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卫星导航定位中电离层高阶项影响研究

李航  
【摘要】:电离层是距离地面上方约50至1000(有理论认为应扩展至2000)公里的高层大气,是由来自太阳辐射、宇宙射线和沉降粒子作用形成的等离子区域,是日地空间的重要组成部分,与人类的活动密切相关。电离层作为一种传播介质,对电磁波具有反射、折射、散射和吸收作用,其对无线电通讯、广播、雷达和卫星定位与导航等都具有重要的影响。随着全球卫星导航系统GNSS(Global Navigation Satellite System)技术在军事和民用领域的广泛应用,更高精度的定位技术和产品己经日趋成熟,这也对GNSS数据处理方法提出了更高的要求。电离层延迟一直是GNSS中一项重要的误差源,利用目前流行的双频无电离层组合观测值可以消除电离层一阶项带来的误差,但电离层高阶项误差并不能得到有效的消除,而在高精度数据处理中并不能将电离层高阶项直接忽略。估算并修正电离层高阶项对全球卫星导航系统GPS(Global Positioning System)、GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)、Galileo(Galileo Satellite System)和 BDS(Beidou Navigation Satellite System)在精密定位、卫星和接收机差分码偏差估算和建立电离层模型等应用中的影响,在高精度大地测量等领域的研究和应用中具有重要的价值和意义。在此背景下,本文基于全球分布的GNSS连续观测站数据,重点研究了电离层高阶项(主要是二阶项)在多模GNSS定位,以及GPS硬件延迟参数估算中的影响。本文的主要研究工作和成果有:(1)针对电离层二阶项对定位带来的影响,分别对GPS、GLONASS、Galileo和BDS四个目前主流的全球卫星导航系统建立模型,基于分布在全球范围内的35座连续观测站,估算了这些站点在利用多模信号进行定位时受到的电离层二阶项的影响。结果表明,电离层二阶项对多模GNSS定位的影响总体处于亚毫米到毫米级别的水平。忽略站点之间的差异,就不同的系统而言,电离层二阶项对这四个系统在水平方向上定位造成的平均影响分别为0.736、0.789、1.222和0.680 mm;在垂直方向上定位造成的平均影响分别为0.512、0.441、0.870和0.322 mm。无论在平面还是垂直方向上,Galileo受电离层二阶项的影响均为最大——是水平方向上受影响最小的GPS的1.66倍,垂直方向上受影响最小的BDS的2.70倍。对不同的导航系统而言,电离层二阶项对点位坐标解算的影响特征大致相同,具体表现为在北半球具有总体向北偏移的趋势,在南半球则相反,具有总体向南偏移的趋势;在垂直方向上,大多数站点均表现为向上偏移的趋势;且水平方向影响较大的区域一般处于亚太和北美地区。此外,电离层二阶项对GNSS定位的影响与天顶总电子含量呈现出很强的正相关的特性,并和VTEC一样,具有约为1天的周期,并可以判定电离层二阶项对GNSS定位影响的周期性变化,正是由于天顶总电子含量的周期性变化而引起的。(2)基于电离层二阶项对GPS定位带来的影响,解算并分析了电离层二阶项对南极地区的 12 座 IGS(International GNSS Service)跟踪站、7 座 POLENET(The Polar Earth Observing Network)跟踪站和2座由武汉大学中国南极测绘研究中心 CACSM(Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping)运行的 GPS跟踪站在2012年全年的定位影响。实验结果表明,对这21个测站而言,电离层二阶项对各个站点在时间域上的影响均呈现出相似的特性:在夏季较大,而冬季较小。忽略各站间差异,在东、北和垂直方向上,电离层二阶项对GPS定位影响的年平均值分别为0.175,-0.866和1.390mm;忽略各方向上的差异,分别以1月代表夏季,7月代表冬季,夏季受到的影响是冬季的5.3倍。如果在定位过程中仅考虑电离层一阶项,而忽略电离层二阶项的影响,最终的定位结果将呈现出整体向南和向上偏移的特性。将实验结果与南极地区天顶总电子含量进行对比和分析,发现各站点受电离层二阶项的影响在夏季较大、冬季较小,以及在10月份出现的异常衰减现象,均与同时期的南极地区天顶总电子含量的变化有着强烈的关联,印证了电离层二阶项对定位的影响与VTEC之间的强相关性。(3)提出了一种在估算GPS系统频间偏差时加入电离层二阶项影响的方法,对2012年3月实验区域内的3台GPS接收机和32颗GPS卫星的DCB进行了估算。结果表明,电离层二阶项的加入给GPS卫星和接收机频间偏差DCB估算带来的影响量级总体处于10-3~10-2ns量级;忽略卫星和接收机的差异,电离层二阶项影响的平均值为0.0044ns,标准差为0.0082 ns,将其乘以信号传播速度(这里以光速作为参考)为1.32±2.46mm。在估算DCB参数的同时也得到了实验区域电离层模型参数,发现电离层二阶项对该区域VTEC估算的影响量级在10-2TECU水平。同时,二阶项对DCB估值的影响还显示出了明显的随VTEC的周日变化而变化的特征。


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