【導(dǎo)讀】observation;

　　

【正文】 在不利條件下，如何更好地利用電離層延遲改正信息； ⑤ 研究利用 GPS 監(jiān)測(cè)隨機(jī)電離層擾動(dòng)的基本理論和框架方案； ⑥ 研究如何綜合顧及電 離層的周日、季節(jié)和年變化，進(jìn)一步提高利用 GPS 模擬電離層延遲的能力； ⑦ 研究如何實(shí)現(xiàn)星載單頻 GPS 低軌衛(wèi)星的精密測(cè)軌中的電離層延遲改正要求。 1. (局部 )電離層延遲的高精度提取 系統(tǒng)論述和分析了影響利用 GPS 觀測(cè)精確提取電離層延遲信息的各類因素。通過對(duì)有關(guān)模型和方法問題的深入研究，進(jìn)一步提高了利用 GPS 提取電離層延遲信息的精度。主要包括： （ 1）將參數(shù)固定的三角級(jí)數(shù)函數(shù)電離層模型，擴(kuò)展為更適用于理論研究和實(shí)際應(yīng)用的參數(shù)可調(diào)型廣義形式，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)電離層延遲時(shí)空變化特征，選擇不同的特征參數(shù)模擬電離層延遲的影響 。試算結(jié)果表明，它能較好地反映電離層活動(dòng)特性，提高了局部電離層延遲模擬能力，適用于 DGPS 系統(tǒng)修正其服務(wù)區(qū)域內(nèi)的單頻 GPS 用戶的電離層延遲。 （ 2）設(shè)計(jì)了幾種不同的計(jì)算方案，用于分析儀器偏差對(duì)確定電離層延遲的影響的特點(diǎn)。研究表明，儀器偏差對(duì)求解電離層延遲的影響遠(yuǎn)大于觀測(cè)噪聲的影響，給電離層延遲觀測(cè)值帶來高達(dá)數(shù)米的系統(tǒng)誤差。利用 GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)求解電離層模型或直接計(jì)算斜距電離層延遲時(shí)，都須慎重處理儀器偏差，不應(yīng)簡單把其作為噪聲處理 。 （ 3）利用相位平滑測(cè)碼數(shù)據(jù)進(jìn)一步精化了儀器偏差分離方法，探討了儀器偏差的穩(wěn)定性 。研究發(fā)現(xiàn)，新方法可有效克服噪聲對(duì)分離儀器偏差的影響，而且儀器偏差相對(duì)穩(wěn)定并可有效進(jìn)行測(cè)段間及數(shù)日間預(yù)報(bào)。 （ 4）基于實(shí)時(shí)平均去噪和碼、相位觀測(cè)數(shù)據(jù)的加權(quán)聯(lián)合處理的思想，提出了一種實(shí)時(shí)分離儀器偏差和求解電離層延遲量的新方案。算例表明，新方法通過采用平均去噪分離方法后處理相位平滑測(cè)碼數(shù)據(jù)，求出儀器偏差并對(duì)需要實(shí)時(shí)處理儀器偏差的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)報(bào)改正，直接利用觀測(cè)值確定電離層延遲量，待估參數(shù)少、能消除儀器偏差的大部分影響，具有較好的精度，可作為 WAAS 及其他GPS 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)確定電離層延遲的可行的參考方案。 2. 一種構(gòu)建大規(guī)模 (區(qū)域性和全球性 )高精度格網(wǎng)電離層模型的新方法 —— 站際分區(qū)法及其在中國的初步實(shí)現(xiàn) 在系統(tǒng)深入研究了格網(wǎng)電離層模型建立原理與方法的基礎(chǔ)上，為避免基準(zhǔn)站網(wǎng)的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)模型精度估計(jì)的影響，充分顧及電離層延遲影響的局部特性，進(jìn)一步提高格網(wǎng)電離層模型的構(gòu)建精度，提出了一種新的格網(wǎng)電離層模型構(gòu)建方法—— 站際分區(qū)格網(wǎng)法。在以上研究的的基礎(chǔ)上，估計(jì)了利用地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)網(wǎng)建立格網(wǎng)電離層模型的精度，初步探討中國域內(nèi)擬建立的廣域差分 GPS增強(qiáng)系統(tǒng)，采用格網(wǎng)電離層模型提供電離層改正信息的可行性及有待進(jìn) 一步研究的問題。 3. 不利條件下為 WAAS 的單頻 GPS 用戶提供電離層延遲改正 的新方法 —— APRI 方案 在正常條件和平靜電離層區(qū)域， WAAS 能夠滿足單頻用戶的電離層延遲改正要求，但當(dāng)用戶無法正常獲取電離層延遲改正信息時(shí)，如在差分系統(tǒng)突然中斷信息發(fā)送或用戶步入無法正常接收差分改正信息的位置等不利條件下，單頻 GPS 接收機(jī)不能有效進(jìn)行實(shí)時(shí)電離層延遲改正，尤其在電離層活動(dòng)異常區(qū)域如電離層擾動(dòng)條件下，實(shí)時(shí)差分改正效果將受到嚴(yán)重影響。這些問題在 WAAS 的實(shí)際運(yùn)行中是難以避免和必須解決的。而以往的研究結(jié)果，均為后處理 方法，不能滿足 (準(zhǔn) )實(shí)時(shí)處理電離層擾動(dòng)的要求。 針對(duì)這種狀況，我們通過設(shè)計(jì)能有效結(jié)合電離層延遲絕對(duì)量和相對(duì)變化量的抗差遞推過程，提出了一種可在以上不利條件下有效實(shí)時(shí)改正單頻 GPS 用戶電離層延遲的方法 — APRI 方案。 1）構(gòu)建 APRI 方案的理論依據(jù) WAAS 正常運(yùn)轉(zhuǎn)和正常條件下可提供高精度的電離層延遲改正信息 (絕對(duì)量 )，而 WAAS 所服務(wù)區(qū)域內(nèi)的單頻 GPS 接收機(jī)在不利條件下也能有效提供電離層延遲變化量 (相對(duì)量 )，且在不考慮噪聲影響，可直接計(jì)算任意兩觀測(cè)歷元間的電離層變化量的近似值。 2）提出 APRI 方案 通過設(shè)計(jì)能有效結(jié)合電離層延遲絕對(duì)量和相對(duì)變化量的抗差遞推過程，研究了一種新的單頻 GPS 電離層延遲改正方案 (稱為 APR 方案 ,即 Absolute Plus Relative Scheme)；給出了 APRI 方案的精度估計(jì)公式；分析實(shí)施 APRI 方案的有效途徑。 研究表明，新方案既保留正常條件下差分電離層延遲信息的精確改正效果，也確保了在不利條件下單頻 GPS用戶的電離層延遲改正效果。 APRI方案的實(shí)施，不需改變 WAAS 原有的整體設(shè)計(jì)思想，對(duì)硬件無新的要求，只需對(duì)用戶 GPS 軟件稍加改進(jìn)，實(shí)施簡便，是 WAAS 和單頻 GPS 用戶均可接受和易于實(shí)現(xiàn)的。 4. 檢測(cè)隨機(jī)信號(hào)的新理論 —— 變樣本自協(xié)方差估計(jì)的提出 及其在 GPS 監(jiān)測(cè)隨機(jī)電離層擾動(dòng)中的應(yīng)用 根據(jù) GPS 時(shí)序觀測(cè)的特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)先研究樣本時(shí)序變化時(shí)隨機(jī)電離層折射的自協(xié)方差估計(jì)的統(tǒng)計(jì)特性，再探討利用 GPS 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電離層活動(dòng)的新方法的思路，從基礎(chǔ)理論的提出到框架方案的建立，系統(tǒng)深入研究了利用 GPS 監(jiān)測(cè)隨機(jī)電離層擾動(dòng)的基本理論與方法。具體包括： 1）研究變樣本自協(xié)方差估計(jì) (ACEVS)理論 從一般的數(shù)學(xué)意義上建立了 ACEVS 的基本模型，并在進(jìn)一步擴(kuò)展白噪聲理論的基礎(chǔ)上，得到了 ACEVS 估計(jì)的理論和簡化解式，即變樣本自協(xié)方差估計(jì)的統(tǒng)計(jì)模型參數(shù)估計(jì)解式，進(jìn)而建立了隨機(jī)信號(hào)擾動(dòng)的診斷準(zhǔn)則。 2） ACEVS 估計(jì)應(yīng)用于 GPS 電離層監(jiān)測(cè)的可行性的理論證明與模擬分析 不僅從理論上證明了 ACEVS 應(yīng)用于 GPS 電離層監(jiān)測(cè)的可行性，而且利用雙頻GPS 數(shù)據(jù)也成功地模擬了隨機(jī)電離層折射的 ACEVS 估計(jì)的特性，并發(fā)現(xiàn)，變樣本自協(xié)方差估計(jì)的統(tǒng)計(jì)特性對(duì)隨機(jī)電離層延遲變化是敏感的；初步討論和分析了GPS 觀測(cè)提供的 TEC 變化也適用于 ACEVS 方法應(yīng)用條件 . 3）建立利用 GPS 監(jiān)測(cè)隨機(jī)電離層擾動(dòng)的框架方案 綜合 ACEVS理論及相關(guān)的結(jié)論和 GPS時(shí)序采樣的特點(diǎn)，初步給出一種基于 GPS的電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)的框架方案。 以上方法盡管是針對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求提出的，但它完全可用于后處理情況。電離層擾動(dòng)的 GPS 探測(cè)方案，主要分后處理和實(shí)時(shí)兩種情況，靜、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)方案基本相同，差別主要取決于硬件要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用 ACEVS 研究基于 GPS的隨機(jī)電離層活動(dòng)的監(jiān)測(cè)方法的設(shè)想是基本可行的；所給出的框架方案可作為設(shè)計(jì)各類利用單臺(tái) (靜、動(dòng)態(tài) )雙頻 GPS 接收機(jī)監(jiān)測(cè)電離層活動(dòng)的方法的參考方案之一。 5. 利用 GPS 數(shù)據(jù)精確模擬電離層延遲的新構(gòu)想 — — 電離層蝕因子法及初步實(shí)現(xiàn) 提出了 IPP點(diǎn)的電離層蝕因子及其影響因子的概念，給出了簡便的計(jì)算方法，進(jìn)而提出了一種利用 GPS 數(shù)據(jù)確定電離層延遲改正模型的新方法 —— 電離層蝕因子法。電離層蝕因子及其影響因子，能夠根據(jù)電離層隨周日、季節(jié)、半年和周年的變化，將適應(yīng)于不同季節(jié)的電離層延遲模型有效結(jié)合起來。研究表明，利用蝕因子法模擬的電離層延遲的改正精度與利用電離層無關(guān)觀測(cè)的消除電離層延遲的精度很接近，使得單頻 GPS 觀測(cè)的電離層延遲的改正精度有望實(shí)現(xiàn)突破性提高，從而接近雙頻 GPS 觀測(cè)自校正電離層延遲的精度。同時(shí)，由于它具 有很好的描述和區(qū)分電離層日間和夜間的能力，所以很適合模擬高動(dòng)態(tài)低軌衛(wèi)星的星載單頻 GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)的電離層延遲的變化特性。 6. 高精度修正星載單頻 GPS 低軌衛(wèi)星的電離層延遲的新對(duì)策 —— APRII 方案，即空基 APR 方案 分析了現(xiàn)有方法無法保證高精度和高可靠性地進(jìn)行電離層分層這一嚴(yán)重不足；利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模擬全球電離層模型和建立高精度區(qū)域格網(wǎng)電離層模型，初步分析了在全球范圍內(nèi)尋找若干個(gè)電離層結(jié)構(gòu)和活動(dòng)相對(duì)較有規(guī)律的局部區(qū)域的可行性；設(shè)計(jì)了在選定的局部電離層區(qū)域，聯(lián)合處理地基和低軌空基用戶的 GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)有效進(jìn)行電 離層分層的具體方法，給出了相應(yīng)的精度估計(jì)公式。初步的精度估算和試算結(jié)果表明，這種在局部區(qū)域進(jìn)行有效電離層分層的設(shè)想及給出的實(shí)施方法是可行的。進(jìn)而系統(tǒng)性地提出了一種用于星載單頻 GPS 接收機(jī)精密測(cè)軌中電離層延遲改正的綜合方法 — APRII 方案。地面 GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行的兩個(gè)初步模擬計(jì)算結(jié)果顯示，利用 APRII 可滿足低軌衛(wèi)星等低軌航天器精密測(cè)軌時(shí)的電離層延遲的高精度改正要求。