中国低纬度地区GPS周跳现象统计分析

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GPS卫星信号在穿越扰动电离层时,受到电离层不均匀结构的影响,产生相位起伏,信噪比下降,从而影响GPS定位准确度,这种影响在精密定位中很难彻底消除。通过对电离层对GPS信号的效应分析,在电离层领域里也可以使用GPS信号的变化来描述电离层扰动的强度。使用GPS测量量描述不均匀结构体,常用的有S4--指数,TEC变化率,相位起伏参数等。通过GPS观测得到的参数与其它电离层观测手段,如数字测高仪得到的扩展F的相关性分析,可以更加详细地进行电离层扰动的特征分析。本文提出 GPS 周跳事件既可作为电离层效应的研究参数,也可用来反映电离层的闪烁强度。 本文主要对低纬度地区GPS相位产生短暂失锁事件进行不同时间尺度的统计分析,即对周跳事件发生次数按照地方时,季节,太阳活动变化统计分析。并与中国低纬度地区电离层闪烁发生的时间特性进行对比。具体工作包括,选取01年某站各个仰角范围的周跳,统计分析不同仰角范围周跳随地方时的分布规律。卫星仰角大于25度时周跳的发生与由电离层不均匀结构造成的闪烁在日落后产生极大有着很好的符合。各个低纬台站的高仰角周跳发生有明显的的地方时依赖性,一天中绝大多数周跳都集中在地方时19点以后,最高发生时段在20点到21点之间,随后发生率逐渐降低,直到当地凌晨。同一时间,处于电离层闪烁多发带低纬区外侧的LUZH台站的周跳数目明显少于其他台站,而LUZH台站发生周跳的IPP位置也集中在低纬闪烁多发区的一侧。一年中,统计显示各个台站GPS周跳主要发生在两分季期间,且在很多时间段及一些具体天中,6个台站的周跳日发生次数具有明显的相关性。以相距很近的XIAG和KMIN两台站01年日周跳发生次数存在明显差异这一事实出发,分析了同样电离层扰动条件下,GPS接收机本身硬件质量对周跳发生频率的影响。同一接收机周跳数目可以反映电离层闪烁活动的强弱,作为研究电离层的一个辅助手段,而同等扰动环境条件下,不同接收机周跳出现率也可作为接收机抗干扰能力强弱的一个评测依据。从对XIAM和GUAN站99~06近八年的数据统计分析看,周跳发生率的高低与太阳活动强弱具有正相关性,这同电离层闪烁与太阳活动强弱的相关性是一致的。各台站由于经度不同,日落后高仰角周跳的频繁发生的起始也是不同时的,西面台站要晚于东面台站,这是由当地时日落后不均匀结构体开始形成,对定位信号造成影响。最后将周跳现象与GUAN站01年和02年扩展F现象在地方时和季节分不上对比,通常高仰角周跳的多发月份都对应着扩展 F 的高发生率。当地时20点到午夜这段时间内,周跳与扩展F都具有较高发生率。 通过周跳事件的统计性分析,将 GPS 的周跳事件与电离层不均匀结构体以及一般信号的闪烁发生规律进行对比,得到高仰角周跳发生与电离层不均匀结构体的存在在时间上和空间上都有很好的相关性。电离层不均匀结构体对GPS信号有着显著的影响,在精密定位时有必要考虑区域电离层的闪烁特性,应避免在闪烁多发时段进行测量。而 GPS 接收机的短暂失锁现象的统计也为描述电离层不均匀结构体强弱提供了一个新的手段。
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