电离层形态对解算GPS系统硬件延迟精度的影响

The estimation of GPS instrumental bias is one of the most important processes to derive ionospheric total electron content (TEC) from dual-frequency GPS observation. The error of the estimated instrumental bias is also the main error source of the ionospheric TEC derived GPS data. In this project, by the analysis of the variability of instrumental bias derived from GPS data observed during the period of strong ionospheric disturbance, the connection between the variability of instrumental bias and the ionospheric effect will be made. According to the statistical results of GPS instrumental bias derived from GPS data observed at different latitudinal location, the error of bias will be quantitatively studied related to variation of the ionospheric morphology. Considering the features of the ionospheric solar cycle variation, ionospheric seasonal variation, the bias stability and its creditability will be studied. Based on the bias error and bias stability under different ionospheric condition, the analysis of precision of ionospheric TEC derived from GPS data will be done, and the evaluation of results obtained based on this kind of ionospheric TEC will be conducted. Finally, considering the ionospheric effect on the method of bias estimation, a more stable and more accurate estimation method of instrumental bias will be developed.

GPS系统硬件延迟估算是基于GPS数据提取电离层总电子含量过程中的重要步骤，对硬件延迟的估算误差也是基于GPS数据提取电离层总电子含量的主要误差源，对硬件延迟估算结果的分析有助于认识电离层总电子含量的精度和可应用范围。本研究通过分析特殊电离层扰动期间利用GPS数据提取的硬件延迟的变化，明确电离层状态对GPS系统硬件延迟估算的影响；通过对不同空间区域GPS数据提取的硬件延迟的统计分析，定量分析传统硬件延迟估算方法得到的延迟精度；结合电离层随太阳活动周、季节等的变化规律，统计研究电离层长期变化对硬件延迟估算结果的影响规律。通过不同电离层背景和扰动条件下的GPS硬件延迟估算误差，分析基于GPS数据提取电离层总电子含量的精度，分析利用这类数据开展电离层扰动研究的可靠性。考虑电离层对硬件延迟估算结果的影响规律，建立稳定、准确的硬件延迟估算方法，提高基于GPS数据提取电离层总电子含量的精度。

GPS系统硬件偏差是利用GPS数据提取电离层总电子含量的主要误差源,在利用GPS数据提取电离层总电子含量过程中,获取GPS硬件延迟偏差是必备步骤。目前，获得GPS系统硬件延迟偏差（包括卫星和接收机）的方法都要基于一定的电离层假设条件，如电离层缓变假设，电离层薄壳假设。但由于电离层存在着各种时空尺度的变化，这些变化会影响估算硬件延迟时的电离层假设条件，造成估算的硬件延迟偏差存在一定的误差。本课题就是研究电离层形态对估算GPS硬件延迟偏差的误差的影响。在前期针对电离层暴，电离层赤道异常峰两种电离层形态对估算的硬件延迟偏差的变化性研究的基础上，本项目开展了针对电离层日-日变化，电离层季节变化，电离层太阳活动周变化，以及电离层周日变化对估算的硬件延迟偏差精度的影响。主要结果包括：（1）基于白天的GPS观测数据估算的硬件延迟偏差的均方差要大于基于夜晚的GPS观测数据估算的硬件延迟偏差的均方差；（2）估算的硬件延迟偏差的稳定性存在着日-日变化性，太阳活动高年期间估算的硬件延迟偏差的稳定性要差于太阳活动高年的结果；（3）估算的硬件延迟偏差有季节变化特点，这是电离层季节变化造成的误差；（4）估算的卫星硬件延迟偏差具有明显的太阳活动周变化，这种变化与估算过程中假设所有卫星硬件延迟零均值假设以及卫星更换有关，但也与电离层长期变化的形态有关。电离层球壳高度是造成估算的硬件延迟偏差变化的原因之一，本课题还利用电离层-等离子体模型分析了球壳高度取值对提取的电离层总电子含量精度的影响，从结果来看，目前的基于GPS数据提取电离层总电子含量方法中所用的球壳高度要低一些。通过本项目的研究，对基于GPS数据估算的硬件延迟的变化有了全面的认识，这些变化将会影响计算的电离层总电子含量的精度，对基于GPS数据提取的电离层总电子含量在电离层扰动和形态中研究结果的可靠性分析具有指导意义。