發(fā)布時間：2020-05-12 16:28

【摘要】：電離層是距離地面上方約50至1000(有理論認為應擴展至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。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、雷達和衛(wèi)星定位與導航等都具有重要的影響。隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)GNSS(Global Navigation Satellite System)技術在軍事和民用領域的廣泛應用,更高精度的定位技術和產(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帶來的誤差,但電離層高階項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直接忽略。估算并修正電離層高階項對全球衛(wèi)星導航系統(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)星和接收機差分碼偏差估算和建立電離層模型等應用中的影響,在高精度大地測量等領域的研究和應用中具有重要的價值和意義。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),重點研究了電離層高階項(主要是二階項)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)針對電離層二階項對定位帶來的影響,分別對GPS、GLONASS、Galileo和BDS四個目前主流的全球衛(wèi)星導航系統(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,估算了這些站點在利用多模信號進行定位時受到的電離層二階項的影響。結(jié)果表明,電離層二階項對多模GNSS定位的影響總體處于亞毫米到毫米級別的水平。忽略站點之間的差異,就不同的系統(tǒng)而言,電離層二階項對這四個系統(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。對不同的導航系統(tǒng)而言,電離層二階項對點位坐標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,電離層二階項對GNSS定位的影響與天頂總電子含量呈現(xiàn)出很強的正相關的特性,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)基于電離層二階項對GPS定位帶來的影響,解算并分析了電離層二階項對南極地區(qū)的 12 座 IGS(International GNSS Service)跟蹤站、7 座 POLENET(The Polar Earth Observing Network)跟蹤站和2座由武漢大學中國南極測繪研究中心 CACSM(Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping)運行的 GPS跟蹤站在2012年全年的定位影響。實驗結(jié)果表明,對這21個測站而言,電離層二階項對各個站點在時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,而忽略電離層二階項的影響,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。將實驗結(jié)果與南極地區(qū)天頂總電子含量進行對比和分析,發(fā)現(xiàn)各站點受電離層二階項的影響在夏季較大、冬季較小,以及在10月份出現(xiàn)的異常衰減現(xiàn)象,均與同時期的南極地區(qū)天頂總電子含量的變化有著強烈的關聯(lián),印證了電離層二階項對定位的影響與VTEC之間的強相關性。(3)提出了一種在估算GPS系統(tǒng)頻間偏差時加入電離層二階項影響的方法,對2012年3月實驗區(qū)域內(nèi)的3臺GPS接收機和32顆GPS衛(wèi)星的DCB進行了估算。結(jié)果表明,電離層二階項的加入給GPS衛(wèi)星和接收機頻間偏差DCB估算帶來的影響量級總體處于10-3～10-2ns量級;忽略衛(wèi)星和接收機的差異,電離層二階項影響的平均值為0.0044ns,標準差為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)的同時也得到了實驗區(qū)域電離層模型參數(shù),發(fā)現(xiàn)電離層二階項對該區(qū)域VTEC估算的影響量級在10-2TECU水平。同時,二階項對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
【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P228.4

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

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相關碩士學位論文 前2條

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本文編號：2660509