基于单站地基GNSS的电波折射参数估计

【摘要】： 全球导航卫星系统(GNSS)不仅成功应用于测距、授时和导航等传统领域,而且在环境监测、大地测量、天文、气象等领域也得到广泛的应用。单站地基GNSS对电波折射参数的估计,由于操作简单、成本低、可移动性强以及精度高等优点,已成为当前国际研究的热点。本文以GNSS单点定位方法为出发点,围绕电波折射参数的高精度实时估计、实验验证和应用开展了相关研究。其主要研究成果如下: 第一、分析了单点定位的主要误差源和修正方法,主要包括卫星误差、接收机误差以及空间传播误差等。讨论了传统随机模型的特点,提出了基于新权矩阵的随机模型,并对比分析了上述两类模型的对流层天顶延迟估计结果。 第二、讨论了对流层天顶延迟的传统的Hopfield模型、Saastamoinen模型和MOPS模型以及探空方法在测量天顶延迟方面存在的局限性。在精密单点定位方法的基础之上,利用提出的随机模型,实现了单站地基GNSS对流层天顶延迟的估计。获得单站地基GPS与探空观测结果一致,与IGS产品中利用GIPSY软件计算精度相当的结果。 第三、研究了低仰角对流层斜延迟估计方法。分析了现有映射函数、经验模型和探空观测方法的局限性,提出了单站地基GNSS实时估计低仰角对流层斜延迟的方法。利用2008年8月期间实验数据,进行单站地基GPS低仰角对流层斜延迟估计,获得与探空实验一致的结果,优于传统模型估计结果。实现了单站地基GNSS对低仰角的对流层斜延迟的估计。 第四、研究了单站地基GNSS实时估计弯曲角。讨论了传统模型和探空折射率剖面计算弯曲角的方法,分析卫星信号的多普勒频移与弯曲角之间的关系,以及GNSS的多普勒观测值中的误差对计算弯曲角的影响。利用单站地基GNSS的数据和GNSS多普勒频移公式,对弯曲角的估计,获得与基于探空折射率剖面一致的结果,提出了单站地基GNSS实时估计弯曲角的方法。 第五、提出了基于单站地基GNSS实时反演折射率剖面方法,利用汕头地区十年的历史数据进行仿真,初步验证了此方法的可行性。在我国广东东南沿海地区开展了单站地基GPS的观测实验,利用低仰角斜延迟进行了大气剖面实时反演和数据分析,验证了此方法的可行性和有效性。