项目简介

      瞄准北斗系统国际化及我国航天系统对电离层环境监测的迫切需求,充分挖掘北斗和 Galileo的技术特色,突破融合北斗和Galileo的电离层实时精细化探测技术,研发空间电离层实时监测和服务平台,形成包括电离层 TEC、三维电子密度、扰动等在内的系列实时电离层产品,并开展面向导航定位、短波通信和科学研究等领域的应用验证。

      依托联合研发的电离层实时监测和服务平台,建成国际最权威的IGS组织中国科学院电离层分析中心;牵头全球电离层IGS-SSR数据标准的制定,推动北斗电离层写入国际IGS数据标准;研制北斗/Galileo/GPS空间大气一体化探测设备(BDSmart),首次实现北斗/Galileo和低频无线电天文望远镜(LOFAR)的电离层联合观测;以高精度电离层数据为基础,联合团队实时卫星钟轨等产品,共同推动了“北斗+Galileo”高精度定位在自动驾驶、空天遥感、智能手机等领域的应用。北斗电离层国际合作成果,同时入选国家“十三五”科技创新成就展。



项目历程

2019年8月, 卫星导航电离层中波国际合作项目启动(英文名ARTERMIS)

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2019年9月, 在波兰组织召开COSPAR信标电离层国际学术会议

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2019年10月,在北京首次组织召开IGS电离层工作组专题论坛

03

2020年10月,联合推动国际IGS组织实时电离层产品IGS-SSR数据格式制定

04

2020年11月,在波兰奥尔什丁建成LOFAR与北斗/Galileo电离层联合观测站

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2021年8月,联合研发电离层实时监测和服务平台并建成IGS实时分析中心(代号CAS)

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项目成果


      提出了北斗/GNSS信号偏差统一定义与精确估计方法,结合不同导航系统信号的结构特点及不同类型观测量的噪声水平,有效地甄选出性能相对更为稳定的基本频点和各频点的基本观测,定义面向各独立观测类型的信号偏差参数,实现多模多频北斗/GNSS信号偏差参数的统一表达;充分挖掘多模多频GNSS的有效观测信息,构建信号偏差与电离层参数估计的严密数学模型以及信号偏差参数的稳定参考基准,形成充分顾及北斗信号特点的多模多频导航信号偏差统一定义与精确估计的新方法,并设计面向实时应用的偏差产品统一播发格式。
      相关成果发表在Journal of Geodesy等期刊,是全球首个对外发布伪距偏差数据产品的团队,数据产品类型最为齐全(涉及5个系统、40余种类型),所发布的例行产品被法国空间研究中心、欧洲GMV公司等国内外10余家机构使用。


      电离层梯度与闪烁效应是制约北斗/GNSS精准可信服务较为棘手的难题之一。针对电离层TEC变化率指数ROTI,设计自适应的窗口调整策略以及最优的参数计算策略,充分利用区域实时GNSS高频观测数据,在实现各基准站卫星视线方向ROTI实时计算的基础上,建立基于IDW的ROTI指数空间网格化方法,实现电离层梯度效应的区域/全球实时精细监测。
      针对电离层相位和幅度闪烁指数,提出了基于高频电离层观测量的去趋势化扰动检测算法,在实现离散化的电离层相位和幅度闪烁指数计算的基础上,建立基于IDW的闪烁指数空间网格化方法,实现电离层闪烁效应的区域/全球实时精细监测。


      针对星载 GNSS、测高卫星和 DORIS等各类观测数据的特点,重新设计电离层TEC及其变化率等信息快速提取的方法,特别是需要设计相应的数据质量控制策略,确保电离层关键参数提取的准确性;其次,考虑到不同观测平台的高度不同,造成电离层 TEC的物理含义存在较大差异,需同步估计不同类型电离层观测之间的系统性偏差,并统计分析该偏差在时间和空间上的变化特性;此基础上,基于“建模+预报”的主体处理思路,采用多个法方程并行处理的策略,建立非同步电离层观测资料(包括DORIS、星载GNSS、测高卫星、地基GNSS等电离层观测信息等)的迭代融合处理方法,实现全球电离层TEC改正信息及其质量标识信息的实时建模处理。
      相关成果发表于Journal of Geodesy等期刊,作为首批向IGS提供全球实时电离层产品的分析中心之一,牵头IGS实时电离层IGS-SSR数据标准的制定。


      综合利用地基北斗/Galileo/GPS数据、电离层测高仪观测数据以及星载电离层掩星观测等多种资料,通过多源数据融合和电离层模型同化的方法,获得全球和区域电离层结构的三维变化结构,同化后的IRI电离层模型通过近实时预报为后续基于计算机成像的电离层层析反演提供“虚拟观测”,在此基础上顾及电离层实际物理变化,构造自适应的北斗/GNSS多模电离层层析反演模型,控制与减弱电离层层析成像系统的不适定性;实现电离层电子密度三维结构的层析反演,研发了全球和区域电离层三维结构实时反演数据处理软件,实现了面向短波通信选频的电离层三维电子密度实时产品的服务应用。


      在突破导航信号精确捕获跟踪、多系统信号偏差自主标定、空间电离层和对流层参数实时同步精确反演等关键技术的基础上,创新性地开展了空间大气(电离层和对流层)一体化精细监测关键技术研究和原理样机研制,实现了电离层和对流层参数的在线实时联合监测,在显著提升卫星导航电离层和对流层探测设备的集约化程度和监测效率的同时,大幅降低大规模组网的设备成本,可直接为我国基于北斗系统实现空间大气(对流层+电离层)的精细化探测网络建设提供便携式和低成本的设备,进而极大地推动北斗在气象和空间天气领域的应用。


      建成北斗/GNSS实时电离层监测与服务系统,基于服务系统提供区域/全球实时电离层TEC与电子密度产品,在开展面向短波通信选频应用验证的基础上,探究电离层在不同背景条件下的空间变化特征,揭示了在磁暴、夜间增强等空间天气学事件中电离层变化的区域性;以空间变化特征为新视角,进一步理解中低纬电离层对大气波动、电离层动力学过程的响应,形成对电离层气候与天气特性及其驱动机理的新认识。

电离层分析中心1

技术标准1

学术论文10

发明专利10

成果奖励3人/次个

软件系统1