基于双频GNSS信号的电离层延迟模型的研究

论文摘要

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的迅速发展带动了很多热门的交叉学科,GNSS气象学就是其中之一,是近年来兴起的利用GNSS卫星进行大气探测的一门重要学科。在这个应用领域中,GNSS卫星主要用来探测对流层中的水汽含量和电离层中的电子密度等,是天气预报和气候监测的一个重要工具。GNSS卫星的这一强项缘于卫星信号在大气中传播时产生的延迟,大气中的各种参量信息就包含在这延迟中。但同时也因为这个延迟,GNSS最重要的导航定位精度会大打折扣。因此,确定大气延迟成了解决各种问题的关键。准确测定大气延迟,会获得更高的导航定位精度和更多的大气参量信息,而对大气结构了解的越深刻,大气延迟也就可以越精确的测量。如此互相促进,可推动定位技术和大气测量技术共同快速发展。作为大气延迟主要组成的电离层延迟便是本文的重点研究和分析对象。文章首先从基本折射理论和电离层的色散效应出发,推导出电离层延迟与电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)、卫星信号频率的关系。为方便研究,对电离层作简化处理,建立电离层单层模型代替真实电离层,由此引入垂直总电子含量(Vertical Total Electron Content,VTEC)和投影函数,得到VTEC与双频GNSS信号的解算关系,为建立基于双频GNSS信号的电离层延迟模型提供了理论前提。数据则由GPS双频接收机来提供,文中介绍了其使用方法及在建立VTEC电离层延迟模型中的应用情况。其次对目前常用的几种电离层延迟模型进行了介绍及比较,通过对这些模型的基础理论、函数形式、特点、应用情况等的研究分析,结合课题研究条件,为单站局部区域性观测,选择了VTEC多项式函数模型作为课题实验的对象。最后详细介绍了建立VTEC多项式函数模型的方法和实验过程。利用GPS双频接收机进行实地连续观测来获取相关数据,并对数据进行处理分析,得出VTEC进而建立多项式函数模型。对观测地区哈尔滨工业大学科学园天顶区域的VTEC昼间变化总结了一些规律,实现了该区域的电离层延迟模型建立,并对模型的精度和适用性进行了分析和说明,得出了一些有意义的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 全球导航卫星系统及电离层概况
• 1.2.1 全球导航卫星系统
• 1.2.2 电离层概况及其对无线电波的影响
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文研究内容及组织结构
• 第2章 利用双频GNSS 信号建模的原理和方法
• 2.1 引言
• 2.2 建模原理及方法
• 2.2.1 电离层延迟参数化
• 2.2.2 双频GNSS 信号解算总电子含量
• 2.2.3 垂直总电子含量
• 2.2.4 投影函数
• 2.3 数据来源及所需数据
• 2.3.1 接收机软件平台
• 2.3.2 接收机数据格式与数据结构
• 2.3.3 提供实验数据的日志
• 2.4 本章小结
• 第3章 电离层延迟模型理论基础分析
• 3.1 引言
• 3.2 经验模型
• 3.2.1 Bent 模型和IRI 模型
• 3.2.2 NeQuick 电离层模型
• 3.2.3 Klobuchar 模型
• 3.3 实时模型
• 3.3.1 球谐函数模型
• 3.3.2 三角级数函数模型
• 3.3.3 格网电离层模型
• 3.3.4 多项式函数模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于实测数据的电离层延迟模型建立
• 4.1 引言
• 4.2 观测数据采集与处理
• 4.2.1 观测数据采集、存储与转换
• 4.2.2 观测数据处理
• 4.3 VTEC 数据处理及结果分析
• 4.4 VTEC 多项式函数模型建立及结果分析
• 4.4.1 建立短时段模型
• 4.4.2 建立全天8 小时时段模型
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢