卫星导航中电离层时延改正技术

卫星导航中的电离层时延改正技术分析[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。笔者将介绍以下几种电离层延迟改正技术.

二、利用两个测站同步观测值计算电离层延迟

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。电离层是指地球上空50-1000km的大气层。由于阳光中的紫外线、x射线和高能粒子的强烈辐射，大气分子被电离成自由电子和正负离子。当卫星信号穿过电离层时，信号的路径会发生弯曲，从而产生卫星载波相位和伪距信号的附加延迟效应，这时由信号传播时间乘以真空中的光速就不再等于卫星至测站间的距离，这种延迟效应最大可达到几十米，会严重削弱卫星导航定位的精度和准确度，是卫星导航定位中的主要误差源之一，因此必须加以改正，当相邻测站间的距离较近时，由于卫星信号到达不同测站的路径相近，所经

过的介质状况相似，所以通过不同测站对相同卫星的同步观测值作差，便可显著地减弱电离层折射的影响。本文根据此理论提出了一种利用两个测站的同步观测值计算电离层传播延迟的方法，并对该方法进行实测数据分析，结果表明该方法可以较好的遏制由电离层折射带来的测距和测量精度损失。测站1与测站2的距离需小于100m，测站1以特定的频率f1向卫星发送具有伪码扩频的连续波信号；卫星接收到信号后，经过卫星上的转发器变频为f3，然后放大功率向各自天线波束覆盖服务区广播；测站2接收后，响应卫星的

信号，并以f4的频率同时向卫星发送应答信号；卫星接收到用户响应信号后，经转发器变频为f2发送回测站1。

三、电离层网格修正法

要提高卫星定位系统的定位精度就必须改进电离层时延的修正方法，充分利用空间环境中心已侧得的电离层的相关信息.为解决电离层中电子含量分布不均的问题，将卫星信号穿刺点处的电子含量确定出来，从而对信号的时延进行修正.于是本研究提出采用对电离层网格修正法对卫星信号的时延进行修正.目前，

电离层网格法（wass）是在多个侧站的基础上依据电离层的相关性对电离层进行监侧的一种方法，被应用于广域gps差分系统中。由空间中心侧得的电离层参数，形成距地面上空350km的电离层电子含量格网。把格网点的电子含量和精度传播给用户，用户根据自身与卫星的位置在格网中内插出定位信号传播路径上的电子含量。

电离层网格修正法的基本步骤是如下：一是从空间中心获得电子含里网格分布数据；二是由用户计算卫星传播路径与电离层穿透点的地理经纬度，在地心空间直角坐标系中已知侧者（接收机）和卫星的位置。三是测穿透点的地理坐标。四是由网格点的电离层天顶延迟计算穿透点的电离层天顶延迟，采用距离幕次反比法计算穿刺点的电离层垂直延时值，距离平方反比法的主要推算依据就是距离，距离平方反比法认为，距离越远的样本点对估计点的影响越小，其加权值也随距离变化而不同，因此，估计点的值常采用若干临近点的线性加权来拟合。五是计算用户站至卫星的投影函数。六是依据传播路径上的电子含量和卫星信号的频率，计算电离层附加延时可得电离层附加延时所带来的距离偏差。

四、利用klobuchar模型修正

klobuchar模型是美国科学家klobuchar于1987年提出的适用于gps单频接收机的电离层时延改正的方法.由于世界科学家对中纬度地区电离层研究较多，再加上中纬度地区电离层的电子浓度沿南北方向的梯度变化，比其他地区更为平缓光滑.所以klobuchar 正是在这样条件下作了理论推导和假设，他的模型代表了电离层的周日平均特性，其修正值取决于地磁纬度和一天中的地方时刻.作为实测模型典型代表的klobuchar模型，其首先假定天顶方向电离层的折射影响是点的位置与时间的函数，再根据全球gps卫星跟踪站和主控站利用双频gps接收机的实测数据，解算出不同纬度、不同时间的天顶电离层改正的关键参数（即卫星导航电文提供的αn

和βn值），然后利用数学模型确定电离层延时修正.与经验改正模型相比，klobuchar模型能够反映电离层折射的实时变化，是目前大多数的便携式手持gps定位仪、机载船载车载gps定位仪等单频接收机的电离层时延误差的主要修正方法。世界民航联合会在1995年11月通过决议，在waas系统中用网格方式数据内插推估飞行器gps导航中的电离层延时改正值.其解算过程分为四步：①根据全球gps卫星跟踪站和主控站数据，计算5°×5°经纬度网格交点的电离层天顶时延改正值；②根据用户的粗略的经纬度坐标计算gps卫星测距信号的电离层穿刺点的足下点的地理纬度；③利用经纬度网格交点的电离层天顶时延改正值，推估该穿刺点的电离层天顶时延改正值t′；④计算gps卫星测距信号相对用户站的倾斜因子f，然后乘以穿刺点的电离层天顶时延改正值t′，便

得出用户站的电离层时延改正值t。

参考文献：

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