地基GNSS电离层VTEC模型精化方法研究

GNSS ionosphere VTEC modeling has been being research focus for GNSS applications and ionosphere related domains. It is the universal approach for VTEC modeling by use of terrestrial GNSS up to now. It has shown that many uncertain sources still exists in update different VTEC modeling technologies by comparing different VTEC model results using different technologies and methods, which makes us have no enough confidences in these model results. It will be more significant when integrated VTEC models are found on highly exact models using respective technologies. Terrestrial GNSS VTEC modeling should be given enough importance, and they can be improved in large extent. After error sources are studied carefully, two refining methods for terrestrial GNSS VTEC modeling are put forward from two different points. One is the LS adjustment for all possible combinations with reasonable statistical tests, the other is the modern adjustment based different error types. The methods for regional and global grim VTEC models combining single-station refined models and external assesses for combined VTEC models by using of dynamic or stationary, absolute or relative positioning and other approaches are discussed. At last, for future multi-module and multi-frequency GNSS systems, the integrated modes are studied in advance. All the new fruits will provide terrestrial GNSS VTEC modeling with original clues.

GNSS电离层VTEC模型化一直是GNSS应用和电离层相关领域的研究热点，利用地基GNSS数据建立VTEC模型仍是当前VTEC模型化最广泛的手段。但是，不同技术、不同方法建立的VTEC模型之间的广泛比较说明了当前各种VTEC模型化中仍存在诸多不确定因素，很难有令人信服的结果。高精确VTEC模型融合需建立在各种技术都能提供精确模型的基础上才更有意义，地基GNSS电离层VTEC模型精化应当引起重视并仍有很大的提升空间。在深入研究误差源性质规律的基础上，从两种角度提出了模型精化方法研究方向，一是基于遍历性LS平差并辅以全面统计检验的方法，二是基于综合误差处理的近代平差方法。讨论了基于单站VTEC精化模型生成区域及全球格网VTEC模型的方法，以及利用GNSS动、静态单点、相对定位等手段评价精化模型的外部方法。结合现状，对多模多频GNSS融合模式进行了预研。以上成果为地基VTEC精化提供了新思路。

项目围绕VTEC模型精化、应用与评价展开了较深入的研究，具体成果包括：（1）对IGS电离层产品（GIMs）进行了深入研究与应用，对1998年6月1日以来IGS发布的长序列GIMs进行了检查，指出了2004年（含）以前产品存在可靠性问题，2005-2016产品宏观上具有合理性与可用性，但RMS有时可达约30TECU，为电离层相关领域使用GIMs提供了重要参考。（2）对GNSS非差观测值误差源进行了深入分析，探讨了双频/三频周跳探测与修复方法以及提出了一种直接计算电离层二阶项延迟改正的方法，提高了L4观测值的可靠性与精度；分析并制定了P4观测值的限差（50m），不仅适用于GPS也适用于BDS。（3）提出了滑动优选多项式系数法进行单站、区域乃至全球VTEC的建模方法，相较GIMs，P4结果在太阳活动低年平均精度在低、中纬度分别提升了65%、35%，在高纬度保持了相当水平，绝对精度优于2TECU；在太阳活动高年平均精度在低、中、高纬度分别提升了70%、79%、35%，绝对精度优于1TECU；若只考虑中低纬度站，则可获得优于0.8TECU的绝对精度。建议使用这种具有可靠性高、近实时、适应不同区域大小的建模方法。（4）分析了中国区域9个IGS站（BJFS、BJNM、CHAN、GUAO、LHAZ、TWTF、URUM、WUHN、WUH2）电离层区域覆盖情况，为了满足中国VTEC空域的均匀覆盖，建议新增台站（14°N，112°E）、（27°N，102°E）、（35°N，80°E）、（37°N，102°E）、（48°N，121°E）。（5）提出了将EMD方法和小波分析法组合用于VTEC周期探测的新方法，其周期探测结果最小值可达3.6h；提出了小波分解与ARMA模型组合预报VTEC序列的新方法，该方法在准确性及稳定性方面均优于传统的ARMA模型。（6）分别建立了适用于单站、区域和全球的Klobuchar-like模型、14参数Klobuchar模型、8参数Klobuchar模型，实例表明了Klobuchar-like模型的优越性，建议用于GNSS导航定位研究，其参数略多问题可以进一步优化。（7）提出了PPP解代替基线解的方法并进行了初步实验，在110km距离上远高于C级网精度，将PPP坐标差作为基线向量以取代复杂的基线网解的模式，具有一定的应用前景。