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基于kalman滤波的近实时电离层TEC监测与反演

李慧茹  
【摘要】:电离层是近地空间环境的重要组成部分,电离层的研究可以促进人们认识日地空间系统的整体行为,进而更好地为人类的空间活动服务,因此电离层的研究具有重要的意义。近年来,随着人类空间活动和卫星通讯系统的增多,对电离层各种变化特征及规律(尤其是时空变化)的监测和反演的需求也越来越强烈。 目前,利用GPS解算电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)已经成为监测电离层活动的主要技术,而国内外大大小小不同尺度、密度的连续运行GPS观测站网为电离层的局域、区域、全球特性研究提供了平台。国际GNSS服务中心(InternationalGNSS Service,IGS)从1998年开始提供每天的全球电离层TEC分布图(Global IonosphereMap,缩写为GIM),但是IGS各数据处理中心发布的电离层IONEX文件在时间和空间上的分辨率都不高,由于在中国范围内IGS的观测站数目不多,因此它的精度也不理想,并且IONEX文件并不是GPS特定的格式,它是非GPS用户使用IGS电离层产品的一种接口。因此通过建立一个区域的GPS观测站网,利用实时的GPS电离层观测数据建立电离层模型,监测、现报/预报电离层活动,可以为区域内单频GPS用户提供电离层延迟改正信息。本文正是基于这一背景,在西安地区选取4个GPS双频观测站网,采用kalman滤波对电离层的时空变化实时监测,并且选择地质统计学中常用的kriging方法重构了西安区域电离层TEC地图。 本文的主要研究工作和成果如下: 1.系统研究了GIPSY (GNSS-Inferred Positioning System)中周跳探测与修复的Turboedit算法,在此基础上对TurboEdit方法的周跳探测条件进行分析,对于该方法中每一历元之前的所有宽巷模糊度整体求平均的方法,采用滑动平均的方法替代,同时在电离层残差组合中,采用了相邻历元的载波相位电离层残差组合求差的方法,从而避免引入观测噪声较大的伪距电离层残差组合。实验表明:改进后的TurboEdit法对于发生在观测数据质量不好的周跳、Turboedit法的探测盲点以及频繁周跳的探测能力都有所提高。 2.进行倾斜路径电离层实时提取时,利用伪距提取的TEC P修正载波相位提取TEC的方法,实例结果表明:修正后的电离层TEC与伪距提取的倾斜路径电离层TECP吻合较好,能够反映出的伪距观测提取电离层TEC P的趋势走向,但是修正后的电离层TEC数据更加平滑、集中;采用切比雪夫(Chebyshev)多项式对GPS卫星轨道进行拟合内插;计算了电离层穿刺点的位置坐标。 3.采用Kalman滤波估计出每个观测历元的电离层模型系数以及测站和卫星的硬件延迟,达到了实时监测电离层活动的目的。将GPS观测数据直接解算的电离层TEC与kalman滤波算法处理后的垂直TEC进行比较,结果表明:kalman滤波解算的电离层垂直TEC能够实时反映电离层TEC的活动变化。 4.采用Kriging方法对西安区域电离层TEC地图进行了重构,并通过CODE分析中心提供的最终TEC产品对本文解算结果进行了验证,结果表明本文解算结果与CODE的结果基本相当。


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