电离层时延改正模型误差共57页文档
区域电离层建模
区域电离层建模摘要：电离层延迟误差是GPS 定位中的一项重要误差源，自从2000年5月美国取消了SA 政策后，电离层延迟误差改正显得尤为重要。
通常我们都是选取合适的模型来消除电离层，本文的目的就是系统性论述电离层常用模型，已经对某个特定区域进行TEC 建模的方法，并用数据进行了验证。
关键字：电离层；误差；TEC ；建模 引言电离层是高度在60-1000km 间的大气层，当GPS 卫星所发射的信号穿过电离层时，其传播速度会发生变化，变化程度取决于电离层中的电子密度和信号频率，从而使得信号的传播时间't ∆乘上真空中的光速c 后所得到的距离'ρ不等于从信号源至接收机的几何距离ρ，其造成的误差一般在白天可达15m ，夜晚可达3m ；在天顶方向最大可达50m ，在水平方向最大可达150m ，因此必须对电离层延迟加以改正。
一、电离层介绍电离层是一种含有较高密度电子的弥散性介质，电磁波在电离层中的传播速度G V 与群折射率G n 为：)28.401(2--==f N C n Cv e GG 式中，e N 表示电子密度（电子数/3m ），f 为信号的频率（Hz ），C 为真空中的光速。
在进行伪据测量时，P 码以群速度G V 在电离层中传播，若伪据测量中测得信号的传播时间为t ∆，那么卫星值接收机的真正距离ρ为：ds N f C ds N fCt C dtV s e s e tG ⎰⎰⎰-=-∆==∆''2228.4028.40ρρ 由上式可以看出，电离层延迟的大小与电离层中的电子密度（TEC ），令⎰=se dSN TEC则我们称TEC 为总电子含量。
它表示沿着卫星信号传播路径s 对电子密度e N 进行积分。
由此可见电离层改正的大小主要取决于信号传播路径上电子总量和信号频率。
由公式可知，伪据测量中的电离层群延迟改正g )(ion ∆为：TEC fG ion 24028.0)()(-=∆米 式中，TEC 以1610个电子/3m 为单位，信号频率f 以GHz 为单位，其电离层延迟改正分别为：TECm TEC m L ion L ion 267286.0)()(162292.0)()(21=∆=∆根据电离层特性，TEC 主要集中在电离层的F 层，他在300km~500km 达到最大值，因此我们假定F 层的某一个高度处，所有的自由电子大部分都集中在一个厚度为无限薄的球壳上，距离地面约为375km ，此即电离层单层模型SLM 。
卫星导航中的电离层时延改正技术分析
卫星导航中的电离层时延改正技术分析作者：徐波赵国剑来源：《中国科技博览》2012年第20期[摘要]：电离层延迟是各类卫星导航定位系统中的最重要最棘手误差源之一。
本文对两个观测站同时观测、利用网格修正以及Klobuchar模型修正等方法进行了论述。
[关键词]：卫星导航电离层延迟网格修正 Klobuchar模型中图分类号：TD172+.1 文献标识码：TD 文章编号：1009-914X（2012）20- 0247-01一、引言随着通讯技术、计算机技术、信息论及航天与空间技术的迅猛发展，卫星导航技术也日新月异，越来越多的工程领域（通讯、导航、侦察、监视和地球观测等）都离不开导航技术的支持。
当前，美国正在设计试验新的第2代工作卫星改进系统；俄罗斯也实施“恢复GLONASS”计划；欧洲也紧锣密鼓地发展以军民共用的GALIEO欧洲卫星导航服务系统（ESNS，European satellite navigation service system）。
星导航技术的出现和发展，是21世纪工程进展中一项重大技术变革，推动了世界政治、经济、军事和科学的发展。
我国新一代卫星导航系统，将为国防和国民经济建设许多领域的发展，起到巨大的推动作用。
电离层延迟是各类卫星导航定位系统中的最重要最棘手误差源之一。
与GPS及即将建成的GALILEO等国际上的GNSS系统一样，我国新一代卫星导航系统，也必须有效修正或削弱卫星信号的电离层延迟影响。
电离层延迟及GNSS卫星频率间偏差估计信息，是GNSS导航系统必须提供的四类改正信息中的两种。
它们能否有效修正，是我国新一代卫星导航系统能否有效发挥作用、能否在未来军民两个市场的竞争上取得优势地位的决定性因素之一。
电离层延迟的基本原因是电磁波在电离层的传播速度与频率有关，电离层对无线电信号产生的延迟Tmin（f）与载波频率、信号传播路径和电离层穿刺点的垂向电离层电子浓度总含量（TEC）值的关系可表示为：（1）公式中K为电离层比例系数，为用户与卫星间电波射线路径与电离层穿刺点的垂直电子浓度，f为无线电信号工作频率[2]，δ为电磁波射线路径与电离层穿刺点的倾角。
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。
GPS电离层延迟改正模型
GPS电离层延迟改正模型摘要:介绍目前常用的几种电离层延迟改正模型，主要包括Bent模型、国际参考电离层模型IRI、NeQuick模型、Klobuchar模型几种经验模型，并着重介绍了利用双频实测数据建立区域性电离层模型的方法。
关键词电离层，电离层延迟，电离层模型Abstract: this paper introduces several kinds of currently used fur ionospheric delay correction model, mainly including Bent model, international reference the ionosphere model IRI, NeQuick model, Klobuchar model several experience model, and introduces mainly the measured data of the experiments to construct a regional ionosphere model method.Key words the ionosphere, the ionosphere delay, the ionosphere model因电离层的变化错综复杂，我们现在无法完全清楚它对GPS观测的影响机理，但它不是没有规律可循的，根据我们已掌握的电离层特性，我们可以建立有效的电离层延迟改正模型。
现有的电离层延迟改正模型主要有经验模型Bent 模型、IRI模型、NeQuick模型、Klobuchar模型及根据某一时期某一时段的实测数据建立起来的模型。
本文将对经验模型做扼要的介绍，并着重对实测模型进行介绍和探讨。
一、经验模型（一）、Bent模型Bent模型是一种适合用于全球范围的经验模型，它能预算出电离层电子密度及电磁波因摩擦产生的延迟和方向变化。
该模型计算电子密度随高度的变化并由此获得电磁波的传播距离，距离变化率和角的摩擦修正及总电子量。
Klobuchar电离层模型误差分析及预测
中国空间科学技术F e b ２５㊀２０２１㊀V o l ４１㊀N o １㊀４８Ｇ５４C h i n e s eS p a c eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yI S S N １０００Ｇ７５８X ㊀C N １１Ｇ１８５９/V h t t p :ʊz g k jc a s t c n D O I :１０ １６７０８/jc n k i １０００Ｇ７５８X ２０２１ ０００６K l o b u c h a r 电离层模型误差分析及预测彭雅奇１,∗,李冲辉１,王倚文２,魏武雷１,丁柏超１,刘仰前１１．中国直升机设计研究所天津直升机研发中心,天津３０００００２．北京理工大学宇航学院,北京１０００８１摘㊀要:电离层延迟误差是全球导航卫星系统(g l o b a l n a v i g a t i o n s a t e l l i t e s ys t e m ,G N S S )中的重要误差源之一.目前在电离层延迟改正模型中,应用最广泛的是K l o b u c h a r 参数模型,但是该模型的改正率仅能达到６０％左右,无法满足日益增长的精度需求.将国际G N S S 监测评估系统(i n t e r n a t i o n a l G N S Sm o n i t o r i n g &a s s e s s m e n ts ys t e m ,i GMA S )发布的高精度电离层格网数据作为对照,对K l o b u c h a r 电离层模型误差进行计算和分析,结果发现在中纬度区域误差存在明显的周期性特征.为进一步提高K l o b u c h a r 电离层模型在中纬度区域的改正精度,建立了基于粒子群优化反向传播(b a c kp r o p a ga t i o n ,B P )神经网络的K l ob uc h a r 电离层误差预测模型,并以２０１９年１０月的采样数据为例进行误差预测.结果表明,用该模型对中纬度区域电离层延迟提供误差补偿,可将精度提高到９０％左右.关键词:K l o b u c h a r 电离层模型;粒子群优化;B P 神经网络;误差分析;误差预测中图分类号:P ２２８．４㊀㊀㊀㊀文献标识码:A收稿日期:２０２０Ｇ０３Ｇ１８;修回日期:２０２０Ｇ０４Ｇ０２;录用日期:２０２０Ｇ０４Ｇ０６;网络出版时间:２０２０Ｇ０４Ｇ１３㊀１２:３２基金项目:载人航天预先研究项目(０１０２０１)∗通信作者．E Ｇm a i l :p e n g y a qi ６６６＠１６３．c o m 引用格式:彭雅奇,李冲辉,王倚文,等．K l o b u c h a r 电离层模型误差分析及预测[J ]．中国空间科学技术,２０２１,４１(１):４８Ｇ５４．P E N G Y Q ,L ICH ,WA N GY W ,e t a l ．E r r o r a n a l y s i s a n d p r e d i c t i o n o fK l o b u c h a r i o n o s p h e r i cm o d e l [J ]．C h i n e s e S p a c e S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,２０２１,４１(１):４８Ｇ５４(i nC h i n e s e )．E r r o r a n a l y s i s a n d p r e d i c t i o no fK l o b u c h a r i o n o s ph e r i cm o d e l P E N GY a q i １,∗,L IC h o n g h u i １,W A N GY i w e n ２,W E IW u l e i １,D I N GB a i c h a o １,L I UY a n g qi a n １１．T i a n j i nH e l i c o p t e rR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n tC e n t e r ,C h i n aH e l i c o p t e rR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n t I n s t i t u t e ,T i a n ji n３０００００,C h i n a ２．S c h o o l o fA e r o s p a c eE n g i n e e r i n g ,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y ,B e i j i n g １０００８１,C h i n a A b s t r a c t :I o n o s p h e r i cd e l a y e r r o ri so n eo ft h e m o s t i m p o r t a n te r r o rs o u r c e si n g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m (G N S S )．A t p r e s e n t ,t h em o s tw i d e l y u s e d i o n o s p h e r i c d e l a y c o r r e c t i o nm o d e l i s t h eK l o b u c h a r p a r a m e t e rm o d e l ,b u t t h e c o r r e c t i o n r a t e o f t h i sm o d e l c a no n l y r e a c ha b o u t ６０％,w h i c hc a n n o tm e e t t h e i n c r e a s i n g a c c u r a c y r e q u i r e m e n t s ．T h eh i g h Ｇp r e c i s i o ni o n o s p h e r i c g r i d d a t a p u b l i s h e d b y t h ei n t e r n a t i o n a l G N S S m o n i t o r i n g &a s s e s s m e n ts y s t e m (i GMA S )w e r eu s e da s a r e f e r e n c e v a l u e t o c a l c u l a t e a n d a n a l y z e t h e e r r o r o fK l o b u c h a r i o n o s ph e r i cm o d e l ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e e r r o r i nt h em i d l a t i t u d e r e g i o nh a so b v i o u s p e r i o d i cc h a r a c t e r i s t i c s ．T of u r t h e r i m pr o v e t h ec o r r e c t i o n a c c u r a c y o f t h eK l o b u c h a r i o n o s p h e r em o d e l i n t h em i d Ｇl a t i t u d e r e g i o n ,aK l o b u c h a r i o n o s p h e r i c e r r o r p r e d i c t i o nm o d e l w a s e s t a b l i s h e db a s e do n p a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o nb a c k p r o p a g a t i o n (B P )n e u r a ln e t w o r k ．E r r o r p r e d i c t i o n w a s m a d eb y t a k i n g t h e s a m p l ed a t ao fO c t o b e r２０１９a sa ne x a m p l e ．T h er e s u l t ss h o wt h a t a c c u r a c y c a nb e i m pr o v e dt o a b o u t ９０％b y u s i n g t h em o d e l t o c o m p e n s a t e f o r t h e i o n o s p h e r i c d e l a y e r r o r i n t h em i d l a t i t u d e r e g i o n ．K e yw o r d s :K l o b u c h a r i o n o s p h e r i c m o d e l ;p a r t i c l e s w a r m o p t i m i z a t i o n ;B P n e u r a l n e t w o r k ;e r r o r a n a l y s i s ;e r r o r p r e d i c t i o n彭雅奇,等:K l o b u c h a r电离层模型误差分析及预测４９㊀电离层作为空间环境的重要组成部分,能够对无线电信号产生反射㊁折射以及散射等效应,使导航信号的传播速度和方向发生改变,从而造成电离层延迟误差,该误差是G N S S测量中的重要误差源之一[１Ｇ３].改正电离层延迟可以采用双频或多频组合来进行消除,而在单频接收机用户中,K l o b u c h a r电离层模型以其复杂程度小㊁方便利用的优点得到广泛应用[４Ｇ６].该模型利用８个基本参数直观简洁地反映了电离层的变化特性,也充分考虑了其周期和振幅的变化,可在实际应用中进行快速电离层误差改正[７Ｇ８].然而,８参数K l o b u c h a r电离层模型的改正精度不高,通常仅能达到６０％左右,不能满足日益增长的精度需求[９Ｇ１０].许多研究学者从不同方面对该模型提出过改进,刘宸等[１１]提出在原模型８参数的基础上增加５个关键参数,采用松弛迭代与直线搜索中的黄金分割相结合的算法,构建区域改进模型,将改正精度提升至７７．５１％;章红平[１２]提出１４参数的K l o b u c h a r模型,用增加的６个参数描述初始相位及夜间平场的变化,使得中国区域的电离层改正精度得到提高.蔡成辉等[１３]通过采用最小二乘拟合对初始相位和振幅进行改正,建立了适用于小区域的K l o b u c h a r电离层延迟改正模型.文献[１４]在不增加参数的前提下,为了更准确描述极地地区的电离层变化,基于夜间项和余弦项的振幅进行改进,针对单频G N S S用户建立了修正K l o b u c h a r模型.国内外大部分研究成果虽然从各方面对模型进行改进并取得较好的改正效果,但仍存在对电离层整体改正率不高,不足以反映夜间电离层变化等不足.本文通过对比i GMA S的高精度电离层格网数据,对K l o b u c h a r电离层误差进行了基于全局和基于时间序列的误差分析.结果发现,尽管K l o b u c h a r模型相对比较粗糙,但是在中纬度区域,模型误差却呈现出一定的周期性特征.基于此本文利用粒子群优化(p a r t i c l e s w a r m o p t i m i z a t i o n,P S O)结合反向传播神经网络(b a c k p r o p a g a t i o nn e u r a l n e t w o r k,B P N N),建立P S OＧB P N N的电离层误差预测模型,通过对误差数据的训练学习,掌握输入输出间的非线性映射关系,对中纬度K l o b u c h a r电离层模型误差进行预测和补偿,从而提高该区域K l o b u c h a r电离层模型的精度.１㊀K l o b u c h a r电离层模型误差分析１．１㊀K l o b u c h a r电离层模型在G P S所采用的K l o b u c h a r模型中,用余弦函数拟合白天的时延变化,将每天电离层的最大延迟固定在下午两点(本地时间),夜间电离层天顶时延被视作一个５n s的常量,转换成电离层总电子含量(t o t a l e l e c t r o nc o n t e n t,T E C)则为９．２３T E C U(１T E C U＝１０１６个电子每平方米),K l o b u c h a r模型利用８个模型参数和电离层穿刺点处的地磁纬度进行计算,并通过映射函数转换为传播路径上的电离层延迟,具体模型可参考文献[１５],此处不再赘述.１．２㊀i GMA S电离层产品i GMA S能够对G N S S系统服务性能(定位精度㊁连续性㊁可靠性等)进行监测评估,并生成高精度精密星历㊁卫星钟差和全球电离层T E C 格网等产品,在这些核心产品中,全球电离层T E C格网已经成为研究电离层延迟改正的重要基础数据.i GMA S导航数据分析中心综合G P S全球网选出２５０个适于解算电离层的测站,将每天的T E C变化按每２h的时间间隔,全天共反演生成１２张全球电离层T E C地图产品,其沿纬度和经度方向的数据点间隔分别为２．５ʎ和５ʎ,最后以I O N E X(i o n o s p h e r i cm a p e x c h a n g e,I O N E X)格式对外发布[１６].根据i GMA S官方数据显示最终电离层T E C格网数据精度在２~８T E C U,精度在９０％以上,因此本文将其视为电离层T E C 真值,在此基础上进行误差分析.对于任意时刻穿刺点的T E C的求解,可以采用双线性内插的方法,在对时间㊁经度和纬度进行内插后,就可获得某时某地的T E C数据,对应的垂直方向电离层路径延迟为:ΔS＝－４０．２８T E Cf２(１)式中:f为对应的系统工作频率.５０㊀中国空间科学技术F e b ２５㊀２０２１㊀V o l ４１㊀N o １１．３㊀误差分析本文的K l o b u c h a r 模型参数从武汉大学I G S 数据中心下载的广播星历头文件中提取.为了简化问题和方便数据提取,本文主要对穿刺点垂直方向上的电离层误差进行分析,传播路径上的电离层延迟可通过映射函数进行转换.对比分析２０１９年１０月１日１０时的K l o b u c h a r 电离层误差,首先根据i GMA S 给出的高精度电离层格网数据绘制出该时刻的全球电离层图(g l o b a l i o n o s p h e r em a ps ,G I M ),由于G I M 图的单位为T E C U ,为了进行误差分析,需将单位进行统一,根据式(１)可将其转换为穿刺点垂直方向路径延迟(单位为c m ),本文将其视为真实电离层延迟,如图１所示.以L １信号为例,f L１＝１５７５．４２MH z ,如图２所示,计算同一时刻的K l o b u c h a r 电离层路径延图１㊀真实电离层延迟F i g ．１㊀T r u e i o n o s p h e r i c d e l ay图２㊀基于全局的K l o b u c h a r 电离层延迟误差分析F i g ．２㊀E r r o r a n a l ys i s o f g l o b a lK l o b u c h a r i o n o s p h e r i c d e l a y迟误差.可以看出,K l o b u c h a r 模型相对比较粗糙,与真实延迟相比仅能大致拟合电离层的分布,在电离层延迟峰值附近仍然存在不小的误差.在基于时间序列的纵向误差分析中,分别选取电离层相对活跃年份(２０１６年)和相对平稳年份(２０１９年)进行一周内的误差分析,由于高纬度极地地区电离层延迟相对较小,而其变化又很无常,导致K l o b u c h a r 电离层在此区域的适用度较低,因此本文着重分析低纬度和中纬度的误差变化特性,结果如图３所示.可以看出,活跃年图３㊀基于时间序列的K l o b u c h a r 电离层延迟误差分析F i g ．３㊀E r r o r a n a l y s i s o fK l o b u c h a r i o n o s p h e r i c d e l a yb a s e do n t i m e s e r i e s彭雅奇,等:K l o b u c h a r 电离层模型误差分析及预测５１㊀份的电离层延迟比平稳年份的要大,但共同点是K l o b u c h a r 模型计算的电离层延迟与真实延迟都存在不小的误差,同时也能够发现在中纬度电离层误差的变化比较规律,存在以天为频率的周期性变化特征,尤其在平稳年份更加明显.２㊀P S O ＧB P N N 电离层误差预测模型２．１㊀标准B P N N 模型B P N N 属于人工神经网络的一种,以其良好的非线性表达和学习能力,受到较多工程领域人员的青睐,它是一种包含多层网络(输入层㊁隐层㊁输出层)的逆推学习算法[１７],其结构如图４所示.图４㊀B P N N 模型结构F i g ．４㊀B P N N m o d e l s t r u c t u r e d i a gr a m ωi j 和ωjk 为网络权值,利用实际输出与期望输出的差值来调整网络连接权值,通过大样本的数据进行训练学习,使得网络权值不断优化,误差也不断减小.２．２㊀P S O ＧB P N N 误差预测模型标准B P N N 模型对于网络初始参数(如权值㊁阈值㊁学习速率等)的设置较为敏感,同时也比较容易陷入局部极小值.P S O 算法能够较好地克服B P N N 模型的缺点,可以基于种群信息在全局范围内寻找最优解,在B P N N 模型优化方面已经得到了非常成熟的应用[１８Ｇ１９],因此本文也将基于P S O ＧB P N N 构建K l o b u c h a r 电离层误差预测模型,具体过程如下:１)获取样本数据集并进行数据预处理.通过K l o b u c h a r 电离层模型计算所得延迟数据与i GMA S 高精度电离层产品进行对照,得到K l o b u c h a r 模型误差.需要注意不同参数的量纲往往不同,因此为了消除参数量纲对结果的影响,需要进行归一化预处理,将各参数统一至同一数量级.２)确定神经网络结构及输入输出.模型输入参数为电离层穿刺点处的位置参数(经度㊁纬度)以及时间参数(周内秒㊁小时数),输出层对应K l o b u c h a r 电离层模型误差,故输入层节点数m 为４,输出层节点数n 为１,隐层节点数l 可通过经验公式来确定:l ＝m ＋n ＋a (２)式中:a 为１~１０之间的整数,可根据实际进行调整.３)初始化粒子群及粒子个体的位置和速度.每个粒子的位置表示为X i ＝(x i １,x i ２, ,x i d )T,速度表示为V i ＝(v i １,v i ２, ,v i d )T,其中d ＝m l ＋l n ＋l ＋n ,为粒子群个体搜索的空间维数.４)计算粒子适应度函数.表达式为:F ＝１M ðMi ＝１P i －T i ()２(３)式中:M 表示训练样本个数;T i 为系统的期望输出值;P i 为系统的预测输出值.根据适应度函数评价粒子的优劣程度,以此来更新个体最优值和全局最优值,将个体粒子搜索到的最优位置记为P b e s t ,整个粒子群搜索到的最优位置记为G b e s t .５)更新粒子位置速度.通过不断更新迭代个体最优值和全局最优值来引导粒子群进行空间搜索,进行粒子位置和速度更新:V t ＋１＝w V t ＋c １r １ (P t b e s t －X t )＋c ２r ２ (G t b e s t －X t)(４)X t ＋１＝X t ＋V t ＋１(５)式中:w 为惯性权重;t 为算法当前的迭代次数;c １和c ２为学习因子;r １和r ２为[０,１]之间的随机数.６)迭代计算输出最优粒子.P S O 算法的迭代终止条件为达到预设精度或最大迭代次数,满足终止条件时便可将最优粒子映射到B P N N 的权值和阈值.７)神经网络模型训练.根据样本数据集训练B P N N ,得到P S O ＧB P N N 电离层误差预测模型.整个模型流程如图５所示.５２㊀中国空间科学技术F e b ２５㊀２０２１㊀V o l ４１㊀N o１图５㊀P S O ＧB P N N 模型流程F i g．５㊀P S O ＧB P N N m o d e l f l o wc h a r t ３㊀K l o b u c h a r 电离层模型误差预测应用P S O ＧB P N N 模型可以对K l o b u c h a r 电离层误差进行预测,本文选用２０１９年１０月１日起２５天的数据对神经网络进行训练,然后预测之后１０天的电离层误差.为增强B P 算法的数据表征能力,隐层激励函数选择双曲正切函数t a n s i g ,而输出层应具有较大的变化范围,故激励函数选择线性传输函数p u r e l i n ,设定学习速率为０．０１,最大训练次数为５００次;P S O 种群规模为１００,迭代次数为５０,惯性权重为０．９,学习因子c １＝c ２＝２,预设误差为０．０１.本文在全球范围内选取４个中纬度穿刺点为例进行误差预测,坐标分别为P １(３０ʎ(N ),１００ʎ(W )),P ２(４５ʎ(N ),１１０ʎ(E )),P ３(４０ʎ(S ),７０ʎ(W )),P ４(２５ʎ(S ),１３５ʎ(E )),如图６中标记所示.利用MA T L A B 对模型进行仿真,结果如图７所示,从图中可以看出,利用P S O ＧB P N N电离层误差预测模型可以预测K l o b u c h a r 模型误差的大致趋势,将两者作差后得到的预测偏差处于一个相对较低的水平,证明了该模型对于中纬度电离层误差预测是有效的.但是随着时间的推移,每天K l o b u c h a r 模型误差变化的峰值会存在波动,波动大的时候,误差预测模型并不能很好的进行跟随,其预测精度就会下降,不过整体上仍然可以减小K l o b u c h a r模型的误差.图６㊀试验点选取分布F i g ．６㊀D i s t r i b u t i o nm a p of t e s t p o i n t s s e l e c t i on 图７㊀试验点的模型预测偏差F i g．７㊀P r e d i c t i o nb i a s o f t e s t p o i n t s彭雅奇,等:K l o b u c h a r电离层模型误差分析及预测５３㊀将P S OＧB P N N电离层误差预测模型的预测值补偿进K l o b u c h a r模型中,即可提高模型的改正精度.通过计算本文模型的预测偏差均值,与K l o b u c h a r模型误差均值作比较,如表１所示.可以看出,在中纬度地区,利用K l o b u c h a r模型计算电离层延迟仅能将误差改正为原来的６０％左右,仍然存在较大误差,而利用P S OＧB P N N模型补偿后可将电离层延迟误差改正为原来的９０％左右,平均精度可提高３０％左右.表１㊀P S OＧB P N N模型预测精度提升情况T a b l e１㊀I m p r o v e m e n t o f p r e d i c t i o na c c u r a c y o fP S OＧB P N N m o d e l试验点电离层真实延迟/c mK l o b u c h a r P S OＧB P N N模型偏差/c m改正精度/％模型偏差/c m改正精度/％P１２１１．２７１．７６６．１２１．１９０．０P２２３９．７１０３．８５６．７２７．２８８．７P３２５１．６１０７．６５７．３２７．４８９．２P４２３３．４８９．２６１．８２３．２９０．１事实上,电离层延迟受到的影响因素非常多,除了地理因素和时间因素,其他因素,如地磁变化㊁太阳黑子耀斑㊁地球运动等,都会对其产生影响,随着对这些物理现象的研究,可以将相关的影响参数也加进模型的输入参数进行训练,从而进一步提高模型精度,这将是笔者下一步的研究方向.４㊀结束语针对K l o b u c h a r电离层延迟模型改正精度有限,导致该模型不能有效反映电离层的真实状况,无法适应高精度导航需求的问题,本文通过计算和分析K l o b u c h a r电离层模型历史误差数据,发现在中纬度地区存在的规律,然后利用粒子群优化B P神经网络模型对误差数据进行预测.结论如下:１)通过以i GMA S高精度电离层产品数据作为参照,计算K l o b u c h a r电离层模型误差.分析结果显示,中纬度电离层误差存在以天为频率的周期性特征,但这种特征目前无法用确定的数学模型来表示和消除.２)基于神经网络建模工具,构建了P S OＧB P N N电离层误差预测模型,利用训练后的模型对电离层误差进行预测.结果显示,该模型对中纬度K l o b u c h a r电离层误差具有较好的拟合能力和预测效果.３)应用预测模型对中纬度K l o b u c h a r电离层延迟的解算结果进行补偿,在模型改正精度上可以提高３０％左右.４)由于电离层延迟的影响因素比较复杂,除了地理和时间因素,其他相关因素对模型精度的影响有待进一步研究.综上,本文对于提高中纬度K l o b u c h a r电离层模型精度,减小该区域导航信号的传播误差具有一定参考意义.参考文献(R e f e r e n c e s)[１]㊀刘宸,刘长建,冯绪,等．适用于不同尺度区域的K l o b u c h a rＧl i k e电离层模型[J]．测绘学报,２０１６,４５(S２):５４Ｇ６３．L I U C,L I U C J,F E N G X,e t a l．K l o b u c h a rＧl i k ei o n o s p h e r i c m o d e lf o r d i f f e r e n ts c a l e s a r e a s[J]．A c t aG e o d a e t i c a e tC a r t o g r a p h i c aS i n i c a,２０１６,４５(S２):５４Ｇ６３(i nC h i n e s e)．[２]㊀WA N G NB,L I ZS,L IM,e t a l．G P S,B D S a n dG a l i l e oi o n o s p h e r i cc o r r e c t i o n m o d e l s:a n e v a l u a t i o n i n r a n g ed e l a y a n d p o s i t i o n d o m a i n[J]．J o u r n a l o fA t m o s p h e r i c a n dS o l a rＧT e r r e s t r i a l P h y s i c s,２０１８,１７０:８３Ｇ９１．[３]㊀S I V A V A R A P R A S A D G,R A T N AM D V．P e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fi o n o s p h e r i ct i m ed e l a yf o r e c a s t i ng m o d e l su s i n g G P S o b s e r v a t i o n s a t al o wＧl a t i t u d e s t a t i o n[J]．A d v a n c e s i nS p a c eR e s e a r c h,２０１７,６０:４７５Ｇ４９０．[４]㊀颜怀成,韩保民,张家新．北斗三频相位观测值线性组合研究[J]．中国空间科学技术,２０１７,３７(１):１０４Ｇ１１０．Y A N H C,HA NB M,Z H A N GJX．R e s e a r c ho n t r i p l eＧf r e q u e n c y c a r r i e rＧp h a s eo b s e r v a t i o nl i n e a r c o m b i n a t i o no fB e i D o us a t e l l i t e n a v i g a t i o n s y s t e m[J]．C h i n e s e S p a c eS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y,２０１７,３７(１):１０４Ｇ１１０(i nC h i n e s e)．[５]㊀刘立龙,陈军,黄良珂,等．基于H o l t指数平滑模型的K l o b u c h a r模型精化[J]．武汉大学学报(信息科学版),２０１８,４３(４):５９９Ｇ６０４．L I U LL,C H E NJ,H U A N GLK,e t a l．㊀As o p h i s t i c a t e dK l o b u c h a rm o d e lb a s e do nt h e H o l te x p o n e n t i a ls m o o t h i n gm o d e l[J]．G e o m a t i c sa n dI n f o r m a t i o n S c i e n c e o f W u h a nU n i v e r s i t y,２０１８,４３(４):５９９Ｇ６０４(i nC h i n e s e)．[６]㊀W A N G F,W UXL,Z H O UT,e t a l．P e r f o r m a n c e c o m p a r i s o nb e t w e e n d i f f e r e n t K l o b uc h a r m ode l p a r a m e t e r s[J]．A c t aG e o d a e t i c a e t C a r t o g r a p h i c a S i n i c a,２０１４,４３(１１):１１５１Ｇ１１５７．[７]㊀吴雨航,陈秀万,吴才聪,等．电离层延迟修正方法评述５４㊀中国空间科学技术F e b ２５㊀２０２１㊀V o l ４１㊀N o １[J]．全球定位系统,２００８,３３(２):１Ｇ５．WU Y H,C H E N X W,WU C C,e ta l．R e v i e wo f t h ei o n o s p h e r i c d e l a y c o r r e c t i o nm e t h o d s[J]．G N S S W o r l do fC h i n a,２００８,３３(２):１Ｇ５(i nC h i n e s e)．[８]㊀张强,赵齐乐,章红平,等．北斗卫星导航系统K l o b u c h a r 模型精度评估[J]．武汉大学学报(信息科学版),２０１４,３９(２):１４２Ｇ１４６．Z H A N G Q,Z H A O QL,Z H A N G HP,e t a l．E v a l u a t i o n o n t h e p r e c i s i o n o fK l o b u c h a rm o d e l f o r B e i D o un a v i g a t i o n s a t e l l i t e s y s t e m[J]．G e o m a t i c s a n d I n f o r m a t i o nS c i e n c e o f W u h a nU n i v e r s i t y,２０１４,３９(２):１４２Ｇ１４６(i nC h i n e s e)．[９]㊀李启航,王剑,刘瑞华．４５ʎ(N)纬度带的K l o b u c h a rＧl i k e 电离层延迟季节修正模型与评估[J]．中国空间科学技术,２０１９,３９(６):３０Ｇ３７．L IQ H,WA N GJ,L I U R H．A m o d i f i e dK l o b u c h a rＧl i k e m o d e l o f i o n o s p h e r ed e l a y w i t hc o n s i d e r a t i o nf o rs e a s o n sf o r４５ʎ(N)l a t i t u d eb e l t[J]．C h i n e s eS p a c eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,２０１９,３９(６):３０Ｇ３７(i nC h i n e s e)．[１０]㊀L U O W H,L I UZZ,L IM．A p r e l i m i n a r y e v a l u a t i o no f t h e p e r f o r m a n c eo fm u l t i p l e i o n o s p h e r i c m o d e l s i nl o wＧa n dm i dＧl a t i t u d e r e g i o n s o fC h i n a i n２０１０Ｇ２０１１[J]．G P SS o l u t i o n s,２０１４,１８(２):２９７Ｇ３０８．[１１]㊀刘瑞华,薛凯敏,王剑．北斗区域K l o b u c h a r改进模型及其修正精度分析[J]．中国空间科学技术,２０１９,３９(１):２９Ｇ３５．L I U R H,X U E K M,WA N G J．R e g i o n a l i m p r o v e dK l o b u c h a rm o d e l f o rB e i D o ua n d i t sc o r r e c t i o na c c u r a c ya n a l y s i s[J]．C h i n e s e S p a c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,２０１９,３９(１):２９Ｇ３５(i nC h i n e s e)．[１２]㊀章红平．基于地基G P S的中国区域电离层监测与延迟改正研究[D]．上海:中国科学院研究生院(上海天文台),２００６．Z HA N G H P．S t u d y o n G P S b a s e d C h i n a r e g i o n a li o n o s p h e r e m o n i t o r i n g a n di o n o s p h e r i cd e l a y c o r r e c t i o n[D]．S h a n g h a i:S h a n g h a i A s t r o n o m i c a l O b s e r v a t o r y,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s,２００６(i nC h i n e s e)．[１３]㊀蔡成辉,刘立龙,黎峻宇,等．基于改进的K l o b u c h a r模型建立南宁市区域电离层延迟模型[J]．大地测量与地球动力学,２０１５,３５(５):７９７Ｇ８０６．C A IC H,L I U L L,L IJ Y,e ta l．E s t a b l i s h m e n to fr e g i o ni o n o s p h e r i c d e l a y m o d e li n N a n n i n g b a s e d o ni m p r o v e dK l o b u c h a r m o d e l[J]．J o u r n a lo fG e o d e s y&G e o d y n a m i c s,２０１５,３５(５):７９７Ｇ８０６(i nC h i n e s e)．[１４]㊀B IT,A NJC,Y A N GJ,e t a l．A m o d i f i e dK l o b u c h a r m o d e l f o rs i n g l eＧf r e q u e n c y G N S S u s e r so v e rt h e p o l a rr e g i o n[J]．A d v a n c e si n S p a c e R e s e a r c h,２０１６,５９:８３３Ｇ８４２．[１５]㊀林清莹,郭金运,闫金凤,等．基于G I M的K l o b u c h a r 电离层模型的精度及影响因素分析[J]．全球定位系统,２０１６,４１(５):９３Ｇ９８．L I N Q Y,G U O J Y,Y A N JF,e ta l．P r e c i s i o na n di n f l u e n t i a lf a c t o r s a n a l y s i s o f K l o b u c h a r i o n o s p h e r i cm o d e l b a s e do nG I Mo n g l o b a l s c a l e[J]．G N S S W o r l do fC h i n a,２０１６,４１(５):９３Ｇ９８(i nC h i n e s e)．[１６]㊀杨海彦．i GMA S观测质量改进及电离层高精度监测研究[D]．北京:中国科学院大学(中国科学院国家授时中心),２０１６．Y A N G H Y．I m p r o v e m e n t o f i GMA S o b s e r v a t i o nq u a l i t y a n d r e s e a r c h o f h i g hＧp r e c i s i o n i o n o s p h e r i cm o n i t o r i n g[D]．B e i j i n g:N a t i o n a lT i m eS e r v i c eC e n t e r,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s,２０１６(i nC h i n e s e)．[１７]㊀WA N GJ,S H I P,J I A N GP,e t a l．A p p l i c a t i o n o f B P n e u r a l n e t w o r k a l g o r i t h mi n t r a d i t i o n a l h y d r o l o g i c a lm o d e l f o r f l o o df o r e c a s t i n g[J]．W a t e r,２０１７,９(４８):１Ｇ１６．[１８]㊀王文中,张树生,余隋怀．基于粒子群优化的B P神经网络图像复原算法研究[J]．西北工业大学学报,２０１８,３６(４):７０９Ｇ７１４．WA N G W Z,Z H A N GSS,Y USH．I m a g e r e s t o r a t i o nb yB P n e u r a lb a s e d o n P S O[J]．J o u r n a lo f N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y,２０１８,３６(４):７０９Ｇ７１４(i nC h i n e s e)．[１９]㊀许荣斌,王业国,王福田,等．基于改进P S OＧB P算法的快递业务量预测[J]．计算机集成制造系统,２０１８,２４(７):１８７１Ｇ１８７９．X U RB,WA N G Y G,WA N GFT,e t a l．P r e d i c t i o no fp a c k a g e v o l u m e b a s e d o n i m p r o v e d P S OＧB P[J]．C o m p u t e r I n t e g r a t e d M a n u f a c t u r i n g S y s t e m s,２０１８,２４(７):１８７１Ｇ１８７９(i nC h i n e s e)．作者简介:彭雅奇(１９９３－),男,硕士,工程师,研究方向为直升机航电系统设计㊁卫星导航数据处理,p e n g y a q i６６６＠１６３．c o m.(编辑:高珍)。
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。
电离层时延改正模型误差
二、GPS卫星导航定位的主要误差
mp = PDOP * mρ
式中：PDOP---三维位置几何精度因子，对于24颗GPS 卫星组成的GPS星座，PDOP的最大值为18，而其最小值 为1.8。 mρ---站星距离的测量误差。
卫星误差：GPS信号的自身误差及人为的 SA误差。主要包括星历误差、星钟误差、 相对论效应误差和地球自转效应误差。 传播误差：GPS信号从卫星传播到用户接 收天线的传播误差。主要包括电离层时延 改正误差、对流层时延改正误差、多路径 误差。 接收误差：GPS信号接收机所产生的测量 误差。主要包括观测噪声误差、内时延误 差和天线相位中心误差。
因有 f1 = 154f0 和 f2 = 120f0 ，并代入上式 则有: Δρ = 0.6469 dion1 即 有 : dion1 = 1.54573 (ρ1－ρ2 ) dion2 = 2.54573 (ρ1得dion1 和 dion2 的值(只有电离层对两观测值的影响是不同 的 )，即可对 ρ1和 ρ2 进行改正 :
S = ρ2 + A / f22 ； 式中：S为星站的理论距离, ρ1 和 ρ2 为对两个载波 上的P码信号进行测量分别获得的伪距观测值。
现将二式相减 有: Δρ = ρ1－ρ2 = A / f22－A / f12 将上面二式代入有：
2 f1 A f f 2 dion1 1 2 f1 f2 f2 2 1 2 2
电离层延迟
\
引用例子如下：
函数极值法求解三频GNSS最优载波相位组合观测量(见论文）
3.2三频修正
利用三频数据最优组合求解电离层延迟的方法：
针对利用双频观测值估计双差电离层延迟量时间长)精度低等问题,
基于三频载波观测值,提出了一种适用于长距离双差电离层延迟量实时估计的方法&首先根据不同观测值线性组合的误差特性选择求解电离层延迟量的最优组合观测值然后在准确获取最优组合观测值对应
模糊度的基础上求解电离层延迟量初值最后引入平滑思想,通hatch 滤波进一步优化电离层延迟量初值&算例分析表明,只要利用几十甚
至十几个历元,双差电离层延迟量估值精度即可有效控制在2cm之内,实现了长距离双差电离层延迟量实时高精度估计.
在双频观测值中’电离层延迟量的求解主要采用双频M码法\载波相位平滑伪距法,但由于载波相位观测量受整周未知数影响’而伪距
观测量精度较差’电离层延迟量估计误差在短时间内一般为分米级至比较三种电离层修正算法发现：
亚米级
.
层实时估计模型。
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
GPS论文关于电离层改正
2 双频改正法
2.1 双频改正法的原理 上面已经提到，对于电磁波而言，电离层属于色散介质，即散射的程度与电磁波的频率 有关，根据延迟量的不同，就产生了双频改正法。
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2.2 双频改正法的过程 利用调制在载波 L1 上的测距码可以求得电磁波从卫星到接收机的准确距离：
S 1 1 4 0 .2 8 T E C / f 1 （其中 TEC 代表电子密度） 同理可以得到 L 2 载波上测距码测得的 ，
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几种 GPS 信号电离层改正模型的优劣性
杜雨正
（河海大学，南京市，210024）
摘要：卫星导航定位目前已经应用在各种领域之中，电离层误差作为传播过程中较为重要的 误差之一，其改正的精确度直接关系到定位的精度。根据不同的精度要求以及具体的实时要 求，来选择合适的电离层改正模型就显得尤为重要。本文对于目前比较常用的几种电离层经 验改正模型进行较为基础的对比，对其各自的适用情况进行浅析，对于实际应用中的模型选 择有一定的参考价值。 关键词：GPS；电离层改正；经验模型；Klobuchar；IRI 中图分类号：P2
S
S
2 T
( t 1 4 ) 为相位差，T 为一天 24 小时，t 是观测时刻穿刺点的地方时。
该模型简单，方便，快捷。适用于单频 GPS 接收机实施快速定位进行的电离层延迟改正。 缺点就是精度有限而且只适用于中纬度（电离层变化较为稳定）地区。
4 差分改正法
电离层延迟在短距离内具有良好的相关性， 所以可以用差分定位的原理来进行延迟误差 的消解——用户在短基线上进行修正电离层误差或在基准站附近进行差分修正时， 可获得比
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区域电离层延迟模型研究
第４１卷第７期２０１８年７月测绘与空间地理信息ＧＥＯＭＡＴＩＣＳ＆ＳＰＡＴＩＡＬＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ.４１ꎬＮｏ.７Ｊｕｌ.ꎬ２０１８收稿日期:２０１７－０８－０７基金项目:辽宁省教育厅重点实验室基础研究项目(ＬＪＺＳ００１)资助作者简介:杨㊀帆(１９７２－)ꎬ男ꎬ湖北随州人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ２００６年毕业于辽宁工程技术大学大地测量学与测量工程专业ꎬ主要从事变形监测与预报方面的研究工作ꎮ区域电离层延迟模型研究杨㊀帆ꎬ李㊀宁(辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院ꎬ辽宁阜新１２３０００)摘要:电离层延迟是ＧＰＳ定位中主要误差源之一ꎮ本文针对中国区域的电离层延迟问题ꎬ首先使用区域电离层延迟模型理论和ＩＧＳ提供的ＩＯＮＥＸ数据ꎬ分析了中国区域点１２０ʎＥꎬ３０ʎＮ()的不同时间尺度的ＴＥＣ变化情况ꎬ总结出该地区的ＴＥＣ变化规律ꎮ然后采用ＩＧＳ公布的监测数据对中国区域的电离层延迟进行ＰＰＰ解算ꎬ并利用Ｍａｔｌａｂ对解算结果进行仿真ꎬ结果表明:球谐函数模型对于中国区域电离层电子含量解算的特征更具有区域代表性ꎮ关键词:ＴＥＣꎻ电离层延迟模型ꎻＩＧＳ数据中图分类号:Ｐ２０７㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７２－５８６７(２０１８)０７－００１５－０４ＳｔｕｄｙｏｎＲｅｇｉｏｎａｌＩｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃＤｅｌａｙＭｏｄｅｌＹＡＮＧＦａｎꎬＬＩＮｉｎｇ(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｕｒｖｅｙｉｎｇꎬＭａｐｐｉｎｇａｎｄＧｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅꎬＬｉａｏｎｉｎｇＴｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＦｕｘｉｎ１２３０００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｄｅｌａｙｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｅｒｒｏｒｓｏｕｒｃｅｓｉｎＧＰＳｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇꎬｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｆｏｒｓｉｎｇｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｕｓｅｒｓ.ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｄｅｌａｙｐｒｏｂｌｅｍｉｎＣｈｉｎａꎬｆｉｒｓｔｌｙꎬｔｈｅｒｅｇｉｏｎａｌｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｄｅｌａｙｍｏｄｅｌｔｈｅｏｒｙａｎｄＩＯＮＥＸｄａｔａｐｒｏｖｉｄｅｄｂｙＩＧＳａｒｅｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆＴＥＣａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅｓｃａｌｅｓ(１２０ʎＥꎬ３０ʎＮ)ｉｎＣｈｉｎａａｎｄｓｕｍｍｅｄｕｐｔｈｅｒｅｇｉｏｎ'ｓＴＥＣｃｈａｎｇｅｓｉｎｔｈｅｌａｗ.ＡｎｄｔｈｅｎｕｓｅｓｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａｐｕｂｌｉｓｈｅｄｂｙＩＧＳｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｄｅｌａｙｏｆｔｈｅｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅｉｎＣｈｉｎａ.ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｐｈｅｒｉｃａｌｈａｒｍｏｎｉｃｍｏｄｅｌｈａｓａｒｅｇｉｏｎａｌｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅｉｎＣｈｉｎａＳｅｘ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＴＥＣꎻｔｈｅｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅｄｅｌａｙｓｍｏｄｅｌꎻＩＧＳｄａｔａ０㊀引㊀言电离层延迟作为ＧＰＳ定位中主要的误差源ꎬ对用户的影响甚大[１]ꎮＳｔａｎｆｏｒｄ大学将地球上空的一个壳层的矩形格网模型作为电离层模型ꎬ给出了每个各网点的实时电离层垂直延迟ꎮ袁运斌㊁欧吉坤等提出站际分区法ꎬ将经过仪器偏差改正的电离层延迟估计为观测量ꎬ再求出已选的电离层模型[２]ꎮ目前ꎬ利用实测ＧＰＳ观测数据建立的电离层延迟模型是修正电离层延迟误差的有效方法ꎮ电离层延迟主要取决于电离层中的电子密度及电子含量(ＴｏｔａｌＥｌｅｃｔｒｏｎＣｏｎｔｅｎｔꎬＴＥＣ)[３]ꎮ因此ꎬ需要ＧＰＳ实测数据处理并对全球电离层ＴＥＣ进行监测ꎬ尤其是中国区域上空的电离层ＴＥＣ情况ꎬ对于深入了解电离层对无线电信号的干扰原理ꎬ解决电离层延迟效应具有重要的科学意义ꎮ本文利用效果比较好的球谐函数模型对ＴＥＣ进行研究ꎮ本文利用区域电离层延迟模型理论ꎬ结合ＩＧＳ站公布的电离层数据对２０１５年电离层ＴＥＣ值进行统计分析ꎬ研究了利用球谐函数模型对中国区域电离层的解算ꎬ通过实例解算中国区域ＴＥＣ的格网分布ꎬ然后将结果与ＩＧＳ发布的数据进行对比ꎬ验证精度ꎮ１㊀基于ＧＰＳ数据的电离层延迟模型１.１㊀电离层延迟ＧＰＳ卫星发射的信号含有导航电文㊁Ｃ/Ａ码和Ｐ码以及搭载的载波信号Ｌ１㊁Ｌ２和Ｌ５ꎮＧＰＳ卫星采用的工作频率是ｆ１＝１.５７５４２ＧＨｚꎬｆ２＝１.２２７ＧＨｚꎮ对于Ｌ１和Ｌ２载波相位来讲ꎬ其电离层延迟改正分别为[９]:(Δｉｏｎ)Ｌ１(ｍ)＝０.１６２２９２ＴＥＣ(Δｉｏｎ)Ｌ２ｍ()＝０.２６２２８６ＴＥＣ{(１)对于利用调制在Ｌ１载波上的测距码所测得的伪距Ｒ１和调制在Ｌ２载波上的测距码所得的伪距Ｒ２来讲ꎬ其电离层延迟改正分别为[３]:(Δｉｏｎ)Ｒ１(ｍ)＝－０.１６２２９２ＴＥＣ(Δｉｏｎ)Ｒ２(ｍ)＝－０.２６２２８６ＴＥＣ{(２)１.２㊀ＧＰＳ数据计算ＴＥＣ对于Ｌ１和Ｌ２载波上的Ｐ码伪距观测量Ｐ１和Ｐ２ꎬ应用公式(３):ρ＝Ｐ１－０.１６２２９２ＴＥＣ＋σρ＝Ｐ２－０.１６２２９２ＴＥＣ＋σ{(３)进而解得公式(４):ＴＥＣ＝９.５２４３７(Ｐ２－Ｐ１)(４)进而求得双频载波相位的公式(５):Ｓ＝λ１φ１＋λ１Ｎ１＋０.１６２２９２ＴＥＣ＋σＳ＝λ２φ２＋λ２Ｎ２＋０.２６７２８６ＴＥＣ＋σ{(５)解得ＴＥＣ如公式(６):ＴＥＣ＝９.５２４３７(λ１φ１－λ２φ２)＋９.５２４３７(λ１Ｎ１－λ２Ｎ２)(６)１.３㊀卫星和接收机的硬件延迟本文利用ＧＰＳ观测数据ꎬ通过特定电离层模型求出卫星和接收机硬件延迟偏差之和ꎬ把这些硬件延迟当作待估参数引入观测方程ꎬ考虑硬件延迟后ꎬ伪距观测量见公式(７):Ｐ＝ρ－４０.２８ｆ２ＶＴＥＣ１ｃｏｓＺᶄ＋ＢＳρ－ＢＲ＋Δ(７)对于相位观测量见公式(８):φλ＝ρ＋４０.２８ｆ２ＶＴＥＣ１ｃｏｓＺᶄ－Ｎλ＋ｂｓ－ｂＲ＋Δ(８)式中ꎬＮ为整周模糊度ꎬｂｓ为相位观测值的卫星电路延迟偏差ꎬｂＲ为相位观测值的接收机电路延迟偏差ꎮ因而ꎬ如公式(９)所示:ＶＴＥＣ＝ｃｏｓＺᶄ４０.２８ ｆ２１ｆ２２ｆ２２－ｆ２１(Ｐ２－Ｐ１－(ｂｓ２－ｂｓ１)＋(ＢＲ２－ＢＲ１))＝ｃｏｓＺᶄ４０.２８ ｆ２１ｆ２２ｆ２２－ｆ２１ΔＰ２１－ΔＢＳ２１＋ΔＢＲ２１()(９)同样对于双频载波相位观测值ꎬ如公式(１０):ＶＴＥＣ＝ｃｏｓＺᶄ４０.２８ ｆ２１ｆ２２ｆ２２－ｆ２１[(φ２λ２－φ１λ１)＋(Ｎ２λ２－Ｎ１λ１)－(ｂｓ２－ｂｓ１)＋(ｂＲ２－ｂＲ１)]＝ｃｏｓＺᶄ４０.２８ ｆ２１ｆ２２ｆ２２－ｆ２１[Ｌ４＋Ａｍｂ２１－Δｂｓ２１＋ΔＲ２１](１０)公式(１０)中ꎬΔｂｓ２１为相位观测值的卫星相对电路延迟偏差ꎬΔＲ２１为相位观测值的接收机相对电路延迟偏差ꎬＬ４为相位观测量组合ꎮ１.４㊀球谐函数模型球谐函数模型对于区域性ＴＥＣ的研究是最佳的参数模型之一ꎮ球谐函数模型的数学模型如公式(１１):ＶＴＥＣ(βꎬｓ)＝ðｎｍａｘｎ＝０ðｎｍ＝０ｐ~ｎｍ ｓｉｎβ (Ｃ~ｎｍ ｃｏｓ(ｍｓ)＋ｓ~ｎｍｓｉｎ(ｍｓ))(１１)式中ꎬβ为穿刺点处的地磁纬度ꎬｓ为穿刺点处太阳－地磁参考框架下的地方时角ꎬｎｍａｘ为球谐展开的最大阶数ꎬＣ~ｎｍꎬｓ~ｎｍ为球谐模型系数ꎬｐ~ｎｍ＝Ｎｎｍ Ｐｎｍ为正规化的ｎ阶ｍ次勒让德函数ꎬＮｎｍ是规化函数ꎬＰｎｍ是经典的未完全正规化的勒让德函数ꎬ规化函数Ｎｎｍ如公式(１２):Ｎｎｍ＝(ｎ－ｍ)!(２ｎ＋１)(２－δ０ｍ)(ｎ＋ｍ)!(１２)式中ꎬδ０ｍ为Ｋｒｏｎｅｃｋｅｒ函数ꎮ２㊀ＴＥＣ变化规律分析２.１㊀数据来源及处理方法全球电离层总电子含量(ＴＥＣ)ＩＧＳ利用观测数据精确提取而来ꎮＩＧＳ首先进行ＧＰＳ观测数据的接收ꎬ然后再用特定的计算方法求出ＴＥＣ分布图ꎬ如图１所示ꎮ图１㊀全球电离层ＴＥＣ立体分布图Ｆｉｇ.１㊀ＧｌｏｂａｌｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃＴＥＣｓｔｅｒｅｏｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ本文中ꎬ分析的区域为１２０ʎＥꎬ３０ʎＮꎬ位于中国东南沿海北部地区ꎬ处于低纬度地区ꎮ从ＩＯＮＥＸ获得２０１５年３６５个源文件ꎬ并从源文件中提取(１２０ʎＥꎬ３０ʎＮ)共３６５ˑ１２＝４３８０个ＴＥＣ数据(每天记录１２次ꎬ可记作ＴＥＣｉꎬｉ＝０ꎬ２ꎬꎬ４ꎬ６ꎬ８ꎬ ꎬ２２)ꎬ单位为１０１６１０ｍ２ꎮ利用数据做不同尺度的ＴＥＣ日均值和时均值ꎬ选择的时间尺度可以分为１ｄ㊁１ｍ和１ａꎮ具体数据处理方法可分为如下:ＴＥＣｄ＝ð２２ｉ＝０ＴＥＣｉ/１２ꎬＴＥＣ的日均值(１３)ＴＥＣｔ＝ðｔｄ＝１ＴＥＣｄ/ｔꎬｔ时间尺度内ＴＥＣ的日均值(１４)ＴＥＣｉｔ＝ðｔｄ＝１ＴＥＣｉｄ/ｔꎬｔ时间尺度内ＴＥＣ不同时刻的平均值(１５)根据公式(１３)ꎬ利用每天１２个ＴＥＣ可以计算出１ｄ尺度内的日均值ꎻ根据公式(１４)ꎬ利用每天的均值可以求出ｔ时间尺度内的日均值ꎬｔ可以选为１月㊁１季和１年ꎮ根据公式(１５)ꎬ选取每天同一时刻的ＴＥＣ进行计算ꎬ求出ｔ时间尺度内每日不同时刻的ＴＥＣ变化情况ꎮ６１㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀测绘与空间地理信息㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１８年２.２㊀不同尺度下的ＴＥＣ变化分析１)以天为尺度分析ＴＥＣ变化根据公式(１３)做出点(１２０ʎＥꎬ３０ʎＮ)２０１５年的ＴＥＣ日变化波形图ꎬ如图２所示ꎮ图２㊀２０１５年(１２０ʎＥꎬ３０ʎＮ)的ＴＥＣ日变化Ｆｉｇ.２㊀ＤａｉｌｙｃｈａｎｇｅｓｉｎＴＥＣ(１２０ʎＥꎬ３０ʎＮ)ｉｎ２０１５由曲线可以看出ꎬＴＥＣ的日变化波动较大ꎮ５０多天左右达到峰值ꎬ２５０多天以后达到谷值ꎬ谷值与峰值之间相差较大ꎮ２)以月为尺度分析ＴＥＣ变化国外很多学者利用ＴＥＣ数据对ＴＥＣ的全球变化规律进行研究发现ꎬＴＥＣ的变化具有非常明显的周年和半年变化特征ꎬ为此以月为尺度做ＴＥＣ的年变化曲线ꎮ根据公式(１４)ꎬ选取月为尺度ꎬ求出２０１５年一年的月ＴＥＣ均值ꎬＴＥＣ变化曲线如图３所示ꎮ由曲线图可以看出ꎬ１ ２月份逐月增加ꎬ２ ４月份逐月减小ꎬ４ ６月份呈现兜风陡峰下降ꎬ６ ９月份处于谷底时期ꎬ从９月开始陡峰增长至第二个峰点ꎮ总的来说ꎬ年变化曲线呈现两个峰点ꎬ一个谷点ꎬ其中内凹成谷时期比较长ꎮ图３㊀以月为尺度的ＴＥＣ变化曲线Ｆｉｇ.３㊀ＴＥＣｃｕｒｖｅｏｎａｍｏｎｔｈｌｙｓｃａｌｅ３)以年为尺度计算ＴＥＣ平均日变化根据公式(１５)ꎬ以年为尺度求出每年不同时刻的平均ＴＥＣ数据ꎬ如图４所示ꎮ图４㊀以年为尺度的日变化曲线Ｆｉｇ.４㊀Ｄａｉｌｙｖａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆａｎｎｕａｌｓｃａｌｅ若以月为单位计算不同时刻的ＴＥＣ变化ꎬ结果如图５至图８所示ꎮ图５㊀２０１５年１ ３月ＴＥＣ平均日变化Ｆｉｇ.５㊀Ａｖｅｒａｇｅｄａｉｌｙｃｈａｎｇｅｏｆ２０１５ａ１ ３ｍｏｎｔｈＴＥＣ图６㊀２０１５年４ ６月ＴＥＣ平均日变化Ｆｉｇ.６㊀Ａｖｅｒａｇｅｄａｉｌｙｃｈａｎｇｅｏｆ２０１５ａ４ ６ｍｏｎｔｈＴＥＣ图７㊀２０１５年７ ９月ＴＥＣ平均日变化Ｆｉｇ.７㊀Ａｖｅｒａｇｅｄａｉｌｙｃｈａｎｇｅｏｆ２０１５ａ７ ９ｍｏｎｔｈＴＥＣ图８㊀２０１５年１０ １２月ＴＥＣ平均日变化Ｆｉｇ.８㊀Ａｖｅｒａｇｅｄａｉｌｙｃｈａｎｇｅｏｆ２０１５ａ１０ １２ｍｏｎｔｈＴＥＣ由上述曲线图可以看出ꎬ以月为尺度的平均日变化曲线与一年的变化曲线基本波形一致ꎮ其中４ ６月吻合程度不高ꎬ变化情况明显ꎮ而其他月份ꎬ变化情况不明显ꎬ吻合程度高ꎬ变化趋势基本一致ꎮ基于以上ＴＥＣ值的各种变化研究ꎬ我们得出以下结论:２０１５年以年为尺度的ＴＥＣ日变化峰值和谷值分别出现在地方时０６:００和２０:００ꎬ且白天ＴＥＣ明显高于晚上ꎻ以年为尺度的ＴＥＣ日变化最大值和最小值出现时刻一般在０６:００和２０:００ꎮ最大值异常时间不超过２ｈꎬ最小值异常时间不超过２ｈꎻ以月为尺度的ＴＥＣ变化出现３个峰值和双谷值ꎬ峰值分别出现在２月㊁４月和１１月ꎬ谷值分别出现在３月和８月ꎮ本文所研究ＴＥＣ点变化规律一定程度上代表了中低纬地区电离层ＴＥＣ的部分性质ꎬ对进一步理解ＴＥＣ变化特征以及改善电离层模型模拟与预测精度具有一定的参７１第７期杨㊀帆等:区域电离层延迟模型研究考和应用价值ꎮ３㊀实验结果分析本文算例包含中国区域的１０个ＩＧＳ站数据ꎬ分别为ｂｊｆｓ㊁ｃｈａｎ㊁ｇｕａｏ㊁ｋｕｍｎ㊁ｌｈａｚ㊁ｓｈａｏ㊁ｗｕｈｎ㊁ｘｉａｎ㊁ｔｎｍｌ㊁ｔｗｔｆꎬ数据日期为２０１５年１月的数据ꎬ经过解算得到ＡＴＭ文件里.ＩＮＸ文件ꎬ如图９所示ꎮ图９㊀解算的.ＩＮＸ文件格式Ｆｉｇ.９㊀Ｓｏｌｖｅｄ.ＩＮＸｆｉｌｅｆｏｒｍａｔ利用Ｍａｔｌａｂ编程画出其区域格网分布ꎬ如图１０所示ꎮ图１０㊀区域电离层格网分布图Ｆｉｇ.１０㊀Ｒｅｇｉｏｎａｌｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｇｒｉｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍａｐ由于中国区域范围大致为７３.３３ʎＥ １３５.５ʎＥꎬ３.１ʎＮ ５３.５０ʎＮꎬ而格网分布图是按一定规律分割全球的ꎬ不能准确地包含中国区域ꎬ因而所建立的区域电离层格网分布图只能将其区域有效地包括其内ꎬ其经纬度范围为６０ʎＥ １４０ʎＥꎬ０ʎＮ ６０ʎＮꎮ为了正确反映电离层ＴＥＣ值分布情况ꎬ还需对其精度做出分布图ꎬ以便快速地了解区域范围的解算精度ꎮ软件解算的文件ＡＴＭ包含精度值ꎬ将其提取可以画成三维分布情况ꎮ与上述一样利用Ｍａｔｌａｂ画图ꎬ如图１１所示ꎮ由图１１可以看出ꎬ不同的区域解算的精度是不一样的ꎬ其中高纬度高经度范围地区解算误差较大ꎬ最大达到２个ＴＥＣＵꎮ而经度和纬度低地区解算精度较好ꎬ不到一个ＴＥＣＵ值ꎬ有的甚至为０ꎮ这可能与模型解算精度有关ꎬ也与不同地区观测站各种因素有关ꎮ除了解算的电离层ＴＥＣ分布情况ꎬＩＧＳ也会发布电离层ＴＥＣ分布数据ꎬ为了和模型解算的ＴＥＣ比较ꎬ也做出相应的电离层格网分布图ꎮ由于解算数据为一个月的数据ꎬ特此选择其中某一天的数据作为参考ꎮ本文选择图１１㊀ＴＥＣ值精度分布图Ｆｉｇ.１１㊀ＴＥＣｖａｌｕｅａｃｃｕｒａｃｙｍａｐ２０１５年１月８日作为参考数据ꎬ其格网分布如图１２所示ꎮ图１２㊀ＩＧＳ公布电离层格网分布图Ｆｉｇ.１２㊀ＩＧＳｐｕｂｌｉｓｈｅｄｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃｇｒｉｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍａｐ与图１１比较ꎬＩＧＳ公布的数据与实例解算的数据有一些区别ꎮＩＧＳ公布的电离层格网分布图曲面大部分平缓ꎬ在高经度地区会出现大的ＴＥＣ值ꎮ而结算的电离层格网分布图起伏比较明显ꎬ有明显的凹凸性ꎮ但两幅图总体趋势是一致的ꎬ均是在高经度地区会出现大的经度值ꎬ两幅图凹凸点的经纬度范围也一致ꎬ说明解算的结果与ＩＧＳ网站公布的数据相比实际区域代表性更大ꎮ４㊀结束语针对中国区域的电离层延迟问题ꎬ本文首先对ＩＧＳ站公布的２０１５年电离层ＴＥＣ值进行了统计分析ꎬ并对中国东南沿海北部区域(１２０ʎＥꎬ３０ʎＮ)的电离层ＴＥＣ值进行了计算ꎬ得到如下结论:１)利用ＩＧＳ提供的２０１５年电离层服务产品ＩＯＮＥＸ数据ꎬ分析了该区域的不同时间尺度的ＴＥＣ变化情况ꎬ发现该地区ＴＥＣ变化存在的规律性ꎮ这些规律在一定程度上代表了中低纬地区电离层ＴＥＣ的部分性质ꎮ２)ＩＧＳ公布的数据是基于全球计算的ꎬ代表的是电离层延迟的全球特征性ꎬ与ＩＧＳ公布的电离层格网分布图相比ꎬ本文中实例的解算结果在区域范围内更具代表性ꎬ符合区域的特征ꎮ参考文献:[１]㊀李成清.基于地基ＧＰＳ中国区域电离层延迟建模研究[Ｄ].西安:西安科技大学ꎬ２０１４.(下转第２８页)[３]㊀黄思沛.智能手机的发展趋势分析[Ｊ].电子技术与软件工程ꎬ２０１４(１０):５４.[４]㊀ＶａｎｊｉｒｅＳꎬＫａｎｃｈａｎＵꎬＳｈｉｔｏｌｅＧꎬｅｔａｌ.ＬｏｃａｔｉｏｎＢａｓｅｄＳｅｒｖｉｃｅｓｏｎＳｍａｒｔＰｈｏｎｅｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＡｎｄｒｏｉｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ[Ｊ].ｐｒｏｖｉｄｅｒꎬ２０１４ꎬ３(１):２３－２７.[５]㊀ＳｕｎＷｅｉꎬＷａｎｇＤａｘｕｅꎬＸｕＬｏｎｇｗｅｉꎬｅｔａｌ.ＭＥＭＳ－ＢａｓｅｄＲｏｔａｒｙＳｔｒａｐｄｏｗｎＩｎｅｒｔｉａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ[Ｊ].Ｍｅａｓｕｒｅ￣ｍｅｎｔꎬ２０１３ꎬ４６(８):２５８５－２５９６.[６]㊀孙伟ꎬ丁伟ꎬ李瑞豹ꎬ等.基于小波降噪的ＭＥＭＳ惯导系统对准方法研究[Ｊ].传感技术学报ꎬ２０１５ꎬ２８(６):８１４－８１８.[７]㊀何晓峰ꎬ胡小平ꎬ唐康华.无缝ＧＰＳ/ＩＮＳ组合导航系统的设计与实现[Ｊ].国防科技大学学报ꎬ２００８ꎬ３０(１):８３－８８.[８]㊀ＷａｎｇＪＨ.ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭＥＭＳＩＮＳＧＰＳＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎＦｏｒＬａｎｄＶｅｈｉｃｌｅＮａｖｉｇａｔｉｏｎ[Ｄ].Ｃａｌｇａｒｙ:ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣａｌ￣ｇａｒｙꎬ２００６.[９]㊀陈冲.地磁辅助惯性导航系统研究[Ｄ].哈尔滨:哈尔滨工业大学ꎬ２０１４.[１０]㊀曾薪夷.基于Ａｎｄｒｏｉｄ平台的ＧＰＳ导航系统的设计与实现[Ｊ].计算机与现代化ꎬ２０１２(９):２２５－２２８. 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三频电离层延迟改正中多路径误差和观测噪声的削弱算法
第37卷 第4期测 绘 学 报V ol .37,No .4 2008年11月AC TA GEODAETICA et CARTOG RAPHICA SINICAN ov .,2008 文章编号:1001-1595(2008)04-0418-05中图分类号:P 228 文献标识码:A三频电离层延迟改正中多路径误差和观测噪声的削弱算法王梦丽,王飞雪国防科学技术大学电子科学与工程学院卫星导航研发中心,湖南长沙410073An Algorithm of Multipath Error and Observation Noise Weakening inTriple -frequency Ionospheric Delay CorrectionW A NG M eng -li ,WA NG Fei -xueSatellite N avig ation Research an d Develo pment C enter ,S chool o f E lectronic Science and En gineer ing ,National University o f Def ense Technolog y ,Chang sha 410073,ChinaA bstract :T he io no spheric delay can be weakened by multi -f requency observa tions ,but pseudora ng e er ror s such as multipath erro r s and o bserv atio n noises are magnified to different deg rees due to using multi -f requency meth -o ds .Hereinto ,by tr iple -frequency observ ations the io no spheric delay can be co rr ec ted to the second o rder or only the first o rde r ,w hich are named triple -frequency o f one or der cor rection and triple -frequency of two o rder co r rection r espectively .T he algo rithm of w eakening the multipath er ro rs and observ ation noises using triple -fre -quency o bserv atio ns is pro vided in this pape r ,w hich g reatly decreases the effects of pseudo range erro r s in calcu -lating the triple -frequency io no spheric delay co rrectio n .By pro ce ssing triple -frequency ex pe rimental obse rva -tions ,the alg o rithm is validated and some useful co nclusions and advise s are summarized :to co r rect the iono -sphe ric delay using triple -f requency observa tions ,fir stly the multipath e rro rs and o bserv atio n no ises should be weakened fro m the pseudo rang es ,and then the ionosphe ric delay is co rrected .In this w ay the precision of co r -rected pseudorange will be improv ed .If the er ro rs can 't be weakened efficiently ,the alg orithm o f t riple -fr eque n -cy of one o rder co r rection o r dual -frequency cor rection is mo re suitable .Key words :ionosphe ric delay ;triple -frequency ;multipath e rro r ;observa tion no ise摘 要:多频测距系统可以借助多频观测数据削弱电离层延迟的影响,但多频改正算法在改正电离层延迟项的同时会不同程度地放大多路径误差、观测噪声等伪距误差的影响。
电离层效应的距离偏差及其改正误差──GNSS导航定位误差之三
（4）F2 区，其高度为 210 ～ 1，000km。该区主要是 250 至 400km 高度处中性大气的主要组成成分── 原子氧电离而产生 的。F2 区，不仅电子密度最大，而且电子密度的变化也最大。它 是对 GNSS 信号产生最大时延影响的区域。F2 区的电子密度峰 值的高度，一般在 250 ～ 400km 之间 ；但在极端条件下，又可能 远高于或略低于这个高度。
地磁场中，一个电子的回旋频率 fH ≈ .59MHz；fp 为等离子体频率， 它是自由电子从离子中分离并进行自由运动时，使电中性的等离 子体平板产生振荡的特征频率。在电离层中，若 Ne 为 1012/m3 时， 等离子体频率 fp ≈ .9MHz。因此，对 GPS 信号的载波频率（fL1， fL2）而言，（fp/f）分别为 5.65×10-3 和 7.25×10-3 ；而（fH/f）分别 为 3.75×10-4 和 4.81×10-4。式（1）中的 X、YT、YL 均远小于 1。
（School ofGeodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan，430079）
Abstract ：In this paper，the influence ofionospheric effect on GNSS satellite navigation/ positioning is summarized. Taking GPS satellite navigation/positioning as an example，the distance biars and its correction error ofionospheric effect are discussed，and the concrete example
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。
GPS单频PPP电离层延迟改正模型探讨
GPS单频PPP电离层延迟改正模型探讨艾合塔木•依米尼亚孜;黄张裕;王岩【摘要】针对电离层延迟会导致GPS单频精密单点定位精度严重缺失的情况,分别探讨了克罗布歇模型、格网模型和历元差分模型,并采用IGS跟踪站数据进行电离层延迟改正.同时根据改正后的单频精密单点定位精度,比较了这三种电离层延迟改正模型的改正效果.结果表明:历元差分模型的改正效果最好,其改正后单频精密单点定位精度可达到厘米级,能较好地符合实际应用要求.%For ionosphere delay would cause GPS single frequency precise point positioning(referred to as PPP)serious lack of accuracy,Klobuchar model,grid(GIM)model and epoch difference(SEID)model were discussed,and ionosphere delay correction was done using IGS tracking station data.At the same time,ac-cording to the corrected PPP precision,the correction effects of these three ionosphere delay correction models were compared.The results showed that the correction effect of the SEID model was the best,the PPP accuracy of which can reach centimeter level and can better meet the actual application requirements.【期刊名称】《甘肃科学学报》【年(卷),期】2017(029)003【总页数】5页(P24-28)【关键词】单频精密单点定位;克罗布歇模型;格网模型;历元差分模型【作者】艾合塔木•依米尼亚孜;黄张裕;王岩【作者单位】河海大学地球科学与工程学院,江苏南京 211100;河海大学地球科学与工程学院,江苏南京 211100;河海大学地球科学与工程学院,江苏南京211100【正文语种】中文【中图分类】P228.4单频GPS接收机凭借其价格低廉、操作简单等特点，受到广大用户的青睐。
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。
RTCM标准的电离层延迟改正信息编解码方法
RTCM 标准的电离层延迟改正信息编解码方法摘要：在全球卫星导航系统中如GPS、GLONASS 和Galileo 等系统中，电离层延迟是导致定位误差的重要因素之一。
因此，在精密定位和导航应用中必须对其进行修正。
为了解决这个问题，电离层延迟改正信息的编解码方法成为了非常重要的研究方向。
本文介绍了RTCM 标准中的电离层延迟改正信息编解码方法，包括编码原理、数据格式、算法等内容，并介绍了它在导航应用中的使用情况。
最后，本文还简析了一些电离层延迟改正信息编解码的研究方向和应用前景。
关键词：电离层延迟；编解码方法；RTCM 标准；定位与导航一、简介电离层是地球大气中的一层电离气体，具有很高的电导率和介电常数。
当GPS 等卫星信号穿过电离层时，由于高频信号容易被电离层吸收而导致信号延时，给定位与导航系统精度带来了很大的影响。
因此，必须进行电离层延迟的改正以提高导航精度。
在全球卫星导航系统的正式应用中，广泛采用RTCM 标准的电离层延迟改正信息编解码方法。
下面将从编码原理、数据格式、算法等方面介绍RTCM 标准中的电离层延迟改正信息编解码方法。
二、编码原理RTCM 标准中的电离层延迟改正信息编码原理是在导航数据中与其它数据一起进行编码的，同样使用差分码。
具体而言，将伪距差分码的相对延迟与穿过电离层的导航信号的传播延迟进行差分，以得到电离层误差改正值。
因此，在编码时不需要专门为电离层误差编码，只需通过偏差码的形式将电离层误差差分传递。
这种编码方式可以减少卫星导航系统的通信负荷，降低系统的复杂性。
三、数据格式RTCM 协议的电离层延迟改正信息主要包括三种格式：Type16、Type26 和Type27。
Type16 的电离层延迟改正信息包括两个主要标志，分别是随机误差指示符（Indic：I）和载频类别指示符（F）。
Type26 的电离层延迟改正信息包括一个主要标志和一个子标志，分别是电离层延迟指示符（ID）和变化率指示符（Rate）。