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GNSS导航电离层模型精化研究

刘宸  
【摘要】:随着全球卫星导航系统的发展,导航定位精度的要求也越来越高,作为导航定位主要误差源之一的电离层延迟误差也得到了广泛关注和深入研究。本文针对导航电离层模型精化的现状,深入研究了模型修正中的映射函数和薄层高度等因素的影响,全面探索了长时间序列GIMs(Global Ionospheric Maps)在模型精化方面的应用,总结提出了Klobuchar-like电离层修正模型,比较分析了不同模型在导航定位中的应用效果。论文主要工作和创新点如下:1、总结了现有的电离层映射函数,进行了广播星历映射函数、投影映射函数、几何映射函数和椭球映射函数等映射函数对导航精度影响的实验,结果表明不同电离层映射函数对导航解精度的影响差异较小,但在不同太阳活动时期差异不同;分析了电离层薄层高度的时空变化规律,提出了以应用中的STEC(Slant Total Electron Content)差异对电离层模型进行精度评估的方法,通过实验分析得出了电离层薄层高度变化对电离层穿刺点位置、投影映射函数值、电离层建模结果、电离层模型精化结果和电离层模型精度评估结果的影响较大。2、提出了基于EMD(Empirical Mode Decomposition)的数据定量分析方法,基于IGS(International GNSS Service)提供的全球电离层格网数据定量分析了全球夜间平均VTEC(Vertical Total Electron Content),结果较好地反映和预测了全球电离层夜间平均VTEC的变化趋势;给出了空中点日照长度的真太阳时求解法、平太阳时求解法和近似平太阳时求解法,利用Klobuchar的精化模型提取了电离层的日变化周期,并研究了电离层日变化周期与日照时长的相关性。3、提出了电离层格网地图的拼接方法和基于GIMs的全球电离层VTEC/RMS特征值的计算方法,就提取的VTEC最大值和RMS最大值对IGS提供的长时间序列电离层格网产品的数据质量进行了分析;计算了2005年以来每天的全球VTEC和RMS特征值,统计分析了最值的时空分布,研究了特征值与太阳活动的相关性,验证了IGS电离层产品的一些合理性,为利用VTEC进行相关建模和推广GIMs的应用提供了参考。4、指出了Klobuchar模型在GPS、BDS中应用的异同,概括了Klobuchar模型参数精化和模型精化方面的研究进展;利用GIMs数据分析了电离层VTEC夜变化和日变化的时空特点,讨论了经典Klobuchar模型在描述电离层时空特点方面存在的不足;最后总结提出了Klobuchar-like电离层修正模型。5、给出了Klobuchar-like模型参数的最小二乘估计和抗差估计拟合方法;针对抗差估计中IGGⅢ等价权函数在0?k处不平滑的现象,提出了两种新的改进方案,充分利用了0?k附近的可利用信息;进行了初始权相等和不相等的最小二乘估计以及不同权因子下的抗差估计实验,结果表明当观测数据含粗差或不含粗差时,初始权相等的抗差估计均能得到较好的结果。6、利用不同太阳活动时期不同季节的GIMs数据,分别建立了适用于单站、区域和全球的Klobuchar-like模型、14参数Klobuchar模型、8参数Klobuchar模型,Klobuchar-like电离层模型单站、区域、全球的偏差、RMS和修正率等方面均优于其他的模型,表明了所给Klobuchar-like模型的优越性;提出了利用标准单点定位技术评价电离层模型的方法,通过不同太阳活动时期不同季节的标准单点定位实验,得出了Klobuchar-like模型、14参数Klobuchar模型、8参数Klobuchar模型、GPS Klobuchar模型、无电离层模型的平均三维定位精度依次为2.69米、2.87米、3.02米、3.45米、5.40米,表明了Klobuchar-like电离层模型的有效性。


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