基于北斗/GNSS的电离层精细监测与应用服务

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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。

图1.  地球大气分层结构示意图

（图片来源于www.sciencephoto.com）

图2.  全球导航卫星系统与电离层之间的关系

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。

图3.  基于北斗/GNSS的空间大气观测示意图

（图片来源于apollo.lsc.vsc.edu）

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。

图4.  空间电离层与我们日常生活的关系示意图

（图片来源于Bell Laboratories）

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。

图5.  GNSS电离层研究团队主要研究思路示意图

图6.  联合承担建设了国际IGS电离层分析中心（代号为CAS）

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。

图7.  研发的北斗/GNSS空间大气监测接收机（BDSmart）

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。

图8.  基于云平台的北斗/GNSS电离层数据处理和服务系统运行状态

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。

图9.  近2个太阳活动周期内全球IGS电离层分析中心产品性能对比

10.  CAS电离层分析中心提供的全球电离层实时产品服务（www.gipp.org.cn）

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。

图11.  我国北斗全球系统(BDS-2/3)差分码偏差精确估计结果

图12.  多频多模GNSS OSB参数例行精确估计结果（以GPS为例）

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。

图13.  CAS精化后的Klobuchar（GPS）和NeQuick（Galileo）参数与原模型效果对比

图14.  CAS精化后的北斗广播电离层延迟模型-BDGIM 

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。

图15.  CAS电离层分析中心提供的全球电离层ROTI产品

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。

ftp地址：ftp.gipp.org.cn

图17.  CAS电离层数据产品服务器目录结构

欢迎对卫星导航电离层研究和应用感兴趣的同学和老师来电垂询。

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来源：空天信息（版权归原作者及刊载媒体所有）

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编辑 / 富裕  审核 / 张胜威 黄敏

指导：万剑华教授