基于多源数据融合和非负不等式约束的全球电离层精细建模研究

Ionosphere is an important components in the earth-sun system, and is one of the most important parts which affect human beings live directly. It is of great significance in science, economy and military to monitor and study various phenomena occurred in ionosphere, and then to explore their physical mechanism. Global ionosphere maps (GIM) with high accuracy is the basis of ionospheric research. However, current GIMs have limitations that the accuracies in ocean areas are quite low and VTEC in some grids at the winter-hemisphere are negative, which are burning questions to be settled urgently. Aiming at the above problems, this project conducts study on ionospheric modeling methods with integration of multi-source data including ground-based GNSS, ocean altimetry, LEO occultation and DORIS data. The systematic biases among different observations are estimated as parameters, the accuracy differences among different observations are considered, and Helmert variance components estimation is used to assign weight precisely, besides, non-negative inequation constraints are introduced. Finally, a new GIM model with high accuracy and high reliability will be built based on integration of multi-source data and non-negative inequality constraints, it is capable to improve accuracy in ocean areas and to solve negative VTEC problem than traditional GIM models.

电离层是日地空间环境的重要组成部分，监测与研究电离层中的各种现象，进而揭示现象背后的物理机制，具有重要的科学、经济和军事意义，而高精度的全球电离层模型则是研究电离层的基础。现有全球电离层模型存在海洋地区精度和可靠性较低以及部分格网VTEC为负值的缺陷，成为现有电离层研究中亟待解决的重要问题。本项目针对上述问题，综合利用地基GNSS数据、海洋测高卫星、LEO掩星和DORIS系统等多种大地测量手段的观测数据，研究严密的多源数据融合方法，将不同类观测数据间的系统偏差作为参数进行估计，考虑不同观测数据间的精度差异，利用赫尔默特方差分量估计精确定权，并引入非负不等式约束，建立基于多源数据融合和非负不等式约束的高精度高可靠性的全球电离层格网模型，为解决现有模型存在的缺陷做出有益的探索，具有重要意义。

电离层是地球上层大气的一部分，是日地空间环境的重要组成部分，是直接影响人类生活最重要的环节之一。监测与研究电离层中的各种现象，进而揭示现象背后的物理机制，具有重要的科学、经济和军事意义。.大地测量与导航等领域的用户为获得高精度定位结果，十分重视对电离层延迟误差的研究，以减弱其对测量精度的影响。空间物理和大气科学等领域则反演电离层的结构及其时空分布特性、探测和预报电离层的活动与变化规律，并结合电离层物理理论解释电离层的各种物理现象。.GPS是当前进行全球电离层建模的主要数据源。GPS具有全球覆盖、定位精度高等诸多优点。全球范围内各种不同尺度、密度的连续运行GPS跟踪网为电离层区域及全球特性的研究提供了高精度、高时空分辨率的数据源。但是，当前全球电离层模型仍主要采用地基观测数据建立（包括IGS的各个电离层数据处理中心），由于地面跟踪站分布不均匀，导致现有模型在海洋等跟踪站稀少的地区精度和可靠性得不到保证。此外，全球电离层模型在冬季半球存在部分格网VTEC出现负值的问题。以上问题成为现有电离层研究中亟待解决的重要问题，可将其归结为数据问题和算法问题。.海洋测高卫星的轨道覆盖大部分海洋地区，LEO（Low Earth Orbit）卫星的掩星观测也可获得大量的全球均匀分布的电离层信息，DORIS（Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite）系统在海洋地区也有着较好的分布。因而，将空基电离层数据与地基GNSS观测数据进行融合，可以有效提高全球电离层模型GIM（Global Ionosphere Maps）在海洋地区的精度和可靠性。.本项目结合地基GNSS数据、海洋测高卫星、LEO掩星和DORIS系统的电离层观测数据，充分利用不同观测值时空分布特点，研究基于多源数据融合的全球电离层模型建立的理论与方法，并将非负不等式约束引入全球电离层建模中，解决部分格网VTEC（Vertical Total Electron Content）为负值的缺陷，为提高全球电离层模型的精度和可靠性做出有益探索。