低緯GNSS電離層閃爍監(jiān)測(cè)及應(yīng)用研究

羅小敏

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

電離層中小尺度不規(guī)則體會(huì)引起全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)發(fā)生衍射及散射效應(yīng)，導(dǎo)致地面GNSS接收機(jī)跟蹤的無(wú)線電信號(hào)的振幅和相位產(chǎn)生不同程度的衰減與畸變，即GNSS電離層閃爍。GNSS電離層閃爍難以利用常規(guī)的電離層延遲誤差處理方法予以削弱，其對(duì)GNSS服務(wù)的完好性、連續(xù)性和可用性產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。論文針對(duì)低緯電離層閃爍對(duì)GNSS觀測(cè)與定位的不利影響，從電離層閃爍及電離層不規(guī)則體形成的物理機(jī)制出發(fā)，開(kāi)展了包括電離層閃爍指數(shù)的構(gòu)建、閃爍指數(shù)在低緯電離層不規(guī)則體特性分析中的應(yīng)用、削弱低緯電離層閃爍對(duì)GNSS精密單點(diǎn)定位(PPP)影響的處理方法、GNSS電離層閃爍監(jiān)測(cè)應(yīng)用等多方面的研究。主要內(nèi)容如下：

(1)詳述了電離層對(duì)GNSS信號(hào)的影響可以分為電離層延遲與電離層閃爍，并從無(wú)線電波穿過(guò)電離層介質(zhì)時(shí)所產(chǎn)生的折射與衍射的物理效應(yīng)出發(fā)，指出了GNSS電離層閃爍發(fā)生的物理原因，從而闡明了電離層閃爍與電離層延遲的本質(zhì)區(qū)別。系統(tǒng)總結(jié)了低緯電離層不規(guī)則體的形成機(jī)制及影響不規(guī)則體生長(zhǎng)與發(fā)展的因素，闡述了電離層閃爍基礎(chǔ)理論。

(2)總結(jié)了常用GNSS電離層閃爍指數(shù)S4與相位閃爍指數(shù)σφ的計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種利用普通型GNSS接收機(jī)1 Hz的載噪比數(shù)據(jù)構(gòu)建的電離層閃爍指數(shù)S4c。結(jié)果表明：S4c指數(shù)與專用型電離層閃爍監(jiān)測(cè)接收機(jī)輸出的閃爍指數(shù)S4的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9。構(gòu)建的S4c指數(shù)可為全球普通型GNSS接收機(jī)觀測(cè)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大范圍低成本電離層閃爍監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐。

(3)提出了基于北斗地球靜止軌道(BDS GEO)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)分析電離層不規(guī)則體特性的方法。該方法以地基GNSS測(cè)站上空的GEO衛(wèi)星作為參考，對(duì)比分析磁靜日不同軌位的GEO衛(wèi)星(參考GEO衛(wèi)星、西邊及東邊的GEO衛(wèi)星)首次觀測(cè)到的不規(guī)則體時(shí)間，分析確定不規(guī)則體產(chǎn)生的特點(diǎn)?；谠摲椒òl(fā)現(xiàn)了東亞地區(qū)104.98°E與112.34°E經(jīng)度帶上空的本地電離層不規(guī)則體產(chǎn)生率存在明顯差異，并指出了這種差異與活躍的大氣熱帶輻合帶所激發(fā)的重力波存在密切聯(lián)系。

(4)深入分析了低緯電離層閃爍環(huán)境下BDS PPP的定位結(jié)果，提出了顧及電離層閃爍指數(shù)的BDS GEO、IGSO、MEO衛(wèi)星TurboEdit周跳閾值建模方法。通過(guò)統(tǒng)計(jì)大量的BDS衛(wèi)星TurboEdit周跳探測(cè)觀測(cè)值與電離層閃爍指數(shù)的分布關(guān)系，初步建立了不同類型BDS衛(wèi)星的TurboEdit周跳閾值模型。大量的算例表明，相比于基于經(jīng)驗(yàn)周跳閾值的BDS PPP方案，采用周跳閾值模型的BDS PPP可以非常有效地削弱電離層閃爍對(duì)定位結(jié)果的影響，在E、N、U三個(gè)方向的定位精度分別改善了24.1%、38.2%、47.9%。

(5)基于FUSING軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了多GNSS電離層閃爍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊，構(gòu)建了基于ROTI、S4c指數(shù)的全球及中國(guó)區(qū)域電離層閃爍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)格網(wǎng)圖。利用電離層閃爍監(jiān)測(cè)格網(wǎng)圖分析了中等磁暴、強(qiáng)磁暴與特大磁暴期間電離層不規(guī)則體的全球分布特點(diǎn)，指出了ROTI與S4c格網(wǎng)圖在反映電離層不規(guī)則體時(shí)存在差異。此外，以ROTI指數(shù)及ROTI格網(wǎng)圖為基礎(chǔ)，聯(lián)合利用地基電離層測(cè)高儀、星基Swarm Ne數(shù)據(jù)對(duì)熱帶氣旋期間的電離層不規(guī)則體及電離層擾動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)了ROTI格網(wǎng)圖對(duì)低緯電離層不規(guī)則體與電離層行進(jìn)式擾動(dòng)同樣敏感，并建議利用測(cè)高儀、閃爍監(jiān)測(cè)接收機(jī)、甚高頻相干散射雷達(dá)等多源數(shù)據(jù)對(duì)低緯電離層不規(guī)則體進(jìn)行交叉驗(yàn)證。