试接收机的各项性能指标,为产品定型和性能比较提供参考依据。     

卫星导航终端设备在真实卫星信号下的动态定位精度测试方法研究

卫星导航终端产品测试可分为室内模拟测试和实际信号测试,室内模拟测试信号与实际使用环境有较大差别,不能完全反映实际使用效果;而实际信号测试成本高,重复性较差。为了解决上述测试方法中的不足,本文提出了一种既可实现实际信号的采集,又可在相同环境下反复回放,进而能够高效完成导航终端产品实际使用性能测试方法。本方法基于全球导航卫星系统信号采集回放设备,搭建了包括测试车、实时动态差分基准站、实时动态差分流动站接收机、惯导单元、导航天线等设备的动态跑车测试系统,采集实际信号并在微波暗室中回放,以测试接收机的各项性能指标,为产品定型和性能比较提供参考依据。     

高动态GPS/BD2组合导航信号模拟器关键技术研究

高动态组合导航信号模拟器是高动态组合导航接收机设计验证的高效平台。本文给出了高动态GPS/BD2组合导航信号模拟器关键部分架构和实现方案,重点阐述了高动态信号的产生方法、提高模拟器运算效率的三次样条插值算法、反SINC滤波器补偿方法和保证模拟器通道一致性措施。对这一信号模拟器所产生的GNSS信号进行了验证。