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电离层对雷达信号和导航卫星定位影响的分析与仿真研究

李建胜  
【摘要】:本文以电离层对雷达和导航卫星的影响分析与其效应仿真为目标,以电离层的时空特性和物理模式为基础,比较系统地开展了电离层对雷达和导航卫星的影响的一系列理论和技术问题研究,重点探讨了电离层对星载SAR成像的影响以及导航卫星的电离层时延改正的技术和方法。本文开展的主要工作和创新点如下: 1、电离层的时空特性可视化表达与分析。阐述了几种不同的电离层物理模式;全面总结了电离层模式计算和本文分析仿真中用到的时间和空间坐标系统,对不同时间系统的转换关系进行了详尽的阐述;利用电离层模式的计算结果通过二维图表和三维可视化表达分析了电离层的时空特性,实现了基于空间八叉树的电子密度存储与表达;可视化分析表明:电离层沿高度和纬度分布具有比较明显的特征。比对了电离层物理模式计算数据与实际观测数据的误差,比对结果表明电离层物理模式计算结果与实际观测结果差值80%左右都在6-10个TECU以内,而观测数据处理误差在2-9个TECU,这说明利用模式计算数据在研究常态电离层时具有比较好的参考价值。 2、电离层对雷达影响的分析与影响效应的仿真。详细推导了电离层对地基雷达测距、测角、测速、测高影响的理论公式;阐述了星载SAR的工作原理,分析了电离层对星载SAR无压缩方位向分辨率的影响,推导了电离层对星载SAR压缩信号方位向分辨率和距离向分辨率的影响;根据推导的理论公式对电离层色散展宽对星载SAR不同波段距离向分辨率的影响进行了数值仿真。仿真结果表明:电离层对X、C波段星载SAR的影响可忽略不计,对L波段的影响相对较小,对P及以下波段的影响则必须考虑。提出了一种定标分析电离层对雷达影像数据影响的方法,利用某地区不同天气条件的COSMO雷达数据和光学图像,对比分析了背景电离层以及电离层扰动对雷达成像的影响,初步试验结果表明:理论分析和实测结果一致,理论分析模型和结论是正确可靠的。 3、提出了一种顾及电离层效应的星载SAR轨道设计方法。简要介绍了轨道设计的基本理论和一般方法,根据前面的结论和一些文献的成果提出了一种顾及电离层效应的星载SAR轨道设计方法,可通过合理的轨道设计和轨道预报以减弱电离层对P波段甚至更低频段的影响;详细推导了星载SAR和地面点的几何关系,主要包括:距离、俯仰角、方位角以及它们的变化率;介绍了J2/J4和MSGP轨道递推和预报求解器,利用MSGP轨道递推和预报求解器和NORAD公布的两行根数实现了目前在轨星载SAR的可视化仿真。 4、分析和推导了电离层对导航系统的影响和改正方法,提出了一种时空关联的VTEC内插算法,重点分析了几个时间段电离层异常对GPS测量的影响。介绍了目前几种主要在轨运行的全球导航卫星定位系统(GPS、GLONASS、伽利略等)以及各自的时间和坐标参考系统、信号频率;实现了目前在轨导航卫星星座的可视化仿真;推导了GPS、伽利略三频观测改正电离层折射误差高阶项以及双频观测改正电离层折射误差一阶项的理论公式;总结了目前几种常用的单层电离层时延改正模型,在电离层时延改正模型计算输入参数的确定中,提出了一种利用小波分析和相关系数相结合预报太阳黑子或太阳射电流量的方法,分析了各种不同小波基的实验结果,从中优选了预报效果较好的小波基;在基于观测量的电离层时延改正中,分析了IGS网站提供的几种VTEC数据精度,并作了相互比对,从比对的结果来看,IGS网站提供的当天快速处理的数据精度即可用于单频电离层时延改正和其他用途;为提高网格数据的时间和空间分辨率,提出了一种基于时空关联的VTEC网格内插算法,通过内插数据和网站上提供的15分钟数据比对后发现,该内插算法具有较好的效果。分析了有无电离层时延改正对GPS观测数据精度的影响;利用IGS提供的2010年8月4日太阳风暴前后的数据和2011年3月11日日本大地震时的数据,分析了电离层扰动对GPS观测数据的影响。


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