低纬GNSS电离层闪烁监测及应用研究

罗小敏

中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院，湖北 武汉 430074

电离层中小尺度不规则体会引起全球导航卫星系统(GNSS)信号发生衍射及散射效应，导致地面GNSS接收机跟踪的无线电信号的振幅和相位产生不同程度的衰减与畸变，即GNSS电离层闪烁。GNSS电离层闪烁难以利用常规的电离层延迟误差处理方法予以削弱，其对GNSS服务的完好性、连续性和可用性产生严重威胁。论文针对低纬电离层闪烁对GNSS观测与定位的不利影响，从电离层闪烁及电离层不规则体形成的物理机制出发，开展了包括电离层闪烁指数的构建、闪烁指数在低纬电离层不规则体特性分析中的应用、削弱低纬电离层闪烁对GNSS精密单点定位(PPP)影响的处理方法、GNSS电离层闪烁监测应用等多方面的研究。主要内容如下：

(1)详述了电离层对GNSS信号的影响可以分为电离层延迟与电离层闪烁，并从无线电波穿过电离层介质时所产生的折射与衍射的物理效应出发，指出了GNSS电离层闪烁发生的物理原因，从而阐明了电离层闪烁与电离层延迟的本质区别。系统总结了低纬电离层不规则体的形成机制及影响不规则体生长与发展的因素，阐述了电离层闪烁基础理论。

(2)总结了常用GNSS电离层闪烁指数S4与相位闪烁指数σφ的计算方法。在此基础上，发展了一种利用普通型GNSS接收机1 Hz的载噪比数据构建的电离层闪烁指数S4c。结果表明：S4c指数与专用型电离层闪烁监测接收机输出的闪烁指数S4的相关系数达0.9。构建的S4c指数可为全球普通型GNSS接收机观测网实现大范围低成本电离层闪烁监测提供技术支撑。

(3)提出了基于北斗地球静止轨道(BDS GEO)卫星观测数据分析电离层不规则体特性的方法。该方法以地基GNSS测站上空的GEO卫星作为参考，对比分析磁静日不同轨位的GEO卫星(参考GEO卫星、西边及东边的GEO卫星)首次观测到的不规则体时间，分析确定不规则体产生的特点。基于该方法发现了东亚地区104.98°E与112.34°E经度带上空的本地电离层不规则体产生率存在明显差异，并指出了这种差异与活跃的大气热带辐合带所激发的重力波存在密切联系。

(4)深入分析了低纬电离层闪烁环境下BDS PPP的定位结果，提出了顾及电离层闪烁指数的BDS GEO、IGSO、MEO卫星TurboEdit周跳阈值建模方法。通过统计大量的BDS卫星TurboEdit周跳探测观测值与电离层闪烁指数的分布关系，初步建立了不同类型BDS卫星的TurboEdit周跳阈值模型。大量的算例表明，相比于基于经验周跳阈值的BDS PPP方案，采用周跳阈值模型的BDS PPP可以非常有效地削弱电离层闪烁对定位结果的影响，在E、N、U三个方向的定位精度分别改善了24.1%、38.2%、47.9%。

(5)基于FUSING软件平台，实现了多GNSS电离层闪烁实时监测模块，构建了基于ROTI、S4c指数的全球及中国区域电离层闪烁实时监测格网图。利用电离层闪烁监测格网图分析了中等磁暴、强磁暴与特大磁暴期间电离层不规则体的全球分布特点，指出了ROTI与S4c格网图在反映电离层不规则体时存在差异。此外，以ROTI指数及ROTI格网图为基础，联合利用地基电离层测高仪、星基Swarm Ne数据对热带气旋期间的电离层不规则体及电离层扰动特点进行了详细分析，发现了ROTI格网图对低纬电离层不规则体与电离层行进式扰动同样敏感，并建议利用测高仪、闪烁监测接收机、甚高频相干散射雷达等多源数据对低纬电离层不规则体进行交叉验证。