【摘要】：電離層是距離地面上方約50至1000(有理論認(rèn)為應(yīng)擴(kuò)展至2000)公里的高層大氣,是由來自太陽輻射、宇宙射線和沉降粒子作用形成的等離子區(qū)域,是日地空間的重要組成部分,與人類的活動密切相關(guān)。電離層作為一種傳播介質(zhì),對電磁波具有反射、折射、散射和吸收作用,其對無線電通訊、廣播、雷達(dá)和衛(wèi)星定位與導(dǎo)航等都具有重要的影響。隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS(Global Navigation Satellite System)技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,更高精度的定位技術(shù)和產(chǎn)品己經(jīng)日趨成熟,這也對GNSS數(shù)據(jù)處理方法提出了更高的要求。電離層延遲一直是GNSS中一項(xiàng)重要的誤差源,利用目前流行的雙頻無電離層組合觀測值可以消除電離層一階項(xiàng)帶來的誤差,但電離層高階項(xiàng)誤差并不能得到有效的消除,而在高精度數(shù)據(jù)處理中并不能將電離層高階項(xiàng)直接忽略。估算并修正電離層高階項(xiàng)對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)、GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)、Galileo(Galileo Satellite System)和 BDS(Beidou Navigation Satellite System)在精密定位、衛(wèi)星和接收機(jī)差分碼偏差估算和建立電離層模型等應(yīng)用中的影響,在高精度大地測量等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用中具有重要的價(jià)值和意義。在此背景下,本文基于全球分布的GNSS連續(xù)觀測站數(shù)據(jù),重點(diǎn)研究了電離層高階項(xiàng)(主要是二階項(xiàng))在多模GNSS定位,以及GPS硬件延遲參數(shù)估算中的影響。本文的主要研究工作和成果有:(1)針對電離層二階項(xiàng)對定位帶來的影響,分別對GPS、GLONASS、Galileo和BDS四個(gè)目前主流的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建立模型,基于分布在全球范圍內(nèi)的35座連續(xù)觀測站,估算了這些站點(diǎn)在利用多模信號進(jìn)行定位時(shí)受到的電離層二階項(xiàng)的影響。結(jié)果表明,電離層二階項(xiàng)對多模GNSS定位的影響總體處于亞毫米到毫米級別的水平。忽略站點(diǎn)之間的差異,就不同的系統(tǒng)而言,電離層二階項(xiàng)對這四個(gè)系統(tǒng)在水平方向上定位造成的平均影響分別為0.736、0.789、1.222和0.680 mm;在垂直方向上定位造成的平均影響分別為0.512、0.441、0.870和0.322 mm。無論在平面還是垂直方向上,Galileo受電離層二階項(xiàng)的影響均為最大——是水平方向上受影響最小的GPS的1.66倍,垂直方向上受影響最小的BDS的2.70倍。對不同的導(dǎo)航系統(tǒng)而言,電離層二階項(xiàng)對點(diǎn)位坐標(biāo)解算的影響特征大致相同,具體表現(xiàn)為在北半球具有總體向北偏移的趨勢,在南半球則相反,具有總體向南偏移的趨勢;在垂直方向上,大多數(shù)站點(diǎn)均表現(xiàn)為向上偏移的趨勢;且水平方向影響較大的區(qū)域一般處于亞太和北美地區(qū)。此外,電離層二階項(xiàng)對GNSS定位的影響與天頂總電子含量呈現(xiàn)出很強(qiáng)的正相關(guān)的特性,并和VTEC一樣,具有約為1天的周期,并可以判定電離層二階項(xiàng)對GNSS定位影響的周期性變化,正是由于天頂總電子含量的周期性變化而引起的。(2)基于電離層二階項(xiàng)對GPS定位帶來的影響,解算并分析了電離層二階項(xiàng)對南極地區(qū)的 12 座 IGS(International GNSS Service)跟蹤站、7 座 POLENET(The Polar Earth Observing Network)跟蹤站和2座由武漢大學(xué)中國南極測繪研究中心 CACSM(Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping)運(yùn)行的 GPS跟蹤站在2012年全年的定位影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對這21個(gè)測站而言,電離層二階項(xiàng)對各個(gè)站點(diǎn)在時(shí)間域上的影響均呈現(xiàn)出相似的特性:在夏季較大,而冬季較小。忽略各站間差異,在東、北和垂直方向上,電離層二階項(xiàng)對GPS定位影響的年平均值分別為0.175,-0.866和1.390mm;忽略各方向上的差異,分別以1月代表夏季,7月代表冬季,夏季受到的影響是冬季的5.3倍。如果在定位過程中僅考慮電離層一階項(xiàng),而忽略電離層二階項(xiàng)的影響,最終的定位結(jié)果將呈現(xiàn)出整體向南和向上偏移的特性。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與南極地區(qū)天頂總電子含量進(jìn)行對比和分析,發(fā)現(xiàn)各站點(diǎn)受電離層二階項(xiàng)的影響在夏季較大、冬季較小,以及在10月份出現(xiàn)的異常衰減現(xiàn)象,均與同時(shí)期的南極地區(qū)天頂總電子含量的變化有著強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián),印證了電離層二階項(xiàng)對定位的影響與VTEC之間的強(qiáng)相關(guān)性。(3)提出了一種在估算GPS系統(tǒng)頻間偏差時(shí)加入電離層二階項(xiàng)影響的方法,對2012年3月實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的3臺GPS接收機(jī)和32顆GPS衛(wèi)星的DCB進(jìn)行了估算。結(jié)果表明,電離層二階項(xiàng)的加入給GPS衛(wèi)星和接收機(jī)頻間偏差DCB估算帶來的影響量級總體處于10-3～10-2ns量級;忽略衛(wèi)星和接收機(jī)的差異,電離層二階項(xiàng)影響的平均值為0.0044ns,標(biāo)準(zhǔn)差為0.0082 ns,將其乘以信號傳播速度(這里以光速作為參考)為1.32±2.46mm。在估算DCB參數(shù)的同時(shí)也得到了實(shí)驗(yàn)區(qū)域電離層模型參數(shù),發(fā)現(xiàn)電離層二階項(xiàng)對該區(qū)域VTEC估算的影響量級在10-2TECU水平。同時(shí),二階項(xiàng)對DCB估值的影響還顯示出了明顯的隨VTEC的周日變化而變化的特征。
【圖文】：

高度而發(fā)生變化，因此電離層中的電子密度分布也必然會呈現(xiàn)出與所處高度密切逡逑相關(guān)的特性。大量研宄（例如歐吉坤，１９９４；邋Ｋｌｏｂｕｃｈａｒ，１９９６；熊年祿，１９９９）逡逑中均顯示，電離層電子密度在垂直方向上具有分層分布的特性，如圖２－２所示。逡逑９逡逑

Ｔｉｍｅ邋（ｙｅａｒｓ）逡逑Ｓ１ＬＳＯ邋ｇｒａｐｈｉｃｓ邋（ｈｔｔｐ：／／ｓｉｄｃ．ｂｅ／ｓｉｌｓｏ）邋Ｒｏｙａｌ邋Ｏｂｓｅｒｖａｔｏｒｙ邋ｏｆ邋Ｂｅｌｇｉｕｍ邋２０１８邋Ｍａｒｃｈ邋１逡逑圖２－１迄今為止最近的６個(gè)太陽周期中太陽表面的黑子數(shù)量。數(shù)據(jù)來源于比利時(shí)逡逑皇家天文臺發(fā)布的太陽黑子數(shù)據(jù)網(wǎng)站（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｉｄｃ．ｂｅ／ｓｉｌｓｏ／ｈｏｍｅ）0逡逑２．２．電離層的基本特性逡逑２．２．１．邐電離層的分層特性逡逑電離層中的電子密度隨著高度的變化而發(fā)生改變，從邏輯上分析，電子密度逡逑必然從地面由零上升至某一高度而達(dá)到最大值，然后隨著高度的升高而逐漸減小逡逑至零（星際空間）。實(shí)際上，由于大氣密度、成分和太陽輻射量等因素均會隨著逡逑高度而發(fā)生變化，因此電離層中的電子密度分布也必然會呈現(xiàn)出與所處高度密切逡逑相關(guān)的特性。大量研宄（例如歐吉坤，，１９９４；邋Ｋｌｏｂｕｃｈａｒ，１９９６；熊年祿，１９９９）逡逑中均顯示，電離層電子密度在垂直方向上具有分層分布的特性，如圖２－２所示。逡逑９逡逑
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P228.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2660509