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时间序列电离层预报模型与方法研究

2020-12-08阅读(765)

时间序列电离层预报模型与方法研究

论文摘要

在GNSS导航定位的过程中,电离层延迟误差是不可避免的主要误差来源之一,如何对电离层延迟进行有效改正以提高GNSS的导航定位精度是目前重要的研究方向。电离层总电子含量（TEC）是表征电离层物理特征的重要参数之一,对其进行研究与预报,不仅对GNSS精密测量、实时导航定位精度的提高有重要意义,还能为地球物理、空间环境等学科提供相关的研究资料。基于此,本文对电离层TEC的变化规律、短期预报及预报模型的改进等方面进行了研究,主要内容和相关结论如下:1.利用IGS提供的GIM格网数据,通过全球5112个格网点分别分析太阳活动的平静期（2009年积日185）与活跃期（2011年积日75）的电离层TEC周日变化。研究了小波的分解与重构算法,通过小波分解对全球11年（20072017年）不同纬度的TEC值进行趋势提取,并结合太阳活动情况,研究了电离层的年度变化规律及其影响因素。得到结论如下:（1）活跃期的电离层TEC周日变化幅度大于平静期,且日峰值远大于平静期;（2）电离层受太阳活动的影响与纬度有关,影响程度总体上随纬度的增大而减小;（3）电离层TEC在南北半球的夏季均高于冬季,且TEC的变化趋势与太阳黑子相对数的变化具有一致性。2.研究了Holt-Winters加法、乘法模型和ARIMA模型的原理与建模方法,基于平静期15天的GIM格网数据,分别利用三种模型对北半球不同经纬度上空的TEC值进行5天预报,并系统分析了预报值的精度。实验结果表明:（1）总体来看,ARIMA模型的相对精度最高,均方根误差最小,预报效果最好,其次为Holt-Winters加法模型,乘法模型精度最低;（2）预报值相对精度与均方根误差的纬度差异较经度差异更为显著,且三种模型的误差分布具有一致性;（3）在不同经线上,三种模型的均方根误差峰值均多次出现在北纬20度附近,且均方根误差总体表现为低纬度区域大于高纬度区域。3.研究了几种利用双频观测值解算电离层延迟、反演电离层总电子含量的算法。通过投影函数与多项式插值得到测站垂直方向的总电子含量（VTEC）。利用小波分解改进ARIMA模型,构建了W-ARIMA模型。采用相位平滑伪距法解算了2011年磁暴发生前后13天内中国地区16个GNSS观测站上空的VTEC值。通过时间序列对缺失历元插值后,分别利用ARIMA与W-ARIMA模型基于前10天的VTEC数据对后3天进行预报,对比分析了模型改进前后的预报精度。实验结果表明:（1）改进模型能够有效削弱每日VTEC极大值附近的预报残差,预报精度较原模型有显著提高;（2）W-ARIMA对低纬度测站的改进效果要优于高纬度测站;（3）改进模型的残差与均方根误差较原模型总体减小,同时对中国地区的均方根误差峰值能起到较大的削弱作用。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  •   1.1 研究背景与意义
  •     1.1.1 电离层简介
  •     1.1.2 电离层预报研究意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •   1.3 本文研究目的与内容安排
  • 第2章 电离层总电子含量变化特性及其影响因素分析
  •   2.1 电离层延迟与总电子含量
  •   2.2 IGS电离层产品介绍
  •   2.3 小波分析理论
  •     2.3.1 小波分析基本原理
  •     2.3.2 多分辨率分析理论
  •     2.3.3 Mallat塔式算法
  •     2.3.4 小波基函数
  •   2.4 电离层TEC变化特性分析
  •     2.4.1 TEC周日变化分析
  •     2.4.2 季节与年度变化分析
  •   2.5 本章小结
  • 第3章 时间序列电离层预报方法及适用性分析
  •   3.1 Holt– Winters指数平滑法
  •   3.2 时间序列模型原理介绍
  •     3.2.1 自回归模型AR（p）
  •     3.2.2 滑动平均模型MA（q）
  •     3.2.3 自回归滑动平均模型ARMA（p,q）
  •     3.2.4 差分自回归滑动平均模型ARIMA
  •   3.3 ARIMA预报模型建模方法
  •     3.3.1 模型参数估计
  •     3.3.2 AIC与 BIC准则
  •     3.3.3 电离层TEC预报流程
  •   3.4 预报精度与适用性分析
  •     3.4.1 实验数据准备
  •     3.4.2 实验结果分析
  •   3.5 本章小结
  • 第4章 小波分解改进的活跃期电离层预报模型
  •   4.1 GNSS/TEC计算方法
  •     4.1.1 双频伪距观测法
  •     4.1.2 双频载波相位观测法
  •     4.1.3 相位平滑伪距法
  •   4.2 测站VTEC计算方法
  •     4.2.1 电离层单层模型
  •     4.2.2 投影函数
  •     4.2.3 测站VTEC计算
  •   4.3 模型的改进
  •     4.3.1 模型改进流程
  •     4.3.2 小波分解的最优层数确定
  •   4.4 W-ARIMA模型的精度分析
  •     4.4.1 实验数据准备
  •     4.4.2 预报结果分析
  •   4.5 本章小结
  • 第5章 总结与展望
  •   5.1 论文总结
  •   5.2 研究展望
  • 参考文献
  • 个人简历、申请学位期间的研究成果及发表的学术论文
  •   一、个人简介
  •   二、攻读硕士期间的论文发表情况
  •   三、参与的科研项目
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 陈雨田

    导师: 刘立龙

    关键词: 电离层预报,小波分解,模型改进

    来源: 桂林理工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 自然地理学和测绘学,电信技术

    单位: 桂林理工大学

    分类号: P228.4;TN967.1

    DOI: 10.27050/d.cnki.gglgc.2019.000145

    总页数: 76

    文件大小: 3740K

    下载量: 34

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