GPS电离层延迟改正及其扰动监测的分析研究

论文摘要

电离层作为近地空间环境的重要组成部分，随着GPS与其它卫星导航系统的迅速发展，以及导航定位精度的不断提高，电离层折射延迟对电磁波信号的影响越来越成为人们关注的热点，而且利用卫星信号来探索电离层物理机制和监测电离层扰动现象也成为人们研究的重点。论文重点研究了利用GPS数据求解电离层TEC的原理与方法以及不同电离层延迟模型的分析与比较，并在此基础上研究了基于GPS的电离层TEC预报以及电离层扰动的监测方法等。论文的主要内容如下： 1．论文简要介绍了利用GPS研究电离层的基础知识：地球电离层的基础知识和研究历史、现状及在科学研究和工程应用中的意义；GPS定位的基本原理及误差分析等。 2．研究了利用GPS数据解算电离层延迟的基本原理与方法。对电离层折射延迟公式进行了详细分析、推导和简化，讨论了电离层折射对GPS定位的影响；在分析GPS卫星和接收机硬件延迟和电离层投影函数的基础上，重点研究了利用GPS数据精确求解电离层TEC的原理与方法以及利用GPS数据测量电离层TEC的误差。 3．分析和比较了不同的电离层延迟模型。对传统的Klobuchar模型利用电离层参数的实时差分改正数进行了改进，提高了Klobuchar模型改正精度；重点研究了VTEC模型和球谐函数模型的参数拟合及精度分析；详细分析了基于CT技术的三维电离层模型和WAAS的电离层格网模型，也对电离层延迟的其它方法与模型进行了简要介绍。 4．研究了利用GPS预报电离层TEC和监测电离层扰动的方法。在分析电离层时空相关性的基础上，利用离散系统的卡尔曼滤波方程对电离层TEC进行了预报；利用精确求解电离层TEC的方法对2003年11月20日—24日的电离层强磁暴实例进行了研究分析，基本上符合其统计规律；最后介绍了监测电离层较小扰动的GPS探测方法——电子含量的相对变化率分析法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 地球电离层在科学研究和工程应用中的意义
• 1.2 地球电离层概述
• 1.2.1 电离层的形成与基本结构
• 1.2.2 电离层的特性及其形态过程和现象
• 1.3 地球电离层研究简述
• 1.4 论文研究的主要内容及其结构
• 1.5 本章小结
• 第二章 GPS定位的基本原理及误差分析
• 2.1 GPS定位的基本观测量及观测方程
• 2.1.1 GPS卫星的信号和基本观测量
• 2.1.2 GPS基本观测方程及其线性组合观测
• 2.2 GPS导航定位的误差分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 利用GPS研究电离层延迟的基本原理与方法
• 3.1 电离层折射指数及其延迟的数学表示
• 3.1.1 电离层折射指数
• 3.1.2 电离层折射延迟和电子总量TEC
• 3.1.3 影响电离层电子总量的因素
• 3.2 电离层折射延迟对GPS测量的影响
• 3.2.1 信号调制的群延迟
• 3.2.2 载波相位超前
• 3.2.3 电离层多普勒频移
• 3.2.4 电磁波信号的振幅闪烁
• 3.2.5 电离层对GPS测量的其它影响
• 3.3 利用GPS数据精确求解电离层TEC的原理与方法
• 3.3.1 利用GPS数据计算电离层TEC的流程图
• 3.3.2 利用双频GPS数据计算电离层TEC的原理与方法
• 3.3.3 电离层延迟模型投影函数的分析比较
• 3.4 利用GPS数据测量电离层TEC的误差分析
• 3.4.1 观测数据误差
• 3.4.2 差分群延迟偏差DCB
• 3.4.3 投影函数选择误差
• 3.4.4 电离层等效平均高度不确定误差
• 3.4.5 电离层折射指数高阶项效应误差
• 3.4.6 其它误差分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 不同电离层延迟模型的分析及其比较
• 4.1 Klobuchar模型及其改进模型的拟合与分析
• 4.1.1 Klobuchar模型
• 4.1.2 Klobuchar改进模型的拟合与分析
• 4.2 VTEC模型的拟合与分析
• 4.3 球谐函数模型的拟合与分析
• 4.4 基于CT技术的电离层三维模型
• 4.4.1 电离层CT数据反演的原理与方法
• 4.4.2 三维层析电离层模型
• 4.5 WAAS系统的电离层格网修正法
• 4.6 电离层延迟的其它方法与模型
• 4.6.1 电离层延迟的相对定位法和半和改正法
• 4.6.2 电离层延迟的其它模型介绍
• 4.7 本章小结
• 第五章 GPS在电离层TEC预报及其监测方面的研究分析
• 5.1 利用GPS预报电离层TEC的研究分析
• 5.1.1 电离层TEC的时空相关性分析
• 5.1.2 利用GPS预报电离层TEC的原理与分析
• 5.1.3 国际电离层工作组CODE的电离层产品
• 5.2 利用GPS监测电离层磁暴的研究分析
• 5.3 利用GPS监测电离层其它现象的研究分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢