随着科学技术的快速发展, GPS技术应用的日益广泛, 尤其是在测量领域, 人们对G PS误差精度要求越来越高, 因此GPS误差源的研究成为了热点课题之一。其中大气电离层的折射延迟就是造成GPS测量的主要误差之一, 对电离层影响GPS测量的因素进行深入探讨, 从而建立电离层的修正模型是提高GPS测量精度的重要途径。
电离层是大气层的一部分, 它离地球表面的高度在60km~1000km之间。电离层的形成来源于大气分子和原子在太阳的紫外线、X射线和高能粒子的作用下电离, 产生自由电子和正负离子, 从而形成的从宏观上说仍然是中性的等离子体区域。电离层电离的强度由大气中电子密度反映出来, 电子密度随着高度的变化而变化, 这种变化主要取决于太阳辐射的能量强度以及大气的密度。按照电子密度峰值区域的高度, 整个电离层又可相应地分为四个层, 由低向高分别称为D层、E层、F1层、F2层。各层之间没有明显的分界线, 也没有非电离的空气间隔, 每一区域都有电子密度的最大值, 整个电离层的电子密度最大区域在F2层。F2层以上的电子密度随高度的增加而缓慢地减小。正是因为电离层中含有大量的电子, 使得电离层对GPS的电磁波的传播产生色散。GPS电磁波经电离层时受离子的作用产生一种附加的辐射波, 从而产生电离层的折射。
基于电离层的区域分布、结构特点及其对无线电波传播的影响特性, 使地面用户和低轨飞行器等近地空间用户接收的GPS信号, 必然要穿越整个 (或部分) 电离层区域, 所有被接收的信号都不可避免地遭受电离层影响。电离层对GPS信号的影响主要来自于地球电离层的电子总含量, 表现在背景电离层折射效应引起的延迟对GPS观测量带来的距离误差。当电磁波通过电离层时, 由于折射率的变化而引起传播路径的延迟可用下式1表示。
式1中:de为卫星到GPS接收机的实际传播路径, dr为其几何距离, 方括号中的表达式为电磁波信号的路径弯曲。由于路径弯曲引起的延迟较小, 一般可以省略, 则电离层群延迟和电离层相延迟分别为下式2和3。
若以TEC (TheTotal Electron Content) 表示沿电磁波传播路径的电子总量, 即底面积为1m2贯穿整个电离层的柱体内的自由电子数。其计算公式如下式 (4) 。
根据公式 (2) 和 (4) , 可以看出电离层的折射延迟与电离层电子数的关系如下:
其中, Ne为电离层的电子密度, f为系统工作频率即电波频率, n为折射率。若设TEC的单位为TECU, ITECU=1×1016 (电子数/m2) , 其中f1=1575.42MHZ, c为光速, 则相应的时间延迟如下式 (6) 。
电离层的折射延迟对GPS测量的具体影响表现在以下方面: (1) 信号调制的群延迟。电离层的群延迟产生距离误差, 同样以时间延迟的方式传递给用户, 这种延迟与电子总量TEC和电磁波频率有关, 对于双频接收机而言, 时间延迟的差值可以通过两个频率同时观测的距离差计算出来。 (2) 载波相位超前。当无线电信号穿越电离层时, 无线电频率传输的载波相位要比它在自由空间中的速度超前, 而用单频信号无法直接测定该超前量, 可以通过两个相关频率的差分相移求得, 就GPS的去;频率而言, 载波相位超前一个周期相当于群延迟的0.65ns。实际中同时利用差分载波相位和差分群延迟来确定绝对电离层校正。 (3) 电离层多普勒频移。电离层多普勒频移 (距速误差) 是电离层TEC的时间变化引起的。距速误差取决于三个因素:电离层TEC的周日变化率、大范围的不规则性和GPS动态用户的速度。电离层的周日变化和观测者的运动都将导致电离层距速误差。由于电离层在一天之内变化很大, 即使对一个固定观测者而言, 也很难模拟其变化, 因此, 单频GPS用户借助电离层周日变化模型来改正电离层误差的办法是很难实现的, 而双频GPS用户可以自动校正一阶距离和距离变化率的电离层误差。 (4) 电磁波信号的振幅闪烁。地球电离层的不规则性使GPS信号产生衍射效应和折射效应, 从而使信号频繁发生短周期衰减, 这种现象称为振幅闪烁, 它将严重影响GPS接收机的跟踪能力, 造成信号频繁失锁。闪烁幅度与太阳黑子数量密切相关, 强闪烁效应一般发生在日落到午夜的一段时间里, 精密观测应尽量避开这段时间。电离层闪烁区域占地球上近50%的范围, 我国处于世界上两个电离层赤道异常驼峰区域之一, 峰顶在韶关一带, 长江以北属中纬度地区, 很多地方属闪烁增强带, 长江以南属低纬地区, 南海在地磁赤道附近。
基于GPS测量的电离层延迟的修正方法主要有:经验模型修正法 (如IRI, Bent, K l ob u c h ar) 、理论模型修正法、实测模型修正法、附加转发系统修正法、格网模型修正法等等。本文所讨论的是格网模型修正法。
格网模型修正法是利用电离层的区域相关性, 将多个监测站 (差分站) 的GPS双频观测量计算的电离层延迟, 拟合成电层垂直延迟格网, 把格网点的电离层垂直延迟值和精度传播给用户, 用户在格网中内插出自身的电离层垂直延迟, 再转换成传播路径上的电离层延迟。保证电离层格网模型精度的关键是由穿透点处垂直电离层延迟计算格网点处垂直电离层延迟, 由于穿透点的垂直电离层延迟观测量是分散的, 需要用一名义延迟模型将穿透点延迟值传递到格网点, 保证整个格网模型的连续性。格网模型建立的流程图如图1。由格网模型建立流程可以看出格网模型的基本步骤为: (1) 输入各参考站传送的穿透点垂直电离层延迟。 (2) 计算GPS系统的硬件延迟 (差分码偏差DCB) 。 (3) 精确计算穿透点的垂直电离层延迟。 (4) 计算电离层穿透点IPP的地理经纬度。 (5) 判断是否符合格网点电离层延迟的计算条件。 (6) 计算并输出格网点的电离层延迟。
格网模型值的确定通常有两种方法。 (1) 综合模型法。联合所有基准站的电离层观测量, 为整个服务区域构建一电离层模型。 (2) 综合格网法。利用上述综合模型, 求得各格网点的电离层延迟值, 形成格网电离层模型。但以上方法强调大范围GPS观测资料的整体拟合, 忽略了电离层的局部特性, 且不利于模型精度与可靠性的评定。为避免基准站网的儿何结构对模型精度估计的影响, 进一步提高格网电离层模型的构建精度, 本文采用一种新的格网模型构建方法——站际分区格网法。其核心思想如下:
(1) 按基准站位置将整个服务区域分成若干子区, 每个子区由一个或若干个基准站提供服务。然后每个基准站, 以改正了仪器偏差影响的电离层延迟估计值为观测量, 求出业己选取的电离层模型。
(2) 按就近选取原则。其具体表示如下式 (7) 。
而构建网格模型可用下式 (8) 表示。
其中, IIGPi是第i个格网点IG P处的垂直电离层延迟帅平均值;IkIGPi是第k个基准站为IGB提供的垂直电离层延迟值;而min是极小算子;N ST是基准站WR S j的个数;|SIGPi-WRSk|表示了IGPi与第j个基准站WRS的球面距离;m是被允许为IGPi提供电离层延迟值的基准站WRS的个数;Dist为调整距离, 本文的Dist取值为50km~200km。
(3) 基准站IPP点的格网电离层延迟改正值的确定。基准站利用格网点IGP的垂直电离层延迟通过式 (9) 所示的内插技术求得其对应的各电离层特征点IPP处的垂直电离层延迟值。
其中, IIGPi是基准站某电离层特征点IPP所在网格的第i个格网点IGP的垂直电离层迟值;Igipp是IPP点处由格网模型提供的电离层延迟改正值;Sϕ是点IPP到第i格网点的球面距离;Wϕ为Junkings的权函数。
(4) 格网电离层模型的精度估计一与可靠性评估。通过基准站的IPP点处的电离层延迟计算值和格网模型提供的电离层延迟改正值的差值按下式 (10) 估计模型的内符合精度。
其中, n为IPP的点数, Icipp为IPP点处的垂直电离层延迟计算值。
根据以上对格网模型原理及格网模型值的确定方法具体过程的分析, 本文结合实际选取中国广州、武汉、北京、上海、桂林基准站为观测点, 数据采样间隔为30s, 观测截止角20度。电离层薄层的高度为350km, 5×5的电离层格网在其上形成。TEC值转为Ll上的电离层延迟值。经过5天观测得到相应的数据并通过站际分区法、模型格网法和综合模型法分别对格网模型值进行计算求的平均值后得到图2。
从图2中可以看出, 站际分区法的精度明显高于其它两种方法, 电离层延迟平均改正精度最差不超过0.6m, 模型格网法和综合模型法的精度均较差。这说明单一的参数电离层模型难以为大范围的服务区域提供有效的电离层延迟改正信息。
GPS与其它卫星导航系统的深入发展电离层折射延迟对GPS电磁波测量信号的影响必将成为人们关注的热点, 而随着电离层折射延迟修正方法的进一步完善, 必将给GPS测量精度带来不断提高。目前削弱电离层误差有三种方法:一是选择最佳观测时间, 二是采用具有CCD技术的单频接收机, 三是使用双频接收机。
摘要：本文从GPS测量误差来源出发, 详细的分析了大气电离层的结构、电离层的折射延迟数学表示方式以及延迟对GPS测量的具体影响。最后, 本文深入探讨了格网模型修正电离层延迟的方法, 提出了站际分区新型格网模型值的具体确定方法, 并通过实际试验得到数据证明了该方法的优越性。
关键词：电离层,GPS测量,格网模型
[1] 隋立芬, 宋立杰.误差理论与测量平差基础[M].北京解放军出版社, 2004.
[2] 齐欢, 王小平.系统建模与仿真[M].北京:清华大学出版社, 2004.
[3] 鲁芳.电离层暴与行扰的GPS台网监测与分析[D].武汉大学硕士学位论文, 2004.
[4] Mahmoud Lotfy El-Gi.Development ofan Ionosphere Monitoring TechniqueMeasurements for High Latitude GPSUsers[D].A Thesis of Science Masterthe Calgary 2003.Using GPS Uni-versity of Calgary 2003.
[5] 李征航, 黄劲松.GPS测量与数据处理[M].2005.武汉:武汉大学出版社:52～63, 87～94.
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