我国低纬地区GNSS电离层延迟精确建模与修正新方法研究

The precise model and mitigation of ionospheric delay over low latitudes has been a hot and difficult problem in the research area of GNSS-related ionosphere. Recently, the extensive application of BeiDou Navigation Satellite System in southern China makes higher and urgenter requirement of ionospheic delay modeling and correction over low latitudes of China.Generally, the performace of existing methods of WAAS-related ionospheric modeling directly used over low latitudes is much worse than that in middle latitudes and cann't meet the demand of preceise GNSS user. In view of this, a new approach is proposed in this project to further improve the existing method by introducing an ionospheric multi-layers assumption and adaptive covariance function of ionospheric delay. The proposed approach aims to achieve a correction of better than 0.4m （about 20% better than the performance of current methods） over low latitudes with the inter-station distation about 400-500km. The proposed approach takes the vertical distribution of ionospheric electron density and the inherent random characteristics of ionospheric delay into account, while that has been ignored in the existing methods. The achievement of this project can further enrich the theory of GNSS-based ionospheric delay modeling and provide a techinque support for the users of GNSS/Compass wide area real-time precise positioning, RTK, PPP and so on to obtain the ionospheric delay with a high precison. Therefore, this research has not only an important academic value, but also broad application prospect.

低纬电离层延迟的精确建模与修正一直是GNSS电离层研究的热点和难点之一。近年来，北斗系统在我国南方地区的推广应用对此提出了更为迫切的需求。现有广域增强电离层延迟建模方法应用于低纬地区时通常难以达到其在中纬地区的修正效果。针对此，本项目拟结合我国低纬电离层活动特点，从"建立相对合理的电离层多层假设"以及"构造自适应描述电离层延迟相关性的协方差函数"两方面入手，构建提高我国低纬GNSS电离层延迟建模精度的新方法，旨在站间距400-500公里的条件下，实现平均优于0.4米的修正精度，较现有方法提高20%左右。新方法不仅一定程度上考虑了电离层电子密度在垂直方向上的分布结构，而且更好地顾及到了电离层固有的随机特性。 相关成果将进一步丰富现有GNSS电离层延迟建模的理论与方法，并可为北斗广域增强系统、网络RTK以及精密单点定位等用户的电离层延迟修正提供技术支撑，具有重要的理论意义与广阔的应用前景。

本项目瞄准北斗全球卫星导航系统发展和应用对电离层延迟精确修正的迫切需求，结合我国低纬度地区电离层活动的特点和规律，重点开展了电离层薄层假设误差分析、多模多频卫星差分码偏差延迟精确估计、电离层延迟趋势项和随机项精确建模等关键技术研究，综合建立了面向我国低纬度地区的电离层延迟精确修正方案；该方案通过采用双薄层假设，一定程度上考虑了电离层电子密度在垂直方向上的变化，进而缓解了电离层投影函数误差的影响；通过设计解决球谐函数应用于区域电离层建模时存在的严重病态问题以及引入描述电离层随机项的实时协方差函数模型，有效地实现了电离层延迟的精细化模拟；拓展开展了基于多模卫星导航系统的全球电离层延迟精确建模和产品计算的研究。在此基础上，研制了多模卫星导航电离层数据处理与产品发布平台(www.gipp.org.cn)，分别在中国和澳大利亚区域开展了实验验证。初步试验结果表明：在基准站站间距700公里左右的条件下，在电离层活动高年和低年，平均修正精度分别优于0.4米和0.2米，较传统方法修正性能提高约20%-30%。上述部分研究成果为北斗系统全球和区域电离层模型的建立提供了直接参考，部分成果应用于北斗实验卫星工程，正在开展在轨测试；同时，联合推动了IGS增设中国科学院为IGS电离层分析中心。. 在上述研究过程中，项目组成员7次参加中国卫星导航学术年会、美国导航学术年会等国内外本领域重要学术会议；分别赴荷兰代尔夫特理工大学以及澳大利亚皇家墨尔本理工大学进行学术访问；邀请德国地学研究中心葛茂荣研究员、澳大利亚皇家墨尔本理工大学张克非教授、荷兰代尔夫特理工大学Verhagen博士、澳大利亚科廷大学Dennis Odijk博士等国外优秀学者来进行专题研讨；培养硕士研究生3名，博士研究生2名，联合资助中荷博士交换生1名；项目负责人入选2017年北京市科技新星计划，荣获2016年澳大利亚Endeavor Research Fellow奖励计划等。. 以上述研究成果为核心，发表学术论文15篇（其中，SCI检索9篇），申请发明专利2项，申请软件著作权2项。