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中国区域电离层VTEC模型精化研究

2020-12-02阅读(779)

中国区域电离层VTEC模型精化研究

论文摘要

全球导航卫星系统（GNSS）的不断发展和用户需求增加对电离层延迟改正模型精度的要求也随之提高,因此研究和建立区域电离层延迟精化模型以提高电离层延迟改正精度也迫在眉睫。本文围绕区域电离层监测与广域增强系统中的电离层VTEC精化建模,针对中国区域跨越中低纬地区,电离层活动变化复杂的实际问题,将地统计学（Geostatistics）中的基于空间变量随机性、结构性、相关性和变异性的Kriging空间内插方法应用到中国区域电离层VTEC精化模型中;同时,基于方差分量估计和拟合推估对Kriging空间内插格网模型进一步改进和精化,基于陆态网CMONOC观测数据构建了中国区域电离层VTEC精化模型及软件,并在此研究的基础上设计并实现了非差非组合PPP算法,同时进行了验证与分析。本文的主要工作和内容概括如下:1)综合考虑中国区域电离层活动地域性特征和电离层VTEC的时空变化特性,基于CMONOC观测数据计算的半变异函数结果,对中国区域电离层半变异函数的分布特征、变化规律进行了系统性研究与分析,总结了电离层VTEC的空间结构性和变异性规律,设计了充分顾及电离层活动时变性且灵活可调的半变异函数的构建方法,提供了有效的空间变量结构相关性与变异性信息,为中国区域电离层精确模型化提供有效支撑和基础。2)基于CMONOC数据统计、构建的灵活可调的半变异函数,本文实现了中国区域电离层VTEC Kriging空间内插优化算法,该算法可获得最优无偏线性（BLUE）估计量,给出了优化的内插估计精度;在此基础上,本文进行了中国区域电离层VTEC Kriging格网模型精化研究,设计并实现了基于Kriging空间内插优化的中国区域电离层格网精化模型处理软件。与多种函数基模型和VTEC产品的对比分析表明,由于Kriging空间内插优化模型充分顾及了VTEC变量空间结构与变异性,更符合理论与实际情况,内符合精度在2 TECU以内,格网点估计精度历元均值在14 TECU左右,更适用于电离层活动复杂变化的中国地区3)首次提出了基于方差分量估计的Kriging电离层格网模型建立方法-KVCE。该方法充分顾及并优化匹配了观测噪声与随机信号模型的方差协方差阵,进一步改进了中国区域VTEC模型。与多种模型进行了多角度综合对比与分析,结果表明,KVCE方法的局部内插精度约为1.37 TECU,比普通Kriging空间内插模型和多项式内插方法分别提高了1.2和0.7 TECU左右;区域建模精度约为1.5 TECU,比函数基模型提高了约1.0 TECU;格网VTEC估计精度历元均值约在3 TCEU以内,日均值在1 TECU以内,优于普通Kriging方法,且在边际区域的优势更加明显。4)对中国区域电离层VTEC精化模型在不同太阳活动水平下的性能进行了验证与分析,从绝对精度和相对精度统计分析了建模残差RMS、格网VTEC估计中误差MSE和外部检核站检核结果,数据表明,太阳活动水平较强烈时,区域电离层精化模型改正效果仍与太阳活动平静期相当,太阳活动峰值和谷值时,建模残差RMS分别约为2.63与2.60 TECU,MSE均值分别约为4.52与4.35 TECU,两种情况下的内符合精度相当;整体上,中纬度地区改正精度优于低纬度地区。从外部检核的外符合指标来看,测站残差单天均值均分布在-22 TECU左右,低纬度测站的残差较大约为-8 TECU;中低纬度区域测站残差RMS都分别在15TECU和515 TECU;各测站单天平均改正效果均达到80%以上。5)单频SPP定位验证分析表明:基于CRIM（China Regional Ionospheric Map）的单频SPP三维定位精度在中高纬度地区和低纬度地区分别优于1.4m和3.2m,比利用CODE的单频SPP定位精度提高了0.21.0m6)利用非差非组合PPP（IC-PPP）算法,验证了中国区域电离层精化模型的性能。与CODE的电离层产品辅助IC-PPP的定位结果进行对比,CRIM辅助的IC-PPP,提高了初始定位精度、加快双频非差非组合PPP的收敛速度。在不同纬度地区,基于CRIM高精度电离层延迟改正信息约束的IC-PPP在平面与三维分别收敛至10cm、15cm、20cm等不同精度时的收敛速度,比CODE分别提高了1.8、1.3、1.0分钟和3.9、3.0、1.8分钟,在北向、东向和高程方向上的初始定位精度分别提高了12cm（23.5%）、13cm（35.1%）、6cm（7.8%）。

论文目录

  • 博士生自认为的论文创新点
  • 摘要
  • Abstract
  • 缩略词
  • 1 绪论
  •   1.1 研究背景及意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 电离层探测技术手段
  •     1.2.2 电离层模型理论与研究方法
  •     1.2.3 地基GNSS电离层研究的发展现状
  •   1.3 本文主要研究内容与目标
  •     1.3.1 研究目标
  •     1.3.2 研究内容与结构安排
  •   1.4 本章小结
  • 2 基于GNSS反演电离层的基本原理与方法
  •   2.1 引言
  •   2.2 电离层的变化特性及其影响因素
  •     2.2.1 电离层的时空形态结构与变化规律
  •     2.2.2 太阳与地磁活动对电离层的影响
  •     2.2.3 电离层对无线电信号的影响
  •   2.3 基于GNSS的电离层TEC提取与模型化原理
  •     2.3.1 GNSS电离层TEC信息的提取
  •     2.3.2 GNSS电离层TEC建模原理
  •   2.4 本章小结
  • 3 基于地统计Kriging空间内插的中国区域电离层优化模型的建立
  •   3.1 引言
  •   3.2 Kriging空间内插原理
  •     3.2.1 地统计学中的基本概念
  •     3.2.2 半变异函数理论
  •     3.2.3 普通Kriging空间内插方法
  •   3.3 基于Kriging中国区域VTEC精化模型的构建
  •     3.3.1 电离层TEC估计中半变异函数选取与拟合原则
  •     3.3.2 VTEC估计时IPP点搜索原则
  •   3.4 建模结果验证与分析
  •     3.4.1 中国区域VTEC半变异函数分析
  •     3.4.2 多种模型建模结果对比与分析
  •   3.5 本章小结
  • 4 基于方差分量估计的中国区域电离层VTEC模型的改进
  •   4.1 引言
  •   4.2 基于拟合推估的VCE估计理论与方法
  •   4.3 基于VCE的 Kriging方法在电离层延迟估计中的应用
  •   4.4 实验应用分析
  •     4.4.1 TEC分析
  •     4.4.2 局部内插分析
  •     4.4.3 区域整体建模结果分析
  •     4.4.4 格网点估计精度分析
  •   4.5 本章小结
  • 5 电离层VTEC精化模型的验证与应用分析
  •   5.1 引言
  •   5.2 电离层监测分析
  •     5.2.1 电离层TEC对磁暴的响应分析
  •     5.2.2 中国区域电离层半年度与季节性异常的监测
  •   5.3 不同太阳活动水平下电离层精化模型性能分析
  •     5.3.1 建模残差RMS分析
  •     5.3.2 格网点估计中误差分析
  •     5.3.3 外部检核站验证分析
  •   5.4 电离层VTEC精化模型对SPP性能影响分析
  •   5.5 电离层VTEC精化模型在IC-PPP中的应用与验证分析
  •     5.5.1 IC-PPP中的电离层先验约束
  •     5.5.2 电离层VTEC精化模型精度分析
  •     5.5.3 电离层对IC-PPP收敛速度和初始定位精度的影响
  •   5.6 本章小结
  • 6 总结与展望
  •   6.1 工作总结
  •   6.2 研究展望
  • 参考文献
  • 攻博期间的科研成果
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 黄玲

    导师: 刘经南,章红平,徐培亮

    关键词: 电离层建模,空间区域化变量,半变异函数,空间内插,方差分量估计,非差非组合

    来源: 武汉大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 地球物理学

    单位: 武汉大学

    分类号: P352

    总页数: 162

    文件大小: 11826K

    下载量: 64

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