突破傳統(tǒng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System, GNSS）層析反演研究忽略地球磁場對電離層變化活動的影響,同時顧及不同電離層高度電子密度變化較大的影響,提出在地磁坐標(biāo)系下建立電離層高度方向上不等像素間距的GNSS層析反演方法。在此基礎(chǔ)上,通過建立新的電離層層析迭代松弛因子,提高GNSS電離層電子密度層析反演結(jié)果精度。利用IRI—2007電離層模型、GNSS實測數(shù)據(jù)與電離層測高儀數(shù)據(jù),從模擬驗證和實測數(shù)據(jù)對比兩方面,反演統(tǒng)計了不同層析算法估算的峰值電離層電子密度誤差、電子密度剖面結(jié)果平均絕對百分比誤差及均方根誤差,驗證了顧及地磁影響的GNSS電離層層析不等像素間距算法的有效性。 

【文章來源】：國防科技大學(xué)學(xué)報. 2020,42(06)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

GNSS射線穿越電離層層析像素格網(wǎng)示意圖

圖2展示了GNSS電離層層析算法四種不同反演方案估算的電離層電子密度隨高度變化剖面結(jié)果,可以看出,不同方案的電離層電子密度隨高度變化和電離層測高儀觀測得到的電子密度變化趨勢相同。但可以明顯看出,與IRI—2007模型提供的電離層電子密度“真值”相比較,方案一采用的傳統(tǒng)層析代數(shù)重構(gòu)算法ART在不同時段和不同測站的電子密度反演結(jié)果最差,這與該算法對電離層電子密度反演重構(gòu)值和實測值之間的誤差迭代分配時僅以觀測射線截距作為準(zhǔn)則有關(guān),使得電子密度重構(gòu)結(jié)果誤差較大。方案二IART算法通過引入層析格網(wǎng)電子密度像素內(nèi)射線截距與電子密度乘積為組合變量,較為合理地分配不同電子密度像素格網(wǎng)內(nèi)實測值與反演值之間的誤差,同時通過構(gòu)造與電子密度變化相關(guān)的迭代松弛因子,抑制傳播噪聲對電子密度反演結(jié)果影響,降低了電子密度反演誤差。從圖2可以看出,方案二提供的以藍色實線與加號組合代表的電子密度結(jié)果(尤其是在高度200～300 km)更靠近IRI—2007模型提供的電子密度“真值”(黑色實線),優(yōu)于ART算法結(jié)果(綠色虛線)。在方案二的基礎(chǔ)上,方案三和方案四在電離層高度上采用了不等間距層析格網(wǎng)劃分方法,充分考慮了電子密度在垂直高度方向上變化較大的特性,在峰值電子密度區(qū)域劃分較小的像素格網(wǎng)而其他區(qū)域劃分較大像素格網(wǎng),合理調(diào)節(jié)不同高度層析格網(wǎng)內(nèi)射線截距對電子密度誤差的放大作用,提高電子密度反演結(jié)果精度�？梢钥吹�,圖2中方案三提供的電子密度(青色實線與方塊表示)和方案四提供的電子密度(紅色實線與三角形表示)優(yōu)于前兩個方案的電子密度結(jié)果。不同于方案三在地理坐標(biāo)系下劃分層析電子密度像素格網(wǎng),顧及電離層受地球電磁場影響,方案四提出在地磁坐標(biāo)系下劃分電子密度像素格網(wǎng),像素類層析算法假定了每個像素格網(wǎng)內(nèi)的電子密度均勻分布,同時兼顧實測數(shù)據(jù)分布稀疏,往往在實際反演計算中沿著經(jīng)度與緯度對不同電子密度像素格網(wǎng)施加約束,因此在地磁坐標(biāo)系下的電子密度約束反演結(jié)果將導(dǎo)致和在地理坐標(biāo)系下的電子密度約束反演結(jié)果不同。圖2展示的結(jié)果反映出方案四在地磁坐標(biāo)系下的電子密度結(jié)果優(yōu)于方案三地理坐標(biāo)系下的電子密度結(jié)果,也是四種電離層層析算法反演方案中結(jié)果最優(yōu)的方案。

在圖3中電離層電子密度“真值”由電離層測高儀觀測提供(黑色實線表示),其他四種反演方案得到的電離層電子密度剖面結(jié)果表達與圖2保持一致。從圖3可以看出,方案四反演的電離層電子密度結(jié)果最接近于電離層測高儀觀測獲得的電子密度剖面,尤其是在靠近電子密度峰值區(qū)域的結(jié)果具有明顯改善效果,這與4.1.2小節(jié)利用IRI—2007模型開展的模擬實驗結(jié)果保持一致;但也可以看出方案四在部分時段的反演結(jié)果與方案三結(jié)果接近,這和在模擬實驗中方案四相對其他方案都具有明顯優(yōu)勢不同,這可能與實際電離層變化活動除受地球電磁場影響之外還受中性風(fēng)等其他因素影響,從而導(dǎo)致其更為復(fù)雜多變有關(guān)。表3 不同GNSS電離層層析算法重構(gòu)的北京電子密度相對于電離層測高儀觀測“真值”的誤差與精度統(tǒng)計Tab.3 Error and accuracy statistics of the ionospheric electron density derived from the different GNSS tomographic algorithms using GNSS data in comparison with those from the ionosonde measurements over Beijing 電離層峰值電子密度誤差絕對值/(el/m3) 底部電離層電子密度剖面結(jié)果平均絕對百分比誤差/% 底部電離層電子密度剖面結(jié)果均方根值/(el/m3) 方案一 方案二 方案三 方案四 方案一 方案二 方案三 方案四 方案一 方案二 方案三 方案四 12月1日 0.381×1012 0.262×1012 0.237×1012 0.164×1012 27.0 18.3 16.3 13.2 0.275×1012 0.210×1012 0.210×1012 0.157×1012 12月2日 0.280×1012 0.242×1012 0.169×1012 0.144×1012 23.6 18.9 13.9 11.3 0.208×1012 0.172×1012 0.143×1012 0.117×1012 12月6日 0.238×1012 0.219×1012 0.135×1012 0.105×1012 21.9 18.3 11.1 8.5 0.176×1012 0.157×1012 0.113×1012 0.099×1012 12月7日 0.318×1012 0.235×1012 0.170×1012 0.141×1012 25.5 18.4 13.6 12.0 0.218×1012 0.163×1012 0.120×1012 0.109×1012 平均值 0.304×1012 0.240×1012 0.178×1012 0.139×1012 24.5 18.5 13.7 11.3 0.219×1012 0.176×1012 0.147×1012 0.121×1012

【參考文獻】：
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