基于卫星测高，DORIS、GPS掩星和地基GPS观测值反演的电离层产品数据同化方法研究

The precision and reliability of the TEC grid retrieved from ground based GPS observations are highly relied on the distribution of the ground station, on the area with high dense GPS station, the precision could reach 0.1 TECU, and on the area with sparse GPS stations, the precision will be almost 6 TECU. On the other hand, the LEO satellite-based observation like satellite radar altimetry, DORIS and GPS radio occultation can also be used for retrieving ionosphere information, these space-based ionosphere products have the same level of precision compared with ground-based TEC products. As there is no requirement for the ground station distribution, the space-based ionosphere product could be used as important implementation for the current IGS TEC grid on the areas where ground GPS stations are sparse distributed. In this research, we will focused on the data assimilation methods on the ionosphere products retrieved from satellite radar altimetry, DORIS and GPS RO observation on LEO satellites and the TEC grid products retrieved from ground GPS observations, and an enhanced global ionosphere TEC grid products will be generated with higher precision and reliability.

地基GPS双频观测数据反演而成的电离层TEC格网产品精度和可靠性在很大程度上取决于地面观测站网的分布，在地面站密度较高的区域，电离层格网精度可达到0.1个TECU；而在地面站比较稀疏区域(海洋和荒漠地区)，格网精度可达到6个TECU。而基于低轨卫星的卫星雷达测高、DORIS、GPS掩星等观测数据也能反演出相应的电离层产品，其精度与地基电离层产品精度相当，且不需要密集地面站分布支持，其产品精度在IGS站分布不足区域较地基产品精度有较大优势。本课题主要关注基于低轨卫星上的卫星雷达测高、DORIS观测值和GPS掩星观测值反演的电离层产品与IGS发布的地基GPS电离层反演产品的数据同化方法，将空基观测资料作为地基GPS电离层格网产品的合理的补充，提高IGS地基GPS反演TEC格网在地面站分布稀疏区域的精度，最终生成精度和可靠性更高的增强电离层格网产品。

基于IGS站反演的全球电离层TEC格网产品受到地面地基GNSS站分布的影响，其产品精度不可避免的存在区域分布不均等问题，如在欧洲和北美等IGS站密集分布区域格网精度可接近0.1 TECU，而在南半球和太平洋等IGS站分布稀疏区域格网精度则可达到6 TECU以上。.针对上述问题，本课题以电离层较为活跃的2014年为研究对象，提出采用卫星测高（SA），DORIS、电离层掩星（IRO）等空基双频观测信号反演电离层TEC信息，辅助单纯地基GNSS电离层TEC格网反演。主要研究内容包括空基观测数据电离层反演模型的建立和空基电离层产品的优化统计方法。.通过空基TEC与地基TEC产品的对比分析显示，随着穿刺点数量的增加，SA、DORIS、IRO等空基观测数据的RMS呈下降趋势。当穿刺点数量在0~1400区间时，RMS差值随穿刺点数量的增多而稳步下降；当穿刺点数量超过1400时，三者RMS值变化趋于平缓，其中DORIS RMS值在该区间基本保持在2 TECU以内，而SA和IRO的RMS值则分别稳定在3.3和2.6 TECU。这与目前硬件产品的双频观测数据的码偏差精度基本相当。.本研究的主要成果有，1.对地基GNSS电离层穿刺点和TEC格网RMS精度的对比，统计分析传统地基电离层TEC格网的精度和可靠性的区域分布特性；2.通过对大量SA，DORIS，IRO等空基观测数据统计分析，确定各种空基观测技术的电离层TEC反演算法和相应的误差改正方法，此外还证实了目前的地基观测反演的电离层TEC产品在某些特征区域的特征时段存在低估现象；3.针对空基观测的反演区间的局限性问题，在大量对比统计的基础上采用系统平移和比例因子方法分别对DORIS和SA，IRO两类空基观测反演的观测方程的误差进行建模，建立空基与地基观测数据融合数学模型。.本研究验证了空基电离层反演实现对地基GNSS电离层TEC格网产品的增强的可行性，也从理论上推导了空基与地基观测数据融合的数学模型。该研究不仅能满足各种对地观测应用研究中对高精度电离层 TEC 格网产品的需求，还能作为各种大气物理、空间天气等科学研究的重要参考资料。