【摘 要】
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电离层是高空大气层的重要组成部分,不仅保护着地球免受太阳紫外辐射与宇宙高能粒子的直接作用,也影响着无线电波的传播,与人类的生产生活息息相关。同时,电离层也是空间大气科学的重要研究课题,监测和研究电离层可以提高人类对电离层的形成机制的认识,掌握电离层的时空变化规律。传统大气探测手段,如无线电探空仪、气象卫星等因观测成本高,难以实现大范围、连续观测。近年来,随着以北斗、GPS、GLONASS、Gali
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电离层是高空大气层的重要组成部分,不仅保护着地球免受太阳紫外辐射与宇宙高能粒子的直接作用,也影响着无线电波的传播,与人类的生产生活息息相关。同时,电离层也是空间大气科学的重要研究课题,监测和研究电离层可以提高人类对电离层的形成机制的认识,掌握电离层的时空变化规律。传统大气探测手段,如无线电探空仪、气象卫星等因观测成本高,难以实现大范围、连续观测。近年来,随着以北斗、GPS、GLONASS、Galileo系统为主的全球卫星导航系统（GNSS）的不断建设和完善,以及地面GNSS跟踪站网的广泛布设,基于多GNSS的电离层层析技术将为电离层的监测和研究带来前所未有的机遇。结合我国北斗地基增强系统和中国大陆构造环境监测网络GNSS数据,建立覆盖我国范围的广域三维电离层模型对我国的电离层监测和研究具有重要的意义。本文围绕广域实时GNSS三维电离层层析技术,系统研究了多GNSS电离层延迟提取、电离层层析模型以及电离层重构算法,进而建立了覆盖中国区域的实时电离层三维层析模型,并初步实现了电离层层析模型在GNSS单频伪距定位和磁暴期间电离层扰动研究的应用验证。本文主要工作和结论如下:（1）在GPS广域三维电离层层析技术上,进一步研究了基于多GNSS的广域三维电离层层析技术,重点分析了不同导航系统电离层延迟提取精度对层析建模的影响,提出了顾及随机模型精化的多系统电离层层析算法。实测数据表明,相比于单GPS观测数据,多GNSS观测数据可以有效的提高待反演电离层区域的有效格网改正率以及格网内的观测射线数,在中国区域提高率分别为6%和100%,改善了电离层层析中的观测数据不足的问题。多GNSS电离层层析反演结果与数字测高仪测量的电离层F2层峰值密度的平均误差为0.96 × 105el·cm-3,在F2层峰值高度以上与SWARM卫星测量的电子密度平均误差为1.0 × 105el·cm-3。同时,通过针对性的多系统电离层延迟定权策略显著提高反演结果精度,其收敛精度平均可达1.6TECU。（2）结合传统MART算法,提出了自适应AMART算法以及基于滤波约束的FMART算法。AMART算法在电离层层析过程中使用电子密度信息来分配各个格网的权值,并自适应调节松弛因子。实验结果显示,AMART算法相比于MART算法能够有效加快收敛速度,MART和AMRT的平均迭代次数分别为12次和9次。MART算法中一般使用IRI等经验模型作为初始背景场,针对经验模型精度往往有限的局限性,本文将滤波和MART算法相结合,利用上一个历元的反演结果作为初始背景场,改善了初始背景场的精度,进而提高反演结果的精度,其反演的电离层F2层峰值密度与数字测高仪的平均误差为0.12 × 105el·cm-3。（3）由于地基GNSS观测视角有限,水平观测射线较少,从而导致电离层层析的反演结果垂直分辨率较低。本文通过联合地基/掩星观测数据进行三维电离层层析,综合了地基GNSS在时间分辨率,掩星观测数据在垂直分辨率等方面的优势。通过与无线电掩星反演结果和电离层测高仪比较,结果显示,地基/掩星联合方法反演的电离层F2层峰值密度精度分别可达0.82 × 105el·cm-3和0.12 × 105el·cm-3。（4）在上述模型与算法研究基础上,本文在GNSS分布式高精度数据处理平台FUSING基础上实现了广域实时电离层层析软件模块,并将其应用于广域精密定位中电离层延迟增强服务,以及磁暴期间电离层扰动监测。基于GNSS分布式高精度数据处理系统,通过实时接入广域/全球GNSS跟踪站数据流,实时提取电离层延迟,并进行广域电离层层析,实现广域增强服务和电离层实时监测。在GNSS定位中,本文将三维电离层模型应用于单频SPP电离层延迟改正中,实测结果显示其改正效果要优于CODE的GIM模型。在电离层扰动研究中,本文以2015年3月下旬磁暴为例,结合GIM和三维电离层层析技术分析了磁暴期间的电离层异常,结果显示磁暴期间电离层在二维和三维空间上都表现出明显的异常现象,验证了磁暴对电离层扰动的影响。
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