基于多源数据的电离层异常监测及GNSS影响效应研究

程 娜

山东建筑大学测绘地理信息学院，山东 济南 250101

电离层是日地空间环境的重要组成部分，电离层异常对无线电通讯和人类空间活动的影响不容忽视。电离层异常监测，在高精度GNSS PNT服务与深空探测误差修正、空间天气预报预警及日地空间环境动态监测等方面具有重要科学意义和实用价值。海量地基、天基多源电离层观测数据，为电离层异常监测及电离层精细化时空变化反演提供了丰富的数据源。论文利用全球约250个Multi-GNSS站和COSMIC掩星观测数据，采用并行计算10 min内实现全球数据处理，近实时构建了三维电子密度模型，融合掩星数据使得海洋地区的精度明显改善；搭建了天地联合多源电离层观测数据融合处理试验平台，在线提供近实时三维电离层产品，可为地球空间飞行器的空间环境信息支持、空间环境异常监测及预报、导航系统全球电离层延迟修正等提供服务。基于近实时三维电子密度模型，开展了电离层异常的立体监测，较IRI模型能够更好地监测磁暴期间电离层异常与演化过程，实现了全球大尺度、区域精细化电离层动态监测。同时，论文针对电离层异常对GNSS影响效应展开了较为全面的研究，分析了磁暴、太阳耀斑对GNSS信号、电离层模型精度、服务性能的影响。具体研究内容如下：

(1) 基于地基、天基多源电离层观测数据，结合层析技术，采用OpenMP并行化处理，近实时构建了三维电离层模型，获取精细的三维电离层时空分布信息；针对近年来发生的强磁暴事件，反演全球和区域电子密度时空变化，监测磁暴期间电离层异常及演化过程，实现了全球大尺度、区域精细化的电离层异常三维监测。

(2) 利用中国陆态网GNSS观测资料改进GIM格网模型，生成全球二维电离层TEC格网，分析了磁暴期间的电离层TEC全球变化特性，实现全球二维电离层异常监测；基于全球IGS网、iGMAS跟踪站及区域陆态网Multi-GNSS观测获取电离层STEC、ROT、ROTI，并利用这些信息，分析了太阳耀斑、地磁暴对电离层影响的特征和规律。

(3) 分析了电离层异常对GNSS信号质量、定位性能的影响。针对太阳耀斑事件，统计了GNSS信号信噪比、伪距和载波相位残差及周跳结果，分析了GPS、GLONASS、BDS、Galileo系统空间信号测距误差SISURE，以及单频PPP、双频PPP与SPP定位误差变化。分析结果表明，电离层异常对GNSS信号信噪比、伪距和载波相位噪声、周跳及PPP定位结果影响较为明显SISURE与SPP定位结果则无明显变化。

(4) 研究了GNSS广播电离层模型BIMs在不同太阳活动水平下的适应性。分析了太阳活动活跃时期12次太阳耀斑事件期间GPS、BDS、Galileo BIMs精度变化。结果表明，太阳耀斑期间，模型相对精度明显降低，且BDS Klobuchar模型的适应性优于GPS和Galileo模型，通过对比分析Klobuchar模型参数变化可知，模型参数的更新频率对模型在异常条件下的适应性非常关键，高频的参数更新有利于提高模型在异常条件下的可靠性。