GPS观测数据中的仪器偏差对确定电离层延迟的影响及处理方法

∑ ~—C=
1 n
[ (~Lp - mf · I1, vD ) ]
( 5)
1— 相位观测数据拟合的 IO N 值 2— 相位平滑 P码数据直接计算的 IO N 值 3— 用上测段的 IB值改正相位平滑 P码观 测数据直接
计算的 ION 值 4— 用本测段的 IB值改正相位平滑 P码观 测数据直接
Lp = F ( P2 - P1 ) = mf · I1,v+ Xpc
( 4)
利用 L p (~L p )求解 I1,vc ( I1,vc )及 I1,c = mf · I1,vc (~I1,c
= mf · ~I1, vc ) ;
( 3) 利用 Lh按式 ( 2)求解 I1,vd和 D( D 按测段
Lh= F (h1 - h2 ) = I1+ D+ Xh= mf · I1,v+ D+ Xh
( 2)
其中 , C= F [ ( Sp 2 - Sp 1 )+ ( Rp 2 - Rp 1 ) ]
D= F [ ( N 1 - N 2 )+ ( Sh1 - Sh21 )+ ( Rh1 - Rh2 ) ]; S、 R 分别为相应观测量中的卫星和接收机的仪器偏
离层延迟采用一种由三角级数函数构成的电离层
模型 (由于篇幅限制 ,将另文讨论 ) ,模型系数在求
解中拟合得到。
1— 相位观测数据拟合的天顶 IO N 值 (考虑 IB影响 ) 2— P码观测数据拟合的天顶 IO N 值 (考虑 IB影响 ) 3— 相位平滑 P码数据拟合的天 顶 IO N 值 (考虑 IB影 响) 4— P码观测数据拟合的天顶 IO N 值 (不考虑 IB影响 ) 5— 相位 平滑 P码数 据拟合的 天顶 IO N 值 (不 考虑 IB 影响 )
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硬件内传播时延所致 ,不同于观测噪声。 目前 ,关 于仪器偏差的特征以及仪器偏差对确定电离层延
迟的影响的研究还不多 ,然而较好分离出 IB对于 象 W AAS等许多 GPS应用系统的基准站来说是 一个必须解决的重要问题。针对这种状况 ,本文首 先通过设计几种不同的计算方案 ,分析了仪器偏 差对确定电离层延迟的影响的特点 ; 利用相位平 滑测码数据进一步精化了仪器偏差分离方法 ,并 探讨了仪器偏差的稳定性 ; 基于实时平均去噪和 码、相位观测数据的实时加权联合处理的思想 ,研 究了一种能够较有效克服仪器偏差影响的确定电
图 1 仪 器 偏 差 对 基 准 站 天 顶 电 离 层 延 迟 影 响
( 1995-06-29T 8 /1995-06-30T 8) Fig. 1 Effects o f IB o n determina tio n o f v ertica l
io no spheric delay s a t W RS
Abstract The effects of Inst rumental Bias ( IB) in GP S o bserv a tions o n deter mining io no spheric delay s a re
analyzed with differ ent ca lcula ting schemes in detail and some useful co nclusions a re draw n. Stability o f IB is also r esea rch ed with the me tho d fo r separa ting it fr om io nosphe ric delay s using multi-day G PS data. An improv ed algo rithm abo ut static rea l time dete rmination o f iono spheric delay s is pr esented o n the ba sis o f the predicted v alues of IB and the tech nique o f rea l time av erag ing o f no ise a nd w eig hted-adjustment o f dual Pcode and car rier phase m ea sur ements. Its effectiv eness is v erified w ith ex amples in w hich the instr um enta l bias ar e efficiently calibrated . T he alg o rithm ma y be used in W A A S.
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测 绘 学 报 27卷
迟曲线可以看出曲线 2明显比曲线 3更接近曲线 1。说明把仪器偏差作为噪声处理对确定电离层延 迟影响较大。 无论是拟合电离层模型还是直接计 算电离层延迟时都应考虑 IB的系统性影响。表 1 给出由单颗卫星以及基准站所有卫星考虑或不考
虑 IB时 ,天顶方向观测均方根误差的数值比较 , 它定量地表明用 Lp (~L p )把 C 作为待估参数处理 可使天顶电离层延迟求解精度提高近 1～ 3倍 ,特 别是用 ~Lp 求解电离层延迟时 , IB的影响可明显 反映出来。 在本文中 ,由于 IB均为单基准站观测 数据所计算的卫星— 接收机综合仪器偏差 , 故仅 以不同卫星区别不同的 IB。
( PRN= 31卫星 , 1995-06-29) Fig. 2 Co mpa riso n o f ionospheric delay s determined
with and witho ut IB
表 1 确定电离层延迟时考虑与不考虑 IB天顶方 向观测均方根误差的比较 ( 1995-06-29)
作为常量处理 )及 I1,d = mf· I1, vd。
W A AS等系统一般不单纯采用相位观测数
据确定 ION。 本文的研究中为了进行比较 ,采用
单站相位数据 ,尽可能修复了 Lh的所有周跳 ,所 以 I1, vd求解精度高于 I1,v ,~I1, v , I1,vc和 ~I1,vc , 后面的
讨论均以它为比较标准。在上面的计算中 ,天顶电
1 引 言
近年发展起来的增强型 GPS广域差分系统 (即 W AAS)要求通过其基准站的双频 GPS观测 数据实时提取电离层延迟 (简记为 IO N )信息 [1 ]。
精确提取电离层延迟信息的关键之一在于精确求 定 GPS卫星和接收机的仪器偏差 ,这种仪器偏差 可能给电离层延迟观测值带来高达数米的系统误 差及米级定位误差 [1, 3 ]。 G P S观测量中的仪器偏 差 (简记为 IB)是由于观测信号在卫星 和接收机
Tab. 1 The comparison of rms of vertical residual
errors in ionospher ic delays determined
with and without IB
Keywords G PS , Instr umenta l bia s , W A AS , Io nosph eric delay
摘 要 本文通过设计不同的计算方案详细分析了 GP S观测中的仪器偏差对确定电离层延 迟的影响 ,利用多天实测数据 ,结合仪器偏差与电离层延迟的分离方法 ,探讨了仪器偏差的稳 定性 ,并提出了一种静态实时确定电离层延迟的方案。 算例表明它能较有效克服仪器偏差影 响。 关键词 全球卫星定位系统 ( GPS) 仪器偏差 增强型 GPS 广域差分系统 ( W AAS) 电离层延迟 分类号 P228. 4
计算的 ION 值 图 3 仪器偏差预报改正效果 ( P RN= 31卫星 , 1995-
0 6-3 0) Fig. 3 T he effectiv eness o f pr edic ted cor rection of
instrumental bias
1— 相位观测数据拟合的 IO N 值 (考虑 IB影响 ) 2— P码观测数据直接计算的 IO N 值 (考虑 IB影响 ) 3— P码观测数据直接计算的 IO N (不考虑 IB影响 ) 图 2 考虑与不考虑 IB所求解 ION 值的比较
* 收稿日期: 1998-08-26, 截稿日期: 1999-01-21。 袁运斌 ,男 , 26岁 , 博士生。 现从事误差理论 , G PS测量中电离层改正的研究。 中国科学院动力大地测量学开放研究实验室、国防科工委重大项目子课题资助项目。
第 2期 袁运斌等: G PS观测数据中的仪器偏差对确定电离层延迟的影响及处理方法
差;
F=
f
2 2
/(
fห้องสมุดไป่ตู้
2 1
-
f
2 2
);
f
1
为载波
Li ( i=
1, 2)的频
率 ; Pi , hi 分别为载波 Li 上的码和相位观测量 ;
N i 为载波 Li 相位观测量的整周未知数 ; X为相应
观测量的噪声及其它随机性误差 ; mf 为电离层投 影函数 , 是卫星高度角的函数 [6 ] ; I1 = mf · I 1,v为 载波 L 1 上的观测量的斜距电离层延迟量 ; I1, v为 天顶电离层延迟量。 以上各量除 F 和 mf 外均采 用长度单位。由 C、D 可见 ,在本文中 ,卫星和接收 机的仪器偏差是一起处理的。
The eff ects of Instrumental Bias in GPS observations on determining ionospheric delays and the methods of its calibration
Yuan Yunbi n, Ou Jikun
( Laboratory of Dynamics Geodesy , Institute of Geodesy and Geophy sics , Chinese Academy of Sciences , Wuhan , 430077,China)
第 28卷 第 2期 1999年 5月
测 绘 学 报
ACT A G EO D AET I CA et C AR TO G RA P HIC A SIN ICA
V ol. 28, N o. 2 M ay , 1999
GPS观测数据中的仪器偏差 对确定电离层延迟的影响及处理方法*
袁运斌 欧吉坤
(中国科学院测量与地球物理研究所动力大地测量学开放研究 实验室 ,武汉 , 430077)
离层延迟的新方案 ,可 用于 W AAS及 其他 GPS 网络系统。
2 仪器偏差对确定电离层延迟的影 响
仪器偏差与电离层延迟的关系 ,可从下面两 式得到描述:
码组合观测模型
Lp = F ( P2 - P1 ) = I1+ C+ Xp = mf · I1, v+ C+ Xp
( 1)
相位组合观测模型
(如一天 )所有卫星的实测数据 ,采用以下几种计
算方案求解电离层延迟。 ( 1) 利用 Lp (~Lp )按式 ( 1)求解 I1, v (~I1, v )和 C
(~C )及 I1 = mf · I1,v (~I1 = mf · ~I1, v ) ,把 C 作为一
个待估参数处理 ;
( 2) 把仪器偏差当成噪声处理 ,式 ( 1)写成
对 L p 和 Lh进行 有效的预处理后 ,可认为 X 为白噪声 ( E (X)= 0)。 用 Lh平滑 L p 可得 ~L p ( t ) ( t
为观测历元数 ) ,即
~Lp ( t ) =
1 t
L
p
(
t
)+
t
t
1 [~L p
(t-
1)+
Lh( t ) -
Lh( t - 1) ]
( 3)
为分析仪器偏差对求解电离层延迟的影响 , 利用精确坐标已知的基准站 (如 IGS站 ) 长时间
图 1、 2和表 1给出了利用某 IGS站实测数据
的 计 算 结果 (地 方 时 )。 从 图 1显 示 的基 准 站
( W RS) 的天顶 电离层 延迟值 可以 看出 ,曲 线 2 ( I1,v )、 3(~I1,v )比曲线 4( I1, vc )、 5(~I1,vc )更接近曲线
1; 从图 2中显示的卫星 PRN= 31斜距电离层延