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利用地基GNSS数据实时监测电离层延迟理论与方法研究

作　者: 耿长江
导　师: 施闯；章红平
学　校: 武汉大学
专　业: 大地测量学与测量工程
关键词: 实时电离层延迟模型球谐函数 Kalman滤波电离层层析
分类号: TN967.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

电离层延迟对单频导航用户影响巨大,而导航系统自身提供的电离层延迟改正方法如Klobuchar模型其改正效果有限,难以实现高精度的定位结果。当前主要的实时精密电离层延迟改正方法是通过建立一个区域或者全球的跟踪站网络,利用实时的观测数据建立电离层模型,从而为区域内单频终端用户提供电离层延迟改正信息。本文主要开展函数基的区域、全球实时电离层延迟模型研究。选择函数基电离层延迟模型的原因在于,相对于基于函数基的电离层延迟模型而言,格网模型的参数个数与电离层格网数目相关,格网数目的增加会给数据播发系统和用户带来一定的数据链路上的负担；另外用户获取格网点电离层延迟后需要内插获取用户位置电离层延迟信息,所以其改正精度同时受格网分辨率和内插精度的影响。对于具体的实现方法,本文采用了附加约束条件的Kalman滤波对球谐函数模型参数和测站卫星硬件延迟偏差进行实时估计。由于球谐函数模型既可用于建立区域电离层模型又可用于建立全球电离层模型,这样本文的方法就提供了一种实现区域、全球实时电离层延迟模型的途径。另外,针对二维电离层延迟模型建立在电离层单层假设基础之上,忽略了电子密度在垂直方向的变化,导致单层高度和投影函数等因素都会对其精度造成影响的问题,本文中实现了基于经验正交函数的实时三维电离层算法,并通过实验证明了这种方法在欧洲区域可以获得优于二维电离层延迟模型的精度。具体说来,本文的研究内容主要包括：1.归纳和分析了利用球谐函数进行二维电离层延迟模型化的方法和估计策略,将数据预处理、投影函数和详细的处理策略统一到IGS及其处理中心CODE的标准下,实现了全球、区域高精度电离层延迟和卫星、测站硬件延迟偏差的精确估计,通过与CODE产品以及Jason-1电离层数据长时间的比较证明,本文的结果己达到CODE电离层产品的精度；2.实现了利用Kalman滤波结合球谐函数实现全球、区域实时电离层延迟建模的方法,同时利用附加约束的Kalman滤波实现了卫星、测站硬件延迟偏差的实时估计。通过全球模拟实时数据进行实验并将结果与IGS产品以及后处理结果进行比较,证明此种方法可以提供区域或者全球高精度的实时电离层延迟以及卫星、测站硬件延迟偏差结果；3.在深入研究了电离层层析的理论和方法的基础上,利用基于经验正交函数的三维层析算法,并结合Kalman滤波实现了时变三维层析算法,通过区域网观测数据进行实验,通过与二维球谐函数电离层延迟模型的比较说明了这种方法在中高地磁纬度地区可以获得优于二维球谐函数模型,而在低地磁纬度地区的表现则有待于进一步改进；4.基于以上理论研究实现了一套实时电离层延迟估计软件系统。讨论了在实时数据处理中需要考虑的问题和解决办法。利用国内的实时GNSS观测数据,并通过实测数据验证和单频数据定位证明了本软件提供的格网点电离层延迟改正信息可以实现亚米级单频定位精度。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
图索引  12-15
表索引  15-16
缩略词  16-17
第一章绪论  17-26
  1.1 引言  17-18
  1.2 国内外研究现状  18-23
    1.2.1 二维电离层模型  19-20
    1.2.2 电离层层析  20-22
    1.2.3 电离层同化  22-23
  1.3 本文主要的研究目标及研究内容  23-26
    1.3.1 研究目标  23-24
    1.3.2 研究内容  24-26
第二章地基GNSS监测电离层原理  26-41
  2.1 电离层变化特性  26-28
  2.2 电离层模型分类  28-29
    2.2.1 经验模型  28-29
    2.2.2 理论模型  29
  2.3 电离层模型的坐标系统  29-33
    2.3.1 地磁日固坐标系  29-31
    2.3.2 磁力线坐标系  31-33
  2.4 电离层对无线电信号的影响  33-35
  2.5 利用GNSS数据获取电离层延迟信息的方法  35-38
  2.6 硬件延迟偏差的影响及其处理方法  38-40
    2.6.1 硬件延迟偏差种类  38-39
    2.6.2 硬件延迟偏差的处理方法  39-40
  2.7 本章小结  40-41
第三章利用球谐函数建立二维电离层延迟模型的方法  41-65
  3.1 单层模型假设  41-43
    3.1.1 投影函数  41-42
    3.1.2 穿刺点计算  42-43
  3.2 二维模型方法分类  43-45
    3.2.1 函数基模型方法  44
    3.2.2 格网模型方法  44-45
  3.3 二维电离层模型的构建  45-46
  3.4 估计策略  46-48
    3.4.1 分段常数  46-47
    3.4.2 分段线性  47-48
  3.5 区域模型结果  48-53
    3.5.1 估计策略对结果的影响  49-51
    3.5.2 卫星和测站接收机硬件延迟偏差精度分析  51-53
  3.6 全球模型结果  53-63
    3.6.1 VTEC与CODE结果的比较  53-56
    3.6.2 VTEC与Jason-1数据的比较  56-58
    3.6.3 硬件延迟偏差与IGS分析中心的比较  58-60
    3.6.4 更长时间的比较  60-62
    3.6.5 全球电离层时空分布  62-63
  3.7 本章小结  63-65
第四章结合Kalman滤波与球谐函数的实时电离层延迟模型方法  65-88
  4.1 实时电离层延迟估计方法  65-67
    4.1.1 Kalman滤波形式的选择  65-66
    4.1.2 约束条件的使用  66-67
  4.2 随机模型  67-68
    4.2.1 一阶高斯—马尔科夫过程  67-68
    4.2.2 随机游走  68
  4.3 区域模型结果  68-76
    4.3.1 随机模型及其先验信息对模型精度影响  68-70
    4.3.2 滤波结果与分段线性结果的比较  70-71
    4.3.3 模型的有效覆盖范围  71-76
  4.4 全球模型结果  76-83
    4.4.1 全球电离层的实时监测  77-80
    4.4.2 硬件延迟偏差单天解的结果  80-83
  4.5 太阳活动对模型精度的影响  83-86
  4.6 本章小结  86-88
第五章基于经验正交函数的时变三维层析方法  88-101
  5.1 三维层析的方法  88-90
    5.1.1 基于格网的层析算法  89
    5.1.2 基于函数基的层析算法  89-90
  5.2 基于经验正交函数的三维层析模型  90-91
  5.3 经验正交函数的获取  91-93
  5.4 模型系数的求解  93
  5.5 实验分析  93-100
    5.5.1 欧洲区域实验结果  94-97
    5.5.2 中国区域实验结果  97-99
    5.5.3 影响模型精度的因素  99-100
  5.6 本章小结  100-101
第六章实时二维电离层延迟模型在"广域实时精密定位与示范系统"中的应用  101-115
  6.1 广域实时精密定位系统简介  101-103
  6.2 实时电离层延迟信息服务  103-106
    6.2.1 数据流程  104-105
    6.2.2 覆盖范围和信息格式  105-106
  6.3 实时数据处理的关键问题  106-108
    6.3.1 数据预处理  107-108
    6.3.2 数据丢失造成的模型参数的抖动  108
  6.4 用户电离层改正算法  108-109
    6.4.1 根据用户穿刺点位置选取格网点  108-109
    6.4.2 格网电离层延迟的内插方法  109
  6.5 实测数据验证  109-112
  6.6 定位精度测试  112-114
  6.7 本章小结  114-115
第七章结论与展望  115-117
  7.1 论文总结  115-116
  7.2 进一步研究计划  116-117
参考文献  117-124
博士研究生阶段发表的论文和参与的项目  124-125
致谢  125-126

利用地基GNSS数据实时监测电离层延迟理论与方法研究

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