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GNSS电离层建模方法与质量控制研究

刘长建  
【摘要】:GNSS因其全球监测、不间断服务、测量精度高等优点,除了导航定位主要功能外,通过GNSS观测值来研究电离层,也一直受到多个学科的重视。利用GNSS研究电离层的意义,一方面可为监测和研究电离层活动及其所反映的太阳活动规律提供有效途径,另一方面又可反过来用于改善GNSS用户特别是单频用户的实时导航定位精度。通常的研究手段就是采用数学模型化技术对电离层总电子含量进行重构。由于涉及众多的误差源,实际重构中仍有许多尚待深入研究和完善的环节。本文从建模方法的改进和建模质量的提高入手,主要工作和创新点有: 1.就周跳探测的成功率和误判率,对常用非差周跳探测方法进行了较深入的再研究,结果表明,单独的Melbourne-Wübbena方法或Geometry-Free方法除了盲点还有不足,但二者相结合优势互补非常明显,在一定的假设前提下,可以达到百分之百的成功率;指出了Blewitt方法的最小二乘实质以及用验后估计精度制定检测区间的平差自由度问题。 2.分析了周跳修复不准问题;从有偏还是无偏的角度重新推导了单频和双频相位平滑伪距的表达式,重点关注了后者全协方差矩阵的获取问题;比较了四种基本GNSS电离层组合观测值的特性,从数据处理的严密性和建模结果的可靠性,提出了一种新的电离层观测值使用方案;编制了非差相位观测值周跳探测等相关软件,用于提取电离层双频码组合观测值和双频相位组合观测值。 3.简明推导了顾及电离层高阶项改正、几何路径弯曲差改正、TEC(Total Electronic Content)路径弯曲差改正的非差相位观测值和电离层相位组合观测值中电离层部分的精密表达式;利用现有模型研究了三种改正在电离层相位组合观测值中的量级,结果表明,高精度电离层绝对VTEC(Vertical Total Electronic Content)建模中,电离层二阶项改正一般应该顾及,其他项改正则可视电离层实际活动情况而定。 4.推导和给出了IPP(Ionospheric Pierce Point)坐标严密计算公式;研究了三种近似公式所引起的IPP坐标误差规律,结果表明,近似公式可能会造成一定的IPP坐标系统误差,但并非常数系统偏差;研究了星历误差和测站坐标误差对IPP坐标的影响,不利情况下(高纬度站且小高度角),100m测站坐标分量误差(1倍均方差)造成的IPP最大纬度误差、点位误差约20″左右,经度误差约33'左右,而相同情况下星历误差造成的影响仅约1/10,但近似公式造成的相应影响要大得多;从理论和实用角度阐述了高精度电离层建模中使用严密公式的必要性。 5.对全球单站电离层监测区及IPP分布规律进行了系统的研究:地固系下,单站电离层监测区随高度限制角的增大迅速减小,就GPS星座而言,IPP分布都存在“明显空洞”现象;日固系下,单站电离层展开窗实为不同时刻地固系下观测窗的球面展开,展开后,“明显空洞”现象消失,赤道附近监测站展开窗内IPP分布最均匀,更有助于提高电离层建模结果的可靠性和精度。 6.归纳了电离层模型数学统一表达的两种形式,指出了模型系数究竟该如何选取这一实际中的共性问题;介绍了GNSS电离层建模的基本原理;总结了评定电离层模型质量的三种标准,并推导了外符合精度评估标准的严密公式。 7.编制了日固系下针对两类基本GNSS电离层组合观测值的一般多项式建模软件IONSP4和IONSL4,在全球单站电离层建模的实践中,就不同测站、不同观测值、不同随机模型、不同时段、不同坐标系等多种情况进行了详细的比较和归纳。 8.提出了筛选主卫星法建模,提高了短时段内码组合硬件延迟偏差参数、相位模糊度组合硬件延迟偏差参数求解的稳定性。 9.提出了滑动窗口法建模,较好地解决了分时段建模时VTEC的不连续问题和精度极不均匀问题。 10.提出了模型系数优选法建模,为模型中系数该如何选取提供了一种解决方法。 11.提出了利用电离层相位组合观测值约束码组合观测值的约束法建模,给出了两种约束方案:变距离约束和等距离约束,与使用相位平滑伪距不同,约束法建模可以顾及较严格的随机模型,既能提高码组合观测值建模的精度又不失其可靠性。 12.编制了具有综合优点的自适应滑动窗口优选法建模软件IAMWOP4、IAMWOL4、IAMWOLP4,通过对不同位置IGS站数据的处理,验证了软件的可行性,为今后更深入的研究及应用奠定了基础。


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