基于多源數(shù)據(jù)的電離層異常監(jiān)測及GNSS影響效應(yīng)研究

程 娜

山東建筑大學(xué)測繪地理信息學(xué)院，山東 濟南 250101

電離層是日地空間環(huán)境的重要組成部分，電離層異常對無線電通訊和人類空間活動的影響不容忽視。電離層異常監(jiān)測，在高精度GNSS PNT服務(wù)與深空探測誤差修正、空間天氣預(yù)報預(yù)警及日地空間環(huán)境動態(tài)監(jiān)測等方面具有重要科學(xué)意義和實用價值。海量地基、天基多源電離層觀測數(shù)據(jù)，為電離層異常監(jiān)測及電離層精細化時空變化反演提供了豐富的數(shù)據(jù)源。論文利用全球約250個Multi-GNSS站和COSMIC掩星觀測數(shù)據(jù)，采用并行計算10 min內(nèi)實現(xiàn)全球數(shù)據(jù)處理，近實時構(gòu)建了三維電子密度模型，融合掩星數(shù)據(jù)使得海洋地區(qū)的精度明顯改善；搭建了天地聯(lián)合多源電離層觀測數(shù)據(jù)融合處理試驗平臺，在線提供近實時三維電離層產(chǎn)品，可為地球空間飛行器的空間環(huán)境信息支持、空間環(huán)境異常監(jiān)測及預(yù)報、導(dǎo)航系統(tǒng)全球電離層延遲修正等提供服務(wù)?；诮鼘崟r三維電子密度模型，開展了電離層異常的立體監(jiān)測，較IRI模型能夠更好地監(jiān)測磁暴期間電離層異常與演化過程，實現(xiàn)了全球大尺度、區(qū)域精細化電離層動態(tài)監(jiān)測。同時，論文針對電離層異常對GNSS影響效應(yīng)展開了較為全面的研究，分析了磁暴、太陽耀斑對GNSS信號、電離層模型精度、服務(wù)性能的影響。具體研究內(nèi)容如下：

(1) 基于地基、天基多源電離層觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合層析技術(shù)，采用OpenMP并行化處理，近實時構(gòu)建了三維電離層模型，獲取精細的三維電離層時空分布信息；針對近年來發(fā)生的強磁暴事件，反演全球和區(qū)域電子密度時空變化，監(jiān)測磁暴期間電離層異常及演化過程，實現(xiàn)了全球大尺度、區(qū)域精細化的電離層異常三維監(jiān)測。

(2) 利用中國陸態(tài)網(wǎng)GNSS觀測資料改進GIM格網(wǎng)模型，生成全球二維電離層TEC格網(wǎng)，分析了磁暴期間的電離層TEC全球變化特性，實現(xiàn)全球二維電離層異常監(jiān)測；基于全球IGS網(wǎng)、iGMAS跟蹤站及區(qū)域陸態(tài)網(wǎng)Multi-GNSS觀測獲取電離層STEC、ROT、ROTI，并利用這些信息，分析了太陽耀斑、地磁暴對電離層影響的特征和規(guī)律。

(3) 分析了電離層異常對GNSS信號質(zhì)量、定位性能的影響。針對太陽耀斑事件，統(tǒng)計了GNSS信號信噪比、偽距和載波相位殘差及周跳結(jié)果，分析了GPS、GLONASS、BDS、Galileo系統(tǒng)空間信號測距誤差SISURE，以及單頻PPP、雙頻PPP與SPP定位誤差變化。分析結(jié)果表明，電離層異常對GNSS信號信噪比、偽距和載波相位噪聲、周跳及PPP定位結(jié)果影響較為明顯SISURE與SPP定位結(jié)果則無明顯變化。

(4) 研究了GNSS廣播電離層模型BIMs在不同太陽活動水平下的適應(yīng)性。分析了太陽活動活躍時期12次太陽耀斑事件期間GPS、BDS、Galileo BIMs精度變化。結(jié)果表明，太陽耀斑期間，模型相對精度明顯降低，且BDS Klobuchar模型的適應(yīng)性優(yōu)于GPS和Galileo模型，通過對比分析Klobuchar模型參數(shù)變化可知，模型參數(shù)的更新頻率對模型在異常條件下的適應(yīng)性非常關(guān)鍵，高頻的參數(shù)更新有利于提高模型在異常條件下的可靠性。