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地基GNSS的区域电离层建模研究

付伟  
【摘要】:电离层延迟限制了单频接收机的定位精度,减缓了双频接收机单点定位的收敛速度,在卫星高度角较低时由此引起的测量误差可达数米甚至上百米,因此开展对电离层的建模研究,以减小测量定位误差有着重要的理论意义和实用价值。本文基于地基GNSS观测数据开展对区域电离层建模方法的深入研究,主要工作与成果如下:(1)建立区域电离层格网模型。基于多项式电离层模型利用GNSS观测数据分别建立2015年4月25日中国陆地区域(15°N~55°N,70°E~140°E)和2016年12月5日大洋洲区域(10°S~45°S,113° E~154°E)的电离层格网模型。(2)研究模型阶数、卫星高度角等因素对区域电离层建模精度、时间及模型改正率的影响以确定最佳建模策略。结果表明:在中国陆地区域增加模型阶数能够提高建模精度和改正率但运算时间增长,在该区域采用7*8阶模型建模最佳;增加卫星截止高度角能够减少建模时间并提高建模精度但模型改正率下降,当截止高度角设置为15°时建模最佳。在大洋洲区域增加模型阶数也能提高建模精度,但是模型改正率先增后减,其运算时间也同样增长,在该区域采用3*3阶模型建模最佳。根据最佳建模策略建立的两区域电离层格网模型结果表明:在中国陆地区域和大洋洲天顶方向总电子含量(VTEC)均呈现由高纬度到低纬度递增的分布规律;两区域的建模精度均呈现中间高边缘低的分布特征即多项式模型存在边际效应。(3)研究实测、CODE等外部数据对所建模型进行评估。根据插值函数计算GNSS检核站在所建模型下的VTEC与实测、CODE、IGS、JPL、中国地震局地震研究所发布的数据比较,以评估模型的外符合精度及可靠性。结果表明:所建模型与实测、CODE等发布数据基本一致且所建模型更接近于实测数据;在中国陆地区域所建模型与地震局、JPL相比具有较高的建模精度与改正率但略低于CODE;在大洋洲区域所建模型与CODE、IGS、JPL相比具有较高的建模精度与改正率。(4)研究基于GPS/GLONASS组合数据建立电离层格网模型并分析其建模精度及优缺点,以探索多源数据融合在电离层建模中的应用。结果表明:与GPS建模相比GPS/GLONASS组合建模能够更多的表达出电离层分布细节特征且在一定程度上削弱了模型的边际效应,但其建模精度和模型改正率均低于GPS所建模型。(5)提出一种基于小波神经网络改进多项式模型的建模方法。根据实测与模型参数计算实测与所建模型的VTEC差值,并利用小波神经网络预测建模区域格网点的VTEC差值,以实现建模方法的改进。结果表明:改进后的电离层模型能够提高模型改正率,使得大洋洲的检核站的平均改正率从91.44%提高到92.900%;改正后的模型能够更好的描述电离层空间分布细节并减小了多项式模型的边际效应。但改正后的模型破坏了原多项式模型的整体规律,使VTEC在变化区域出现不平滑的现象;另外小波神经网络对较大值的预测误差较大,因此该方法仅能在有限的范围内对多项式模型进行改进。


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