多系统GNSS高精度电离层建模和差分码偏差估计

发布时间：2020-03-30 14:39

【摘要】：电离层作为空间大气的重要组成部分,对无线电传播和航空航天等相关活动都有着重大的影响。作为GNSS导航定位中的主要误差源之一,电离层延迟严重制约了 GNSS单频用户的定位精度。同时,由于电离层色散特性的存在,使得利用地面GNSS双频观测值监测电离层成为可能。与传统的电离层监测技术相比,GNSS具有反演精度高、覆盖范围广、全天候连续观测等优势。基于GNSS的电离层探测技术已经成为当前电离层领域的研究热点。尽管国内外学者在GNSS电离层监测领域作了大量的研究,建立了 GNSS电离层建模的基本理论,并实现了电离层产品的日常发布。但是,目前GNSS电离层产品的精度仍有待进一步提升。此外,差分码偏差(DCB)作为电离层观测值中不可忽略的偏差项,其数值可以达到几十纳秒。在GNSS高精度定轨、定位、授时等数据处理中,也必须进行DCB改正。随着近年来BDS和Galileo系统的快速发展,多系统GNSS DCB参数的精确估计显得日益重要。目前可用的DCB产品仍多局限于GPS和GLONASS系统。针对当前多系统GNSS的应用需求,开展多系统GNSS电离层建模和DCB参数精确估计的研究有较重要的意义。本文旨在研究多系统GNSS高精度电离层建模和DCB估计相关理论方法,力求为全球导航定位用户提供高精度高可靠性的GNSS全球电离层和DCB产品。围绕该核心目标,本文评估了不同电离层观测值提取方法和多系统GNSS融合对电离层建模的贡献,并基于IGS小时更新观测文件生成近实时电离层产品。实现了 GPS、GLONASS、BDS和Galileo系统DCB参数的精确估计,结合GLONASS和BDS卫星的特性对其DCB参数进行了分析。论文的主要工作和结论如下:(1)系统总结了 GNSS电离层建模和DCB估计中存在的问题,介绍了相关的基本原理和方法。从GNSS基础观测方程出发,详细推导了不同电离层观测值提取方法。总结了 GNSS电离层建模中较常用的投影函数和拟合模型。推导了多系统GNSS DCB估计的具体方法,并给出了 DCB参数的精度评价指标。(2)分析了多系统GNSS观测值融合和PPP固定解电离层观测值提取方法对电离层建模的贡献。利用全球IGS/MGEX网的观测数据实现单GPS、GPS+GLONASS、GPS+BDS、GPA+GLONASS+Galileo 以及GPS+GLONASS+BDS+Galileo五种组合模式的全球电离层建模,并对不同组合模式生成的电离层产品进行对比分析。结果表明,不同观测值组合生成的电离层产品间偏差值基本在1 TECU以内,多系统GNSS观测值对当前全球电离层建模的贡献不明显。PPP固定解与传统相位平滑伪距电离层观测值提取方法相比,其对全球电离层建模的贡献不明显。但采用区域网内插时,PPP固定解比相位滑伪距的电离层产品精度高约0.5 TECU。单频PPP的结果表明,采用PPP固定解改正电离层延迟比相位平滑伪距方法在E、N、U方向的定位精度提升分别接近30%、36.4%和 37.5%。(3)针对实时GNSS导航定位用户,利用IGS小时更新的观测文件生成了近实时全球电离层产品。该近实时产品与CODE电离层产品在全球大部分区域的偏差小于2 TECU,统计偏差的均值和STD分别在4 TECU和6 TECU以内。以CODE电离层产品为参考,近实时电离层产品与事后产品的偏差基本相当。对三种电离层产品进行单频PPP的结果表明,近实时产品与事后产品精度基本相当,比CODE事后电离层产品略差。(4)实现了 GPS、GLONASS、BDS和Galileo四系统DCB参数的精确估计,并对估计的多系统DCB产品进行了评估。实验结果表明:估计的DCB产品与DLR和IGG的产品符合得较好,三个机构GPS、GLONASS、BDS和Galileo卫星DCB的偏差分别在0.2 ns、0.5 ns、0.2 ns和0.2 ns以内。在DCB参数的稳定性方面,本文估计的GPS、GLONASS、BDS和Galileo卫星DCB的STD分别小于 0.05 ns、0.14 ns、0.11 ns 和 0.15 ns,比 DLR 和 IGGDCB 产品的 STD 略小。(5)针对GLONASS卫星信号采用频分多址编码方式,提出一种顾及GLONASS频间偏差的DCB估计方法,并评估其频间偏差对DCB估计的影响。结果表明:不顾及GLONASS频间偏差进行DCB估计时,其观测值残差出现与频率通道相关的系统误差,而顾及GLONASS频间偏差的DCB估计方法能消除该系统误差。将顾及和忽略频间偏差估计的DCB参数作差,得到不同频率通道上DCB偏差的最大值达到7ns。同时,基于MGEX和iGMAS网的观测数据对BDS2和BDS3卫星DCB间的系统偏差进行了分析。结果表明:对于MGEX/iGMAS同一网内接收机,BDS2和BDS3卫星DCB间不存在明显的系统偏差,而对于网间接收机BDS2和BDS3卫星DCB间出现了明显的系统偏差。
【图文】：

典型分布,垂直方向,太阳辐射,函数符

距离地面６０至９０邋ｋｍ，是电离层中的稀薄层，其浓度为１０２？１的产生主要受太阳辐射活动的影响，最大电子密度通常出强的时间，随着太阳辐射的减弱，夜间Ｄ层通常会消失。一度一般大于冬季。太阳活动高年的电子浓度可以达到太阳活距离地面９０至１４０邋ｋｍ，是中等浓度的分子离子（以ＮＯ＋，０为１０３？１０５／ｃｍ３。与理论的Ｃｈａｐｍａｎ函数符合的相当好，

示意图,电离层,单层,薄层

相应的数值计算也比较复杂，常用于电离层层析。本文主要基于单层假设进行电逡逑离层建模，因此着重对该假设进行介绍。逡逑如图２．２所示，单层模型可以表示为：逡逑电Ｓ层皋层逦／逡逑，逦Ｈ逦芽刺，，爸逡逑揆枚机逦／Ｐ逡逑：７、逡逑0邋［／ａ逡逑图２．２电离层单层假设示意图逡逑图中，Ｗ表示电离层薄层高度（通常为电离层电子密度峰值处，位于３５０？４５０逡逑ｋｍ之间）；／？表示地球半径；Ｐ为接收机和卫星之间连线与电离层的交点，被称逡逑为电离层穿刺点（Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ邋Ｐｉｅｒｃｅ邋Ｐｏｉｎｔ，邋ＩＰＰ）；邋ｚ为接收机位置的卫星天顶距；逡逑Ｙ为电离层穿刺点处的卫星天顶距。单层假设简化了电离层结构，便于描述二维逡逑空间电离层电子密度的分布规律。逡逑２．３．２电离层投影函数逡逑基于电离层单层假设，需要利用特定的投影函数将卫星信号方向的斜延迟观逡逑测值投影到垂直方向
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P228.4

【参考文献】