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电离层形态监测有助于加深认识电离层活动规律及其变化机制。长期以来，人们对电离层形态的监测与研究主要借助于电离层测高仪、雷达以及探空火箭等观测仪器，并以电离层峰值电子密度(NmF2)、峰值高度(hmF2)以及临界频率(fOF2)为研究对象。近二十年来，以GPS为代表的全球导航卫星系统(GNSS)观测技术的兴起，以及全球分布的GPS跟踪站连续观测的海量数据的累积，使得利用GPS观测数据精确提取和测定电离层电子总含量(TEC)，进而定性/定量地研究电离层TEC变化活动规律成为可能。现有的研究表明，不同高度的电离层电子密度的变化活动存在较大差异。因此，研究比较TEC与以NmF2为代表的其它电离层参量呈现出的变化活动规律和内在联系机制，是本文作者关心的重要问题之一。本文重点利用GPS提取出高精度的电离层TEC信息，研究全球范围内电离层TEC冬季异常现象的区域性变化特征，并进一步分析了在不同地域TEC冬季异常现象形成的主导因素。同时，本文也分析研究了在春分点与秋分点TEC变化的不对称现象。
另一方面，电离层延迟是GNSS技术最严重、最棘手的误差源之一，能否有效地消除或减弱电离层延迟误差关系到众多单频GNSS接收机用户导航与定位的精度与可靠性。GPS/GALILEO导航卫星系统的广播电离层模型KLOBUCHAR/NeQuick可提供免费的电离层时延修正服务，但其对应的修正精度约为50％-60％左右，有时甚至更差；GPS广域增强系统(WAAS)可提供精度达80％以上的电离层时延修正服务，但其对应的软件与硬件设施要求高，用户使用该项服务的代价大。然而，目前有数量甚多的部分单频GNSS用户既不愿意付出高成本获取WAAS系统的高精度电离层时延修正服务，但卫星系统提供的免费的广播电离层时延修正服务又无法满足其导航与定位要求。因此，当前的电离层时延修正服务存在修正精度处于60-80％之间的服务空白区。此外，目前中国新一代卫星导航定位系统正处于大力推进与发展阶段，建立有效的广播电离层延迟改正模型也是中国新一代卫星导航系统建设的现实需求。本文在分析现有的广播电离层时延改正模型KLOBUCHAR/NeQuick优点与缺点的基础上，进一步开展研究一种新型的广播电离层延迟改正模型，力求使得其电离层延迟修正精度填补60-80％之间的服务空白区，实现无缝隙电离层延迟改正信息服务，为中国北斗等新一代卫星导航系统中广播电离层延迟改正模型的相关技术指标的制定和论证等，提供科学依据与参考。
针对上述内容，本文开展了以下几个方面的研究和探讨：
(I)基于GPS研究电离层TEC冬季异常现象
(1)利用中国地壳运动观测网络GPS基准站的实测数据与电离层TEC球谐函数模型，可精确模拟中国区域及其邻域上空的电离层TEC周日演变活动，进而可提取出中国地域上空TEC的时间变化序列，实现有效监测中国地域TEC的冬季异常现象与半年度异常现象。
(2)进一步分析电离层TEC冬季异常现象在全球不同地域的活动特征及讨论其相应的变化机制，本文利用全球分布的部分IGS GPS跟踪站全天候的实测资料，提取出各个测站上空的GPSTEC数据，结合NASA Goddard飞行中心提供的中心大气模型NRLMSISE-OO给出的[O/N2]比例，定性地讨论不同区域的TEC季节性变化与中性大气原子分子比例-[O/N2]变化的相关性；再利用欧洲定轨中心(CODE)发布的IONEX格式的全球连续分布的格网电离层TEC数据(CODE TEC)与[O/N2]比例进行对比研究，定量地讨论全球范围内电离层TEC冬季异常现象的区域性交化特征：研究发现，不同区域的电离层TEC冬季异常程度存在明显的差异，结合前人关于电离层峰值电子密度NmF2的冬季异常变化与[O/N2]比例变化关系的研究成果的基础上，本文尝试解释了在不同区域的TEC冬季异常现象形成的主导因素。
(II)基于GPS监测电离层TEC在春分点与秋分点的不对称性变化
首次利用GPS TEC数据与CODE TEC数据研究分析了白天的电离层TEC在春分点与秋分点的不对称性变化现象。研究结果表明，白天TEC在春分点大于秋分点，且其大小不对称性的程度随着太阳活动周期的变化而变化。进而，结合前人关于电子密度在春秋分点的不对称变化的研究成果，本文对在春秋分点TEC不对称变化的现象进行了初步解释。
(III)基于GPS观测数据精化KLOBUCHAR电离层模型系数
电离层延迟是卫星定位系统的最主要误差源之一。为消除或减弱电离层延迟误差对卫星导航定位系统精度与可靠性的影响，GPS系统采用了广播电离层延迟模型－即KLOBUCHAR模型。然而，KLOBUCHAR模型的8参数函数无法有效模拟复杂多变的全球电离层TEC变化状态，加之，该模型实施期间相关的技术条件与电离层观测资料的限制，使得KLOBUCHAR模型的电离层延迟修正效果和精度受到较大的局限。事实上，研究也表明该模型仅达到50％左右的电离层时延修正效果。本文设计了一种精化KLOBUCHAR模型系数的方法，利用全球分布的IGS GPS跟踪站和中国地壳运动观测网络基准站的GPS实测数据，拟合生成了新的KLOBUCHAR-Self电离层模型系数。试算结果表明，新的KLOBUCHAR-Self模型系数可以更有效地修正电波传播时的电离层延迟影响，使得电离层延迟修正精度提高10％-15％左右。若采用新生成的KLOBUCHAR-Self系数作为卫星导航系统广播电离层延迟改正模型的发布系数，可使得广大的单频GPS接收机用户，在无须更新相关的软件与硬件的情况下，提高导航与定位结果的精度。
(IV)提出一种新型的GNSS广播电离层延迟模型-IGGSH
与美国GPS/欧洲GALILEO导航卫星系统建设时分别采用了KLOBUCHAR/NeQuick广播电离层延迟模型类似，我国新一代导航卫星系统的建设，也要求对相关的广播电离层延迟模型的技术指标进行制定与论证，以及对模型方案的设计与实施提出依据与参考。本文在比较研究KLOBUCHAR与NeQuick模型的优点和不足的基础上，基于电离层球谐函数模型与快速傅立叶变换的方法，提出了一种新型的适合于广播发布的电离层延迟模型-IGGSH，并给出了其对应的实施构建方案。IGGSH广播电离层延迟模型既利用了球谐函数优良的数学结构可高精度地反演全球电离层TEC变化状态的优点，又在保持模型数学结构不被破坏的情况下大量减少需通过卫星发布的模型系数数目，且能够实时更新，具有良好的应用功能。研究表明，在相同条件下，IGGSH广播电离层模型的时延修正精度可达75％-80％左右，明显优于KLOBUCHAR和NeQuick模型的电离层时延修正精度。