组合观测及电离层延迟公式推导
电离层延迟高阶项改正算法及效果分析
电离层延迟高阶项改正算法及效果分析李信用【摘要】电离层延迟是导航定位中重要的误差源，电离层延迟二阶项带来的误差为厘米级，对于高精度要求的定位来说，该项误差必须给予认真的消除。
采用了一种顾及二阶项的电离层延迟改正算法，重点对地磁场的特性进行分析，利用二次曲面拟合区域地磁场矢量，以达到简化计算，同时不降低高阶项改正精度的目的。
通过实例验证，得出一些有益的结论。
【期刊名称】《测绘技术装备》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】4页(P24-27)【关键词】GPS;电离层延迟;高阶项;TEC【作者】李信用【作者单位】新疆交通规划勘察设计研究院新疆乌鲁木齐 830000【正文语种】中文1 引言随着全球卫星导航定位技术的发展，电离层延迟误差高阶项影响已经成为获取GPS高精度定位亟待解决的问题。
利用观测值的线性组合来消除电离层误差的同时，会使线性组合后的观测噪声扩大，且由于高阶项延迟误差本身并不大，因此必须对利用多频组合方法来消除电离层延迟的高阶项的可靠性及可行性加以考虑[1]。
2 电离层单层模型（SLM）根据GPS定位观测值不难求出电离层单层穿刺点经纬度，设单层穿刺点的经纬度坐标(ϕIPP，则:上面两式中，（0ϕ，0λ）为测站的大地坐标；0ψ为测站与穿刺点的地心夹角。
3 三频组合改正电离层的二阶项随着GPS现代化的进展，GPS开始向用户提供L5频率信号，用三频的观测值能改正电离层延迟误差二阶项的影响[3]。
相折射率np可表示为:对于载波相位观测值而言，将电离层改正至二阶项公式为:其中，ρi为卫星信号的载波相位测量值(ρi=λiφ+λiN，N为整周模糊度数值，φ为相位观测值)，ρ0是测站与卫星之间的几何距离(包括硬件延迟、对流层延迟、卫星钟误差等)，再令则解（6）式可得:其中，三个信号 f1=1575.42MHZ，f2=1227.60MHZ，f3=1176.45MHZ代入后可求得每个频率的改正值为:对于测码伪距观测值，将电离层延迟至二阶项亦可求得其系数矩阵。
VLBI观测的电离层延迟改正模型研究
文章编号:10092427X (2003)0120014204VLBI 观测的电离层延迟改正模型研究张捍卫1,3,盘关松2,马高峰3(1.中国科学院测量与地球物理研究所,湖北武汉 430077;2.广东省云浮市规划局,广东云浮 527300;3.信息工程大学测绘学院,河南郑州 450052)摘要:电离层是大气层中的一个电离区域,高度范围大约在60～1000km 。
电磁波信号穿越电离层时其传播速度会发生变化,传播路径也会略微发生弯曲,从而使信号的传播时间乘以在真空中的光速不等于信号源至测站的几何距离。
对V LBI 观测来讲,电离层引起的差异可达近百米。
文中从电磁波的传播原理出发,讨论了信号传播速度和传播路径变化引起的V LBI 观测延迟;对目前采用的各种电离层延迟模型进行了分析总结;并指出单频率V LBI 观测应顾及高阶项和路径弯曲的影响或使用区域性电离层延迟改正模型。
关 键 词:电离层;时间延迟;双频探测;V LBI 中图分类号:P228 文献标识码:A 在空间大地测量中,来自自然天体或人造卫星的测量信号需穿过包围在地球周围的大气后,方能到达地面被地面观测者所观测。
在穿过大气层时这些信号的传播速度通常会发生变化,传播路径也会产生弯曲。
从而使得信号从信号源至地面观测者之间的实际传播时间不等于这两者之间的几何距离除以其在真空中的传播速度,两者之差就是大气时间延迟;另外观测者所观测到的信号源方向(信号传播路径在该点的切线方向)与真空中所观测到的方向(从观测者至信号源的弦线方向)也不同,两者之差称为大气折光差。
进行距离观测或距离差观测时关心的是大气延迟,进行方向观测时关心的则是大气折光差。
电离层是指从地面70km 以上直到大气层顶端(约1000km )的大气层。
在电离层中由于太阳的作用,使大气的分子发生电离,从而具有密度较高的带电粒子,特别是最上层的磁层会完全被电离。
大气电离不但由太阳的紫外线辐射和X 光辐射所造成,而且也由微粒流造成。
(完整word版)GPS原理及应用题目及答案
GPS原理及应用复习题目一．名词解释1二体问题：2真近点角、平近点角、偏近点角：3多路径效应：4无约束平差和约束平差5．章动6．异步观测7．接收机钟差8．周跳9．三维平差10．岁差11．同步观测12．卫星钟差13．整周未知数14．二维平差二．填空题1.GPS工作卫星的地面监控系统包括__________ 、__________ 、__________ 。
2.GPS系统由__________ 、__________ 、__________ 三大部分组成。
3.按照接收的载波频率，接收机可分为__________ 和__________接收机。
4.GPS卫星信号由、、三部分组成。
5.接收机由、、三部分组成。
6.GPS卫星信号中的测距码和数据码是通过技术调制到载波上的。
7. 1973年12月，GPS系统经美国国防部批准由陆海空三军联合研制。
自1974年以来其经历了、、三个阶段。
8.GPS 卫星星座基本参数为：卫星数目为、卫星轨道面个数为、卫星平均地面高度约20200公里、轨道倾角为度。
9.GPS定位成果属于坐标系，而实用的测量成果往往属于某国的国家或地方坐标系，为了实现两坐标系之间的转换，如果采用七参数模型，则该七个参数分别为，如果要进行不同大地坐标系之间的换算，除了上述七个参数之外还应增加反映两个关于地球椭球形状与大小的参数，它们是和。
10.真春分点随地球自转轴的变化而不断运动，其运动轨迹十分复杂，为了便于研究，一般将其运动分解为长周期变化的和短周期变化的。
11.GPS广播星历参数共有16个，其中包括1个，6个对应参考时刻的参数和9个反映参数。
12．GNSS的英文全称是。
13．载体的三个姿态角是、、。
14、GPS星座由颗卫星组成，分布在个不同的轨道上，轨道之间相距°，轨道的倾角是°，在地球表面的任何地方都可以看见至少颗卫星，卫星距地面的高度是km。
15、GPS使用L1和L2两个载波发射信号，L1载波的频率是MHZ，波长是cm，L2 载波的频率是MHZ，波长是cm。
测距电离层延迟误差分析.
测距电离层延迟误差分析!"#测距电离层延迟误差分析!王举思($%&'$部队山东青岛 ($$))*)摘要在微波统一测控系统中,地面对航天器的跟踪主要是通过的群时延误差,称为电离层延迟误差.电磁波在电离层中传播时,信号的群速度见(!)式,因此由电离层延迟引起的距离(群时延)误差为!!"#!测$!真#"#%$&%!'()&'#"#%$&%['()]'式中积分为电磁波穿过电离层路径的单位面积截面柱体的总电子含量['()] '.由此可知,测距电离层延迟误差大小取决于电离层的电子浓度和积分路径以及电磁波信号频率.通常有三种直接测量电离层'()的方法:法拉第旋转法,双频载波相位差分法和群时延法.'*+%!,测速终端采用双程相干载波多普勒测速技术,由多普勒频率可计算出目标径向速度.径向速度计算方法如下*测#$&+,-%&.&+由于载波相位在电离层中以相速度传播,此时载波多普勒频率计算目标径向速度应为*真#$&+%&.&+,-,(!."#%$()&%)因此,由电离层引起的测速误差为!*"#*测$*真#&+,-(%&.&+),"#%$()&%根据多普勒效应的理论,对多普勒频率积分就可以计算出载波相位增量.如果给出正确的积分初值,就可用载波相位测距.但是,由电离层引起的载波测距误差与侧音测距误差数值相等,符号相反,载波测距误差为负值,而侧音测距误差为正值."距离数据系统误差分析方法距离数据系统误差主要分两类:一类是由设备引起的距离漂移误差和校零误差,其中校零误差在一个跟踪圈次中为固定值(通常在-$.内);另一类是由电波传播路径和目标运动引起的误差,它又可以分为电离层延迟误差,对流层折射误差和目标运动引起的时标误差."/!测距测速数据时标测距数据为某时刻目标的径向距离,时标打在收信号时刻;测速数据为0#.1积分时间内的平均速度,时标打在积分时间的中间点上."/%测距测速数据时标误差测距数据的时标为收信号时刻/",由于目标运动和电波传播延迟,测距数据的真实时标应为/"+!,时延!随目标距离而变化.如果直接修正!,则测距数据为非均匀采样;所以把/ "+!时刻的测距数据推算到/"时刻,现以!!的修正方法为例,计算如下!!0#!!.!!1*!.*%%同理,测速数据的时标误差修正如下*%0#*%.!!0.#%#%0(#%20*%.#%%0*!)1,*$$*!#%!3%飞行器测控学报第%!卷!"#测距测速数据误差分析在距离捕获完成后,选!$时刻侧音测距数据作为参考基准(积分初值)"$#"(!$)#"真(!$)$!"电离层(!$)$!"对流层(!$)$!"校零差$!"噪声(!$)如果用载波测距,则!$时刻距离值为"(!$)#"真(!$)$!"电离层(!$)$!"对流层(!$)$!"校零差$!"噪声(!$)由于信号电平变化,多普勒频率变化,温度和时间变化等因素,! $到!%时刻的侧音测距产生距离漂移误差,故!%时刻侧音测距表达如下"(!%)#"真(!%)$!"电离层(!%)$!"对流层(!%)$!"校零差$!"漂移(!%)$!"噪声(!%)如果用载波测距,则!%时刻距离值为"(!%)#"真(!%)$!"电离层(!%)$!"对流层(!%)$!"校零差$!"噪声(!%)用载波测速,速度值为&(!)#&真(!)$!&电离层(!)$!&对流层(!)$"&噪声(!)在上述几个表达式中,"真%"真.由于随机误差可以通过数字滤波的方法处理,校零误差主要是由多径传播引起的,而侧音调制在载波上,所以,!"校零差%!"校零差;对流层是非色散媒质,群速度等于相速度;电离层是一种色散媒质,群速度不等于相速度,而群延迟与相延迟大小相等,符号相反,所以!"电离层%&!"电离层.综合以上分析,则有"(!%)'"(!%)#'!"电离层(!%)$!"漂移(!%)"(!$)'"(!$)#'!"电离层(!$)(')由于测速终端测量的速度值是积分时间内的平均速度值,()&'*+测速终端采用数字载波环直接提取载波多普勒信息,多普勒频率测量的积分时间等于采样周期(,故有"(!%)#"(!$)$!%)#*&(())*("(!%)'"(!%)#"(!%)'["(!$)$!%)#*&(())*(]#'!"电离层(!%)$!"漂移(!%)(#)综合(')式和(#)式,则有"(!%)'["(!$)$!%)#*&(())*(]#'*[!"电离层(!%)'!"电离层(!$)]$!"漂移(!%)经过这样处理,可以做出测距电离层延迟和设备漂移共同引起的测距误差相对变化曲线.!"!测距电离层延迟误差分析现以某卫星第+圈和第,圈为例,分析距离数据的漂移误差和电离层延迟误差.在距离捕获完成后,任选一点距离数据作为速度积分初值距离"$,用速度数据积分作为标准,将实测距离曲线与它相比较,并画出距离漂移和电离层延迟变化的误差曲线.图*第+圈电离层延迟误差曲线图第+圈卫星升轨(由南向北),目标过顶时间'*时!!分,最高仰角为,#"-..在高纬度和中纬度地区,夜晚的电离层电子浓度比白天(中午)电离层电子浓度至少低一个量级,电离层引起的群时延误差可以忽/'第#期王举思:012测距电离层延迟误差分析略不计.因青岛站地处中纬度地区,目标过顶后电离层延迟误差应为零.从图!误差变化曲线看,目标过顶后电离层延迟误差为"#$%&',由此可以判断出!!电离层("()等于#$%&',对积分初值距离!(进行修正后再处理,曲线见图#.图#修正后第#圈电离层延迟误差曲线图图)初步求解的第$圈电离层延迟误差曲线图图*初步修正后第$圈电离层延迟误差曲线图第$圈卫星降轨(由北向南),目标过顶时间!(时*#分,最高仰角为$+%,-.根据电离层延迟误差特性,目标过顶时电离层延迟误差最小,假定过顶时的误差为零.但从图)误差曲线看,目标过顶时电离层延迟误差为"!(%&',必须对积分初值距离!(进行修正,修正值为#!',修正后的曲线见图*.在处理第$圈电离层延迟误差时,假定目标过顶的电离层延迟误差为零,但实际上此时电离层延迟误差不等于零.为了求解目标过顶的电离层延迟误差,假设此时前后一定空间内电离层的电子浓度不变,则电离层延迟误差与电波传播路径成正比.由于该卫星的运行轨道高度未超出电离层,只要扣除电波在,(.'以下的中性大气层中的传播路径(!%),就可以计算出电波在电离层中的传播路径(!&).根据大气分层特性和目标的俯仰角信息,电波在,(.'以下中性大气层中传播路径的计算方法为!%'!##(!#!)/01#!*(!!)123*+#飞行器测控学报第#!卷在图!中,!点为地心,"点为测量站,"#为地面水平线,$为目标俯仰角,%"为地球半径,%#$%"%&''''(.计算出电波在电离层中的传播路径%&(')(%('))%*(')现做一阶曲线拟合%&(')("+(!%,(')-#)从而求解出:"$)*+),和#$-.*.根据上述曲线拟合的结果,目标过顶时的电离层延迟误差为-.*(,再画出电离层延迟误差曲线和拟合曲线(图&),图&中虚线为拟合曲线.图&第.圈电离层延迟误差曲线和拟合曲线图+固定高度上电子浓度随纬度的变化("为地磁场力线,#为磁赤道位置)从图&曲线拟合结果来看,目标过顶前后一定空间内电离层的电子浓度不变的假设是成立的.第.圈卫星降轨(由北向南),目标进站时测距电离层延迟误差比拟合值小,而目标出站时测距电离层延迟误差比拟合值大,基本上与电离层电子浓度随纬度变化的规律相符合(见图+).另外,从第/圈和第.圈距离系统误差曲线图以及处理过的大量数据来看,由设备引起的距离漂移误差比较小,可以忽略不计.-#第,期王举思:/01测距电离层延迟误差分析根据曲线拟合的结果,可以求出电离层的平均电子浓度!"#$!%("#&$'()#%&$'%#%!%&$由此再计算电波在电离层中传播的相速度和折射率,就可对测速和测角数据进行修正.'结束语本文根据电离层电子浓度的变化特点,以及电磁波在电离层中传播的群速度和相速度的关系,提出了电离层延迟引起的距离(群时延)误差计算方法.采用这种方法处理了很多圈次的跟踪数据,表明夜间与白天测距系统误差曲线明显不同.从图!,图(和图)来看,测距电离层延迟误差与电子浓度变化的规律基本符合.求解出电离层的群时延,就可算出电离层的平均电子浓度和折射率,为测速和测角数据的修正提供了理论依据.这种方法针对中低轨道卫星比较实用,它既可以提高外测精度,又为电离层的研究提供了一种新方法.参考文献%熊浩等编著*无线电波传播*北京:电子工业出版社,!###!谢处方,绕克谨编*电磁场与电磁波*北京:高等教育出版社,%++#$柳维君编*微波技术基础*西安:西安电子科技大学出版社,%+,+"张守信编著*-./卫星测量定理论与应用*北京:国防工业出版社,%++('乔强编著*侧音轮发比相制测距系统*无线电工程,%++(,(!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!)(上接第%(页)'联合定轨在其它方面的应用联合定轨主要是基于存在星间测量的场合的一种定轨方法,理论上,各种卫星轨道,只要存在星间测量,就可以实施联合定轨.对于全球均匀覆盖的星座(导航星座,通信星座等),如果对星座的整体构型精度要求比较高,也同样可以采用星间测量,实施星座的联合定轨,这比通过地面站对各卫星分别定轨能够得到更好的星间相对精度.另外,对于星间间距比较小的编队飞行星座,如果没有星间链路,但地面站对各星能够同时测轨,这样在定轨时同样可以统一处理,同时解出各星的轨道.这是另一种形式的联合定轨,与有星间链路的联合定轨具有类似的性质.随着航天应用和航天技术的发展,星座和组网技术会日益得到广泛应用,定轨手段和定轨技术也会随之出现多样化的现象,联合定轨正是随着数据中继卫星系统的应用而出现的,相信随着卫星星座的广泛应用,联合定轨技术也会在其中发挥重要作用.参考文献%0123415567,892:4;6*72.29:C3C>*%,61<F12IJ012:4%++(:%%'K%!)#$飞行器测控学报第!%卷。
WAAS电离层延迟误差校正的网格算法
ΞW AA S电离层延迟误差校正的网格算法3孙 桦,牛力丕(西北工业大学,陕西西安 710072)[摘要]介绍了电离层中电磁波的传播特性,阐述了广域增强系统WAA S中对电离层延迟的校正算法,分析了主控站(WM S)中基于网格的实时电离层校正算法,阐明了该算法的原理并详细推导了计算公式和计算过程。
[关键词]电离层误差校正;广域增强系统;网格算法[中图分类号]TN927+・2 [文献标识码]A1 引 言W AA S(W ide A rea A ugm en tati on System)是从广域差分GPS发展起来的一种广域增强系统,它利用静地卫星向用户发播GPS完好性和差分修正信息数据,同时提供一测距信号,从而使GPS的完好性、可用性及导航精度大大提高。
由于电离层中气体分子的大量电离,当信号穿过电离层时,信号的路径会产生弯曲,传播速度会发生变化。
所以用信号的传播时间乘上真空中的光速而得到的距离并不等于卫星至接收机的几何距离。
对于GPS信号来说,这种距离差在天项方向时最大可达50m(太阳黑子活动高峰年11月的白天),在接近地平方向时(高度角为20°时)则可达150m,因此必须仔细地加以校正,否则会严重损害观测值的精度。
2 电离层中电磁波的传播特性电磁波在电离层中传播时的相速度vΘ与相折射率nΘ之间有下列关系:vΘ=CnΘ(1)其中C为真空中的光速。
在电离层中的相折射率nΘ可表示为:nΘ=1-K1 N e f-2±K2 N e (H0 co sΗ) f-3-K3 N2e f-4(2)式中:K1=e28Π2Ε0m,K2=Λ0e216Π2Ε0m2,K3=e4128Π4Ε20m2(3)式(2)和(3)中各符号的含义如下:n e—电子密度,m—电子的质量;e—电子所带的电荷;Ε0—真空中的介电常数;Λ0—真空中的导磁数;H—地磁场的大小;Η—地磁场矢量H0和信号传播方向之间的夹角;f—信号的频率。
gnss基础课件klobuchar电离层时延改正模型
GNSS基础课件：Klobuchar电离层时延改正模型GNSS（全球导航卫星系统）技术广泛应用于现代导航、定位和时间同步等领域。
然而，电离层对GNSS信号的影响是一个重要的误差源，需要进行改正以提高定位精度。
Klobuchar电离层时延改正模型是一种常用的改正方法，用于估算和补偿电离层对GNSS信号的延迟。
电离层是地球大气中高度为50至1000公里的区域，其中大气中的气体被太阳辐射电离，形成带电粒子。
当GNSS信号穿过电离层时，会受到带电粒子的折射和散射，导致信号传播速度变慢，从而产生延迟。
这种延迟被称为电离层时延。
Klobuchar电离层时延改正模型是一种经验模型，它基于电离层电子密度分布的统计特性来估算电离层时延。
该模型假设电离层电子密度在垂直方向上呈指数分布，并考虑了地磁活动和太阳活动的影响。
通过测量接收到的GNSS信号的时间延迟，并结合Klobuchar模型，可以估算出电离层时延并进行改正。
Klobuchar模型的改正步骤如下：1. 获取接收到的GNSS信号的时间延迟数据。
2. 使用Klobuchar模型计算电离层时延的估计值。
3. 将估计的电离层时延从接收到的GNSS信号时间延迟中减去，得到改正后的时间延迟。
4. 使用改正后的时间延迟进行导航定位计算。
Klobuchar电离层时延改正模型在GNSS应用中具有广泛的应用，包括车辆导航、船舶导航、航空导航等。
通过使用该模型进行电离层时延改正，可以提高GNSS定位的精度和可靠性，满足各种应用的需求。
Klobuchar电离层时延改正模型是一种有效的电离层时延改正方法，它基于电离层电子密度分布的统计特性来估算和补偿电离层对GNSS信号的延迟。
通过使用该模型进行改正，可以提高GNSS定位的精度和可靠性，满足各种应用的需求。
GNSS基础课件：Klobuchar电离层时延改正模型（续）Klobuchar电离层时延改正模型的应用，不仅仅是提高GNSS定位的精度和可靠性，更是在复杂多变的电离层环境中，确保导航系统的稳定性和准确性。
差分定位模糊度计算公式推导
载波双差观测方程及模糊度计算公式推导（一）、载波双差方程推导载波观测量方程一般形式为：()s u N c t t φλϕλρδδε+=+-+式中：ϕ为载波相位观测值，ρ为测站到卫星的几何距离，u t δ、s t δ分别为接收机钟差和卫星钟差，φε为与大气有关的传播误差。
站间单差：设有测站12T T 、分别对j 号星进行了观测，则可得观测方程为：11111()j j j s j j u N c t t φλϕλρδδε+=+-+22222()j j j s j ju N c t t φλϕλρδδε+=+-+两式相减，得站间单差方程为：1212121212()()()()()jj j j j j j j u u N N c t t φφλϕϕλρρδδεε-+-=-+-+-站间单差观测方程消去了卫星钟差s jtδ。
星间双差：同理，两站对k 号星进行观测，可得单差方程为：1112121212()()()()()k k k k k k kku u N N c t t φφλϕϕλρρδδεε-+-=-+-+-两式相减，得到站间单差后的星间双差表达式为：1212121212121212[()()][()()]()()()()j j k k j j k kjj k k j jk kN N N N φφφφλϕϕϕϕλρρρρεεεε---+---=---+--- 星间双差消去了接收机钟差u t δ，故双差观测方程中不含卫星和接收机钟差影响。
式中：1212[()()]j j k k ϕϕϕϕ---为双差载波相位观测值，用j kϕ∆∇表示；1212()()j j k kρρρρ---为接收机到卫星几何距离的双差值，用jkρ∆∇表示；1212()()j j k k φφφφεεεε---为与大气有关延迟的双差观测值，短基线（<1km ）情况下，可以近似为0，长基线情况下，要考虑电离层延迟，用LC 组合观测消除，以下公式推导默认为短基线情况。
电离层
假设有一电磁波在空间传播，其波长为，频率为f
该电磁波相位的速度v ph，有v ph = f 其中相位的速度又简称为相速。
• 相速与群速的关系
vgr v ph dv ph d
• 相折射率与群折射率的关系
ngr n ph dn ph d n ph f dn ph df
Klobuchar模型①
• 中心电离层
电离层
天顶方向
Z 中心电离层
约350km 电离层穿刺点 IP
地球
中心电离层
GPS测量定位的误差源 > 电离层延迟 > Klobuchar模型
Klobuchar模型②
• 模型算法
信号的电离层穿刺点处天顶方向的电离层时延 2 Tg sec Z [5 109 A cos (t 14h )] P 其中： A im ；
电离层误差
电离层折射对相位所造成的距离延迟 为
iono ph
nห้องสมุดไป่ตู้ds ds (1
iono ph ph 0
40.3 c c )ds ds ds N ds f f f
2 2 0 2 2 e iono gr
电离层折射对伪距所造成的距离延迟 为 n ds ds (1
2 2 2 2 iono gr 1 2 2 2 2 2 2
A A iono iono ，或电离层延迟改正 V gr gr f2 f2
2 2 2 2 f1 f 2 f1 f 2 iono iono 154 120 iono 154 120 Vgr 2 Vgr 1 Vgr 2 2 2 120 2 154 2 f2 f1
电离层延迟修正方法
– 地磁风暴是地球磁场暂时的、剧烈的骚扰。地磁风暴时F2层 非常不稳定，会分裂甚至完全消失。 在极地附近会有极光 产生。
数据采集与读取
• 数据采集
– GPS 台站数据 – 便携式GPS仪测得数据
数据采集与读取
• 数据读取
方法及数据分析
• 双频改正法
•双频伪距法 •双频载波相位法
• 模型法
电离层扰乱
• X射线：突发电离层骚扰
– 太阳活跃时期强烈的耀斑发生时硬X射线会射击到地球。这 些射线可以一直穿透到D层，在这里迅速导致大量自由电子， 这些电子吸收高频（3-30MHz）电波，导致无线电中断。X 射线结束后D层电子迅速被捕获，无线电中断很快就会结束， 信号恢复。
• 质子：极冠吸收
– 耀斑同时也释放高能质子。这些质子在耀斑爆发后15分钟至 2小时内到达地球。这些质子沿地球磁场线螺旋在磁极附近 撞击地球大气层，提高D层和E层的电离。
PRESENTED BY
摘要
• 电离层简介 • 数据采集与读取 • 方法及数据分析
电离层简介
• 地球大气受太阳辐射作用发生电离,在地面上空形成电离层。一般情况 下,人们界定电离层的高度范围为1000km 以下。1000km 以上电离大气 的自由电子密度比较低,对电波传播的影响基本可以忽略。电离层的下 边界一般在100km 以下,随时间和空间而变化。当电磁波在电离层中传 播时,传播方向和传播速度会发生改变,相对真空传播,产生所谓电离层 折射误差。对于GPS 载波频率,电离层对测距的影响,最大时可达150m ; 最小时也有5m。因此,电离层误差是GPS 测量中不可忽视的重大误差 源之一。
IRI模型
IRI模型
IRI模型
Klobuchar模型
空间测量基础第四章大气延迟
P e + 77 . 6 × 4810 2 T T
mbar ； 单位 K ； mbar 。
T 为气温，为绝对温度，
对流层延迟与大气折射率N 对流层延迟与大气折射率N
∆s = 10 −16 ⋅ ∫ Nds = 10 −16 ⋅ ∫ N d ds + 10 −16 ⋅ ∫ N w ds
s s s
空 间 大 地 测 量 理 论 基 础
空 间 大 地 测 量 理 论 基 础
中 南 大 学
第四章 大气延迟
对流层延迟 电离层延迟
空 间 大 地 测 量 理 论 基 础
中 南 大 学
电离层延迟 电离层 – 自由电子 与信号的频率有关 – 与信号频率的 平方成反比（色散效应） 平方成反比（色散效应） 与信号传播途径上的电子密度有关 而电子密度又与高度、时间、 ，而电子密度又与高度、时间、季 地理位置、 节、地理位置、太阳活动等有关 电离层对载波和测距码的影响， 电离层对载波和测距码的影响，大 小相等， 小相等，符号相反 应对方法 模型改正 – 单层电离层模型 双频改正 相对定位
vg = vp − λ
∂vp ∂λ
ng = np + f
大气的结构 空 间 大 地 测 量 理 论 基 础
中 南 大 学
对流层
–0km~40km 0km~40km –各种气体元素、水蒸气和尘埃等 各种气体元素、 各种气体元素 –非色（弥）散型介质 非色（ 非色
电离层
–（50）70km以上 （50）70km以上 –带电粒子 带电粒子 –色（弥）散型介质 色
勃兰克（ 勃兰克（Black）改正模型 ）
空 间 大 ∆s = K d 1 − ( cos E ) 2 − b( E ) + K w hd 地 1 + (1 − l0 ) hs 测 量 其中： 理 l0 = 0.833 + [0.076 + 0.00015 × (T − 273)]−0.3⋅E 论 b = 1.92( E 2 + 0.6) −1 基 hd = 148.98(Ts − 3.96) 础 hw = 13000
北斗三号全球导航卫星系统全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM)应用性能评估
摘要：2020年6月23日，我国北斗三号全球导航卫星系统正式完成星座全球组网。
北斗三号全球导航卫星系统采用新一代全球广播电离层延迟修正模型（BDGIM），为用户提供电离层延迟改正服务。
本文利用高精度全球电离层格网（GIM）以及实测BDS/GPS数据提供的电离层TEC作为参考，从延迟改正精度及北斗单频伪距单点定位应用、模型系数性能等方面，对北斗三号系统组网前后（2020年5月1日至2020年7月20日）BDGIM模型的改正精度等应用性能进行了分析与研究，并将其与美国GPS播发的Klobuchar模型和北斗二号卫星导航系统播发的BDS Klobuchar模型进行对比。
研究表明，BDGIM模型在对北斗三号系统组网完成前后电离层延迟修正精度没有发生显著变化。
上述时段内，以国际GNSS 服务（IGS）发布的最终GIM产品为参考，BDGIM模型在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别达到84.45%、74.74%和64.57%；以选取的全球83个GNSS检测站BDS、GPS双频数据实测电离层TEC为参考，BDGIM在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别为73.12%、70.18%及68.06%；当BDGIM模型应用于北斗单频伪距单点定位时，在中国区域、亚太地区和全球范围内分别实现了2.22、2.66和2.96 m的三维定位精度。
关键词：北斗三号全球导航卫星系统电离层BDGIM精度评估Research on performance of BeiDou global broadcast ionospheric delay correction model (BDGIM) of BDS-3Abstract: On June 23, 2020, the last BDS-3 satellite was launched, which means that the China BDS finished its global system construction. The BDS-3 adopts a new generation global broadcast ionospheric delay correction model (BDGIM) for the single frequency ionospheric delay correction. This paper describes the performance of BDGIM during the period before and after the establishment of the BDS-3 system, in terms of the accuracy of ionospheric delay correction, BDS single-frequency pseudorange positioning and the broadcast model coefficients. To access the performance of BDGIM, the high-precision global ionospheric map (GIM) and the measured ionospheric electron content (TEC)data are selected as references. The accuracy of GPS Klobuchar model and the BDS-2 Klobuchar model are also analyzed. The results show that the accuracy of ionospheric delay correction of the BDGIM did not change significantly before and after the completion of the BDS-3 constellation. Taking the final GIM product released by the International GNSS Service (IGS) as a reference, the ionospheric correction percentages of the BDGIM model in China, the Asia-Pacific and global regions reached84.5%、74.6% and 64.4%, respectively. Taking the ionospheric TEC measured by BDS and GPS data of 83 global GNSS stations as a reference, the ionospheric correction percentages of BDGIM in China, Asia-Pacific and global regions are 74.3%、70.5% and 68.6%, respectively. When the BDGIM model is applied to BDS single-frequency pseudorange positioning, the three-dimensional positioning accuracy of 2.22、2.66 and 2.96 m has been achieved in China, Asia-Pacific and the global regions, respectively. Different evaluation results show that the average correction accuracy of the BDGIM model is superior to the BDS Klobuchar model and the GPS Klobuchar model.Key words: BDS-3ionosphere BDGIM precision assessment电离层是影响全球卫星导航系统服务性能最棘手的误差源之一[1]。
基于双频数据组合的可见星电离层延迟研究
基于双频数据组合的可见星电离层延迟研究杨腾飞;高法钦;李斯凡;岳滕飞【摘要】电离层延迟是引起卫星定位误差的主要因素之一,为了有效消除该误差的影响,提出一种基于可见卫星双频数据几何无关组合解算电离层延迟的方法.用卫星双频伪码和载波观测量的差分组合对可见卫星进行电离层延迟建模,然后将组合变换为原始观测量的线性形式进行差分解算,最后演化成对观测量的几何无关组合修正电离层延迟.仿真实验得到某一时间段可见卫星的坐标轨迹、电离层延迟以及模型误差.将各种模型的延迟和误差进行比较,结果发现该方法可不同程度有效修正电离层延迟.【期刊名称】《浙江理工大学学报》【年(卷),期】2016(035)002【总页数】7页(P265-271)【关键词】电离层延迟;可见星;无关组合;Klobuchar模型;载波相位【作者】杨腾飞;高法钦;李斯凡;岳滕飞【作者单位】浙江理工大学信息学院,杭州310018;浙江理工大学信息学院,杭州310018;浙江理工大学信息学院,杭州310018;浙江理工大学信息学院,杭州310018【正文语种】中文【中图分类】P228.4GNSS导航定位中有多种误差源,包括电离层效应、对流层效应、相对论效应、轨道误差、地球潮汐效应、多径效应、钟差以及接收机噪声等。
其中电离层效应引起的误差对卫星导航定位精度影响最大。
以GPS定位系统为例，由电离层效应引起的伪距误差最大为150 m,最小时也有5 m左右[1-2]。
电离层是一种散射介质,即其折射系数是电波频率的函数。
因此,双频接收机的观测值可借助这一特点校正电离层延迟[2]。
另外，电离层会呈现日变化特性，在这种日变化中，通常下午3点左右电离作用最强，而在午夜几个小时电离作用最弱。
另外，电离层效应还受太阳活跃变化的影响，很难精确建模。
因此，电离层误差是全球定位系统(GPS)测量中主要误差源，它更是限制单频GPS接收机测程的主要因素。
对电离层的研究就成了必不可少的课题。
电离层延迟及其特性的公式推导
电离层延迟及其特性的公式推导周晓慧;黄劲松;徐晓华;郭斐【摘要】电离层延迟是影响全球导航卫星系统(GNSS)导航定位精度的重要来源,而如何正确理解测距码和载波受到的电离层延迟及其特性一直是本科教学中的重点、难点问题.本文从相、码速度,即相速和群速的计算作为出发点,通过公式严格推导出对应的电离层延迟,并直观地获取了电离层延迟特性.【期刊名称】《全球定位系统》【年(卷),期】2018(043)005【总页数】5页(P43-47)【关键词】相速度;群速度;电离层延迟;电离层延迟特性【作者】周晓慧;黄劲松;徐晓华;郭斐【作者单位】武汉大学测绘学院,湖北武汉430079;武汉大学测绘学院,湖北武汉430079;武汉大学测绘学院,湖北武汉430079;武汉大学测绘学院,湖北武汉430079【正文语种】中文【中图分类】P228.40 引言电离层延迟是影响GNSS导航定位精度的重要因素,尤其是对于理解“到底是测距码测短了,还是载波测长了?”这样的问题,在本科教学过程中,教师较易出现难以解释清楚,学生容易出现无法接受既成事实的现象.本文从载波、测距码信号的本质出发,通过较为严密的公式推导,回答上述问题,并且为本科教学电离层延迟及其特点提供一种讲解思路,供同行参考.1 基本概念1.1 相位的概念GNSS的信号是由测距码和导航电文调制后依附在正弦波形式的载波上从卫星端播发的.单一的信号在播发的过程中,通常用正弦波/余弦波，如图1所示，在时间域内进行描述,其数学表达式为y=Acos(ωt+φ).(1)式中:A为振幅;ω=2πf是角频率;φ为初相;t为某一时刻. 而相位的定义是某一时刻波上点的位置,对应的图1中黑点的位置.图1 相位及其在时间域内的表达1.2 相速度及其计算相速度,是指相位在空间中传播的速度.因此,需要在空间域内描述信号,可采用波动方程表示为ξ=Acos(ωt-kx).(2)式中:ω含义同式(1);k=2π/λ,称为波数;(ωt-kx)为相位. 对应于图2中的实心原点与空心圆点两点,分别对应的是不同时刻的相位.图2 波动方程及相位在空间中的传播根据相速度的定义,选择波动方程中的任意相位(ωt-kx)=c,如图2中菱形点所示,可以得到其从t1到t2时刻的传播距离为dx,相应地,相速度可以表示为(3)而(ωt-kx)=c,对时间求导:(4)整理可得,(5)结合相速度及角频率定义,可得相速度的表达式为(6)可见,单一的电磁波在媒介中传播是波长和频率的函数.1.3 合成波及包络的概念GNSS信号由测距码、导航电文和载波组合而成,如图3所示，可以看作是一种组合波.采用最简单的两个余弦波合成为例,来讲解合成波及包络的概念.假设分别有2个单一的正弦/余弦波,其波动方程可以分别写作ξ1=Acos(ω1t-k1x)，ξ2=Acos(ω2t-k2x)，(7)式中，ω1、ω2、k1、k2含义同式(3). 利用三角公式的和差化积,可得到合成波的表达式:ξcom =ξ1+ξ2(8)图3 GNSS信号的组成图4 合成波及包络实曲线中相邻波峰波谷的虚线即为包含着高频信号的低频曲线,也是常说的包络线,它是能量传播的基本单元，如图4所示.1.4 群速度及其计算GNSS载波信号是以合成波的形式传播的,因此,通过包络在空间传播的速度来进行描述,即群速度是包络的相速度.根据1.3节内容,包络方程为(9)与相速度推导过程相似,群速度可写作(10)2 电离层传播距离计算2.1 相、群速度之间的关系结合式(7)、(10)及波数的定义,可得相、群速度之间的关系为(11)2.2 相、群折射率之间的关系电离层对GNSS信号而言是色散介质,信号通过时,速度会发生变化,通常采用折射率来反映速度的变化,那么,测距码和载波信号对应的相折射系数和群折射系数分别为(12)结合式(12)和式(13)可得,(13)又因ε为小数时,(1+ε)-1=1-ε,顾及λ=c/f,可得相、群折射系数之间的关系:(14)对于GNSS信号而言,截断的电离层折射系数是频率f的函数:(15)式中:Ne为电子密度;qe和me分别为电子电荷和质量,将其代入式(14)和式(15),分别可得(16)2.3 电离层中信号传播距离信号在电离层中的传播时间为(17)信号在电离层中传播的距离为(18)此式即著名的依据Fernet’s定理.3 电离层延迟计算及其特性3.1 GNSS测距基本思想GNSS通过距离交会实现定位、导航和授时的主要功能.距离交会可通过测距码或载波进行距离测量实现,其基本思想是获得信号传播时间,乘以速度.而在接收机内部,通常采用光速作为信号的传播速度,即S0=c×t.(19)式中:S0为理论计算的信号传播距离；c为光速；t为信号的传播时间.3.2 电离层延迟的计算及特性(20)对测距码和载波而言,结合式(16)、(18)和式(20),它们对应的电离层延迟分别为(21)即,(22)而沿卫星信号传播路径s对电子密度Ne进行积分即为总电子含量TEC,即底面积为一个单位面积沿信号传播路径贯穿整个电离层对一个柱体所含的电子总数，如图5所示.图5 总电子含量示意图因此公式(22)可写作:(23)从式(23)不难看出,电离层具有以下特性:1)电离层延迟大小与总电子含量成正比;2)电离层延迟大小与频率的平方成反比;3)码伪距和载波相位受到的电离层延迟大小相等,符号相反.4 结束语GNSS原理相关课程已成为众多开展大地测量、工程测量等方向的核心课程,作为影响定位效果的误差源-电离层,它对测距码和载波信号造成的测距误差出现大小相等、方向相反的结论一直未能较好地给予形象解释.本文试图从GNSS信号的本质出发,通过较为严密的公式推导,证明了相应的结论.参考文献【相关文献】[1] 李征航. 黄劲松. GPS测量与数据处理[M].2版. 武汉：武汉大学出版社, 2010.[2] 李征航. 张小红. 卫星导航定位新技术及高精度数据处理方法[M]. 武汉：武汉大学出版社, 2009.[3] 姜波. 相速度、群速度与德布罗意波[J]. 潍坊学院学报, 2004, 4(4):56-57.[4] 赵凯华. 电磁波的群速与能量传播速度[J]. 大学物理, 1984, 1(10):1-4.[5] 蒲明刚. 相速、群速和能量传播速度[J]. 成都信息工程学院学报, 1993(4):116-119.。
RTKPPP定位算法流程
1基础知识1.1GPS精密单点定位的基本原理GPS精密单点定位一般采用单台双频GPS接收机，利用IGS提供的精密星历和卫星钟差，基于载波相位观测值进行的高精度定位。
观测值中的电离层延迟误差通过双频信号组合消除，对流层延迟误差通过引入未知参数进行估计。
1.2时间系统RTKLIB内部使用GPST(GPST时间)用于GNSS的数据处理和定位算法。
数据在RTKLIB内部处理之前，需要转换成GPST时间。
使用GPST的原因是避免处理润秒。
RTKLIB使用以下结构体表示时间：typedef structtime_t time; /* time(s) expressed by standard time_t */double sec; /* fraction of second under 1 s */} gtime_t;GPST和UTC(Universal Time Coordinated)关系参考【图1】，参考【图2】：图1 转换关系公式图 2通过使用GPS导航信息中的UTC参数，GPST到UTC或者UTC到GPST之前的转换可以用更准确的表达方式，如【图3】。
图 3这些参数是由GPS导航消息提供的。
BDT（北斗导航卫星系统时间）BDT（北斗导航卫星系统时间）是一个连续的时间系统，没有润秒。
开始历元的时间是【UTC 2006年1月1号00:00:00】。
北斗时间计算公式【图4】：图 4UTC和GPST时间转换同上面的GPS一样，只不过UTC参数来自与北斗导航信息中。
坐标系统接收机和卫星的位置在RTKLIB中表示为在ECEF(地心地固坐标系)坐标系统中的X, Y, Z组件。
大地坐标到ECEF坐标的转换转换公式如【图5】。
第三个公式最后一行有错，应该为:(v(1 – e2)+h)sin图 5参数说明： a :地球参考椭球的长半径f : 地球参考椭球的扁平率h: 椭球高度:纬度: 经度当前版本的RTKLIB使用的值为【图6】：图 6图7 参考椭球体ECEF坐系到大地坐标的转换转换公式如【图8】图8本地坐标到ECEF坐标的转换在接收机位置的本地坐标，也被称为ENU坐标，通常使用在GNSS导航处理。
VRS电离层延迟改正模型分析研究
VRS电离层延迟改正模型分析研究摘要:论文在对VRS系统的构成与原理方面进行介绍的基础上,并对接收机误差、卫星种差和信号传播误差在内的各种误差源进行分析。
其中重点介绍了电离层误差的处理方法与模型。
主要针对电离层误差的削弱分析了Klobuchar模型与双频P1P2码伪距组合法模型,并分别将这两种算法加入到定位程序中,通过对定位结果的分析,得出了Klobuchar模型是一种适用于中国地区实用有效的电离层改正模型。
关键词:VRS 电离层电离层延迟GPS虚拟参考站(Virtual Reference Station)定位技术,是一种应用计算机技术、因特网数据通讯技术和卫星定位技术于一体的综合性定位技术,它通过采用先进的多基准站网络RTK算法模型,成为常规RTK技术之后的第三代卫星定位技术的发展方向。
虚拟参考站的思想是通过参考站网络系统中的真实观测值产生实际不存在的虚拟站的”观测值数据”,并将这些数据传输给流动站。
通常使用VRS周围的3个或者更多的参考站的数据来计算VRS的观测数据。
这种方法对于长达35公里的基线,其水平精度可以达到5cm。
1 VRS系统及误差分析1.1VRS系统原理VRS的实质就是一个基于连续运行的GPS参考站系统。
它是网络RTK技术中的一种,由在固定区域内建立的三个或三个以上的GPS基准站组成,通过网络技术或无线通信技术与数据管理中心的控制软件相连,连续运行的GPS参考站实时向数据处理中心发送数据并由数据处理中心对发送来的原始观测数据进行综合处理后,信息发送中心将这些空间定位信息发送给需要的用户移动站,在移动站附近生成一个虚拟的参考站,然后进行双差解算位置修正数据,从而达到高精度、实时动态的定位与导航。
VRS系统示意图见图1。
图1 VRS技术示意图该技术方法的作业流程[1]如下:(1)各个参考站连续采集观测数据;(2)控制中心实时在线解算个基准站GPS参考站网内的载波相位整周模糊度值和建立误差模型;(3)用户将确定的粗略坐标(NMEA-GGA格式)传送给数据处理中心,控制中心在该位置创建一个虚拟参考站(VRS),通过内插得到VRS上各误差源影响的改正值,并按RTCM格式发给流动用户;(4)流动用户站与VRS构成短基线。
全球定位系统_GPS_技术的最新进展第五讲利用双频GPS观测值建立电离层延迟模型
文章编号 : 100723817 (2003) 0120041204 中图分类号 : P228 . 42 文献标识码 : B全球定位系统 ( GPS ) 技术的最新进展利用双频 GPS 观测值建立电离层延迟模型第五讲 李征航1 赵晓峰2 蔡昌盛1( 1 武汉大学测绘学院 ; 2 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室 ,武汉市珞喻路 129 号 ,430079)摘 要 介绍了电离层的概况 , G P S 信号在电离层中的传播 ,电离层改正模型以及利用 G P S 双频观测值来建立电 离层延迟或 V T E C 模型的原理 、方法和结果 。
关键词 电离层 ;电离层延迟 ;总电子含量 ;穿刺点 ;格网模型分子和原子数很少 ,尽管太阳辐射的能量很强 ,但电子密度仍不大 。
在电离层的下层虽然大气较为稠密 ,可供电离的中性气体分子和原子较为充足 ,但太阳光在穿过电离层的过程中其能量已逐渐损耗于电离的过程中而变得十分微弱 ,因而 电子密度也很小 。
在高度为 300 k m ～400 k m 的区间 ,大气仍 有足够的密度 ,太阳辐射也保持相当大的能量 ,故电子密度可取得极大值 。
电离层中大气的各种成份是分层分布的 ,使这些不同气 体分子电离的太阳辐射的频谱段也各不相同 ,于是电离层就在不同高度处形成了几个电子密度的峰值区域 ,从低到高依次为 D 层 , E 层 , F 1 层 和 F 2 层 。
各 层 间 没 有 明 显 的 分 界 线 ,也没有非电离的空间间隔 ,详细情况见表 1 。
除了上述正规层次外 ,电离层中还存在不均匀结构 。
它1 电离层电离层是高度约为 60 k m ～ 1 000 k m 范 围 内 的 大 气 层 。
该区域内的大气分子和原子在太阳的紫外线 、X 射线和高能 粒子的作用下电离生成自由电子和正离子 。
带电粒子在外 加电磁场的作用下将随之振动 ,从而产生二次辐射 ,同原来 的场矢量相加最终影响电离层的折射指数 。
观测值线性组合
c
Байду номын сангаас
tR
c
t
S
)
(ion
)L2
1
L 2
trop
n
(
L1
m
L2
)(
c tR
c t S
)
n (ion )L1 m (ion )L2
(
n
L1
m
L 2
) trop
n NL1 m NL2
(第2式)
4
组合观测值的一般特性①
• 频率特性
由第1式得：
fn,m n fL1 m fL2
widelane L1 L2
fwidelane fL1 fL2 347.82MHz
wide-lane
c f widelane
86.19cm
N widelane N L1 N L2
twidelane
A f L1 f L2
f L2 f L1 fL1 f2
A f L1 f L2
fL2 f22
fL2
0
10
不同类型观测值的线 性组合
11
不同类型观测值的线性组合
1. 不同类型双频观测值间的线性组合 2. 不同类型单频观测值间的线性组合
12
Melbourne-Wubbena组合①
• 概况
• Melbourne和Wubbena于1985年提出
• 形式
LMW
1 2
c f1
n(
A ) m( f L1
A )
fL2
A n fL2 m fL1 fL1 fL2
( tion )n,m
(ion )n,m
fn.m
A n fL2 m fL1 fL1 fL2 n fL1 m fL2