自适应全球电离层三维数学模型的建立及优化反演方法研究

Three dimensional (3D) temporal-spatial structures of global ionosphere have a significant effect on satellite navigation and precise positioning, radio communication and human space activities. With the development of multi-GNSS and LEO satellites for nearly a decade, rich data of ground-based and space-borne GNSS observations promotes the study on 3D modeling the global ionosphere with high precision and high resolution. The main problems of pixel model are the semi convergence and low efficiency. This contribution will propose an adaptive 3D ionospheric model on global scale based on multi-source spatial data and optimal regularization method, in order to describe the Three dimensional structures of the global ionosphere with high precision. The main research topics contain the building of 3D global ionospheric model, the determination of regular matrix and optimal regularization parameter, optimization of inversion algorithm, quantitative assessment of the model and development of the corresponding software and service platform. Finally, the applications of 3D global ionospheric model will be performed in precise positioning and ionosphere monitoring.. This project is an extension of the applicant’s recent research achievements. It is expected that this study has good application values in the ionospheric delay corrections with high precision for precise positioning, as well as ionosphere monitoring and risk early warning. Also, it has important scientific significance on understanding the detailed dynamic variation and relative physical mechanism of the ionosphere.

全球电离层三维时空分布对高精度卫星导航定位、无线电通讯和人类空间活动有着重要影响。随着多系统GNSS及低轨卫星的发展，丰富的地、空观测数据使得建立高精度高分辨率全球电离层三维模型具备了可行性。针对目前像素模型存在“半收敛”以及反演效率低下等问题，本项目拟结合多源空间观测数据与最优正则反演方法，创新性地提出一种自适应的数学模型从而高精度地表达全球电离层的三维时空分布。主要研究内容有：高精度全球电离层三维数学模型的建立；正则矩阵与最优正则参数的确定；优化反演算法以及模型的定量评估与验证；全球电离层三维建模软件的研制以及相应服务平台的搭建。在此基础上，对精密定位以及电离层监测开展试验应用。. 本项目是申请人已有成果的进一步拓展，相关研究成果不仅能为精密定位提供高精度电离层斜延迟修正、为电离层异常监测与风险预警提供基础平台，还对深入探索电离层变化规律及相应的物理机制具有重要科学意义。

电离层对于卫星导航定位、电波传播、短波通讯以及人类近地空间活动等方面具有重要应用。高精度三维电离层模型也有利于进一步探索日地空间环境、地球大气圈层耦合及相应物理机制。项目采用丰富的GNSS地面跟踪网络以及低轨掩星资料建立了高精度全球电离层三维模型。项目自执行以来，针对全球电离层三维反演存在的若干关键算法以及技术难题开展了研究，并取得了相应的成果。期间，共发表了SCI检索学术论文12篇，包括两项原创研究工作：1) 提出电离层天气指数(Ionospheric Climate Index, ICI) 2）发明了全球电离层广播模型(SWIM model)。主要研究工作包括以下内容：1) GNSS观测数据、掩星反演资料等多源数据的并行高效数据处理，为全球电离层三维模型提供基础技术支撑。开发了分布式并行计算框架，适应于不同硬件配置、网络的分布式数据处理，以满足全球电离层三维快速反演。2) 利用先验参数及方差协方差，实现了高时间分辨率的全球电离层模型，能够反映电离层的细节变化，清晰地展现电离层午后咬失、日落增强和午夜增强等现象。3) 采用精密单点定位技术对七个分心中心的电离层产品进行定量评估，从UT时、纬度带两个层面对各分析中心产品进行精细定权，进而合并得到更加可靠的全球电离层综合产品。4) 充分利用全球几百个GNSS观测数据实现了近实时全球电离层建模及预报，解决了IGS滞后至少1天甚至多天时效性不高的问题，严重影响了模型产品在卫星导航、电波传播等实际应用的价值。5) 提出了Mini Batch SIRT算法，充分发挥多核并行计算能力，大幅提高电离层反演效率，为全球电离层三维反演业务化运行提供了坚实基础。最后，通过分析磁静/磁暴期间电子密度时空变化，表明电离层三维反演是监测电离层三维大尺度演化过程的有效技术，将有利于进一步探索电离层磁层耦合及物理机制。