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基于双频GNSS信号的电离层延迟模型的研究

梁秀娟  
【摘要】:全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的迅速发展带动了很多热门的交叉学科,GNSS气象学就是其中之一,是近年来兴起的利用GNSS卫星进行大气探测的一门重要学科。在这个应用领域中,GNSS卫星主要用来探测对流层中的水汽含量和电离层中的电子密度等,是天气预报和气候监测的一个重要工具。GNSS卫星的这一强项缘于卫星信号在大气中传播时产生的延迟,大气中的各种参量信息就包含在这延迟中。但同时也因为这个延迟,GNSS最重要的导航定位精度会大打折扣。因此,确定大气延迟成了解决各种问题的关键。准确测定大气延迟,会获得更高的导航定位精度和更多的大气参量信息,而对大气结构了解的越深刻,大气延迟也就可以越精确的测量。如此互相促进,可推动定位技术和大气测量技术共同快速发展。作为大气延迟主要组成的电离层延迟便是本文的重点研究和分析对象。 文章首先从基本折射理论和电离层的色散效应出发,推导出电离层延迟与电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)、卫星信号频率的关系。为方便研究,对电离层作简化处理,建立电离层单层模型代替真实电离层,由此引入垂直总电子含量(Vertical Total Electron Content,VTEC)和投影函数,得到VTEC与双频GNSS信号的解算关系,为建立基于双频GNSS信号的电离层延迟模型提供了理论前提。数据则由GPS双频接收机来提供,文中介绍了其使用方法及在建立VTEC电离层延迟模型中的应用情况。 其次对目前常用的几种电离层延迟模型进行了介绍及比较,通过对这些模型的基础理论、函数形式、特点、应用情况等的研究分析,结合课题研究条件,为单站局部区域性观测,选择了VTEC多项式函数模型作为课题实验的对象。 最后详细介绍了建立VTEC多项式函数模型的方法和实验过程。利用GPS双频接收机进行实地连续观测来获取相关数据,并对数据进行处理分析,得出VTEC进而建立多项式函数模型。对观测地区哈尔滨工业大学科学园天顶区域的VTEC昼间变化总结了一些规律,实现了该区域的电离层延迟模型建立,并对模型的精度和适用性进行了分析和说明,得出了一些有意义的结果。


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