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基于北斗GNSS的电离层精细监测与应用服务

归档日期:06-22       文本归类:非电离层      文章编辑:爱尚语录

  电离层是位于地球表面60-1000公里之间的高层大气,由于其带有大量自由电子,能够对在其中穿越或反射的无线电信号产生显著影响,是空间天气应用关注的重点。以我国北斗、美国GPS、欧盟Galileo等为代表的全球卫星导航系统(GNSS,Global Navigation Satellite Systems),除了可以为用户提供高精度导航、定位和授时服务之外,作为一种空间无线电信号遥感系统,还可以对空间大气进行精细探测。

  北斗/GNSS导航信号从距离地球2万多公里的卫星上发出,穿过地球大气层(主要包括电离层和对流层),被安装在地球表面、临近空间或低轨卫星上的接收机接收,通过精确测量导航信号经过大气层的延迟、功率衰减和幅度变化等即可反演得到信号传播路径上的大气温度、压强、湿度、电子密度等参数,每个接收机和每个可视卫星即可形成一组有效观测。

  GNSS被认为是目前唯一同时具备精度高、连续性好、全球覆盖、成本低等特点的探测手段,可以与传统观测手段实现优势互补。特别是,随着空间卫星星座以及地面监测站数量的日益增多,观测精度、时间和空间分辨率将会得到进一步提高。基于GNSS的高精度电离层监测和反演,不仅有利于推动电离层物理研究和日地空间天气应用,而且对于提升北斗/GNSS导航定位和授时服务性能具有重要作用。

  李子申博士负责的中国科学院空天信息研究院导航系统部GNSS电离层研究团队(GIPP/AIR),长期致力于充分挖掘和发挥北斗/GNSS等多模多频信号特点和优势,实现全球/区域/局部电离层天气关键参数的精确监测和反演,研发了基于北斗/GNSS的空间电离层监测设备与服务系统,联合中科院测地所承担建设了国际IGS(International GNSS Service)电离层分析中心,代号为CAS。其中,GIPP/AIR团队成员主要包括:王宁波、汪亮、周凯、李文、刘昂等。

  研发了北斗/GNSS空间大气监测接收机-BDSmart-(BDS/GNSS-ionospheric Monitoring And Retrieval Terminal),基于高精度卫星轨道、钟差和差分码偏差实时产品,在单个基准站即可实现电离层闪烁、TEC、扰动和大气可降水量的实时监测,大幅降低了中心数据处理负担,提高了监测效率,为我国实现大规模建设北斗/GNSS大气和电离层观测网络奠定了基础。

  构建了基于云平台的北斗/GNSS电离层数据处理和服务系统,利用全球/区域分布的GNSS基准站观测资料,支持全球/区域/局部的电离层TEC实时和事后精确监测和建模、全球/区域/局部的电离层扰动监测和计算、多模多频卫星导航系统差分码偏差的精确估计、北斗/GPS/Galileo全球广播电离层延迟修正模型精化、全球/区域/局部电离层实时产品的播发服务等功能。

  实现了北斗/GNSS全球电离层TEC格网最终、快速、预报和实时产品的业务化处理,例行提交至国际IGS产品中心。

  率先实现了北斗、GPS、Galileo、GLONASS、QZSS多模多频GNSS码偏差(DSB及OSB参数)的统一定义和精确估计,相关产品例行提交至IGS,并对外公开发布。

  开展了全球导航卫星系统广播电离层时延修正模型的实时精化服务,对公众发布了Klobuchar(GPS)、BDGIM(BDS-3)以及NeQuickG(Galileo)修正参数。

  积极推动基于北斗/GNSS的全球/区域/局部电离层扰动监测研究,为电离层异常的实时精确监测和预警服务提供支撑。

  成功应用于大众智能终端,综合北斗/GNSS实时卫星轨道、钟差、差分码偏差以及电离层实时产品,可辅助手机实现亚米级导航定位服务。

  图16. 大众智能手机利用全球实时电离层、轨道和钟差产品前后的定位效果对比

  搭建了GNSS电离层数据产品服务器,供感兴趣的用户下载相关产品,开展服务和研究。

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