基于多源數據的電離層異常監測及GNSS影響效應研究

程 娜

山東建筑大學測繪地理信息學院，山東 濟南 250101

電離層是日地空間環境的重要組成部分，電離層異常對無線電通訊和人類空間活動的影響不容忽視。電離層異常監測，在高精度GNSS PNT服務與深空探測誤差修正、空間天氣預報預警及日地空間環境動態監測等方面具有重要科學意義和實用價值。海量地基、天基多源電離層觀測數據，為電離層異常監測及電離層精細化時空變化反演提供了豐富的數據源。論文利用全球約250個Multi-GNSS站和COSMIC掩星觀測數據，采用并行計算10 min內實現全球數據處理，近實時構建了三維電子密度模型，融合掩星數據使得海洋地區的精度明顯改善；搭建了天地聯合多源電離層觀測數據融合處理試驗平臺，在線提供近實時三維電離層產品，可為地球空間飛行器的空間環境信息支持、空間環境異常監測及預報、導航系統全球電離層延遲修正等提供服務。基于近實時三維電子密度模型，開展了電離層異常的立體監測，較IRI模型能夠更好地監測磁暴期間電離層異常與演化過程，實現了全球大尺度、區域精細化電離層動態監測。同時，論文針對電離層異常對GNSS影響效應展開了較為全面的研究，分析了磁暴、太陽耀斑對GNSS信號、電離層模型精度、服務性能的影響。具體研究內容如下：

(1) 基于地基、天基多源電離層觀測數據，結合層析技術，采用OpenMP并行化處理，近實時構建了三維電離層模型，獲取精細的三維電離層時空分布信息；針對近年來發生的強磁暴事件，反演全球和區域電子密度時空變化，監測磁暴期間電離層異常及演化過程，實現了全球大尺度、區域精細化的電離層異常三維監測。

(2) 利用中國陸態網GNSS觀測資料改進GIM格網模型，生成全球二維電離層TEC格網，分析了磁暴期間的電離層TEC全球變化特性，實現全球二維電離層異常監測；基于全球IGS網、iGMAS跟蹤站及區域陸態網Multi-GNSS觀測獲取電離層STEC、ROT、ROTI，并利用這些信息，分析了太陽耀斑、地磁暴對電離層影響的特征和規律。

(3) 分析了電離層異常對GNSS信號質量、定位性能的影響。針對太陽耀斑事件，統計了GNSS信號信噪比、偽距和載波相位殘差及周跳結果，分析了GPS、GLONASS、BDS、Galileo系統空間信號測距誤差SISURE，以及單頻PPP、雙頻PPP與SPP定位誤差變化。分析結果表明，電離層異常對GNSS信號信噪比、偽距和載波相位噪聲、周跳及PPP定位結果影響較為明顯SISURE與SPP定位結果則無明顯變化。

(4) 研究了GNSS廣播電離層模型BIMs在不同太陽活動水平下的適應性。分析了太陽活動活躍時期12次太陽耀斑事件期間GPS、BDS、Galileo BIMs精度變化。結果表明，太陽耀斑期間，模型相對精度明顯降低，且BDS Klobuchar模型的適應性優于GPS和Galileo模型，通過對比分析Klobuchar模型參數變化可知，模型參數的更新頻率對模型在異常條件下的適應性非常關鍵，高頻的參數更新有利于提高模型在異常條件下的可靠性。