GPS電離層延遲改正模型

1、GPS電離層延遲改正模型Abstract:thispaperintroducesseveralkindsofcurrentlyusedfurionosphericdelaycorrectionmodel,mainlyincludingBentmodel,internationalreferencetheionospheremodelIRI,NeQuickmodel,Klobucharmodelseveralexperiencemodel,andintroducesmainlythemeasureddataoftheexperimentstoconstructaregionalionospher

2、emodelmethod.因電離層的變化錯(cuò)綜復(fù)雜，我們現(xiàn)在無(wú)法完全清楚它對(duì)GPS觀測(cè)的影響機(jī)理，但它不是沒有規(guī)律可循的，根據(jù)我們已掌握的電離層特性，我們可以建立有效的電離層延遲改正模型。現(xiàn)有的電離層延遲改正模型主要有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ虰ent模型、IRI模型、NeQuick模型、Klobuchar模型及根據(jù)某一時(shí)期某一時(shí)段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立起來(lái)的模型。本文將對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥龆笠慕榻B，并著重對(duì)實(shí)測(cè)模型進(jìn)行介紹和探討。一、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄒ唬?、Bent模型Bent模型是一種適合用于全球范圍的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，它能預(yù)算出電離層電子密度及電磁波因摩擦產(chǎn)生的延遲和方向變化。該模型計(jì)算電子密度隨高度的變化并由此獲得電磁波的傳播距離，距

3、離變化率和角的摩擦修正及總電子量。該模型的輸入?yún)?shù)為日期、時(shí)間、測(cè)站的粗略位置、太陽(yáng)輻射流量及太陽(yáng)黑子數(shù)等。（二）、國(guó)際參考電離層模型1978年國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟和空間研究委員會(huì)建立并公布了一個(gè)電離層經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵灰粐?guó)際參考電離層模型（IRI1978）。該模型給出了1000km以下的電離層中的電子密度、離子密度和主要正離子成分等主要參數(shù)的時(shí)空分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式及計(jì)算程序。我們可以通過(guò)其提供的服務(wù)網(wǎng)址（/models/iri.html）計(jì)算所需區(qū)域的電離層參數(shù)，用戶只需輸入相關(guān)的參數(shù)即可。由于觀測(cè)資料的不斷更新，相機(jī)推出了IRI1980、IRI1

4、986、IRI1990、IRI2001等模型。輸入觀測(cè)日期、時(shí)間、地點(diǎn)和太陽(yáng)黑子數(shù)等參數(shù)后可以獲得電子密度的月平均剖面圖，從而給出總電子含量和電離層延遲。（三）、NeQuick模型NeQuick模型是由意大利薩拉姆國(guó)際理論物理中心的高空物理和電波傳播實(shí)驗(yàn)室與奧地利格拉茨大學(xué)的地球物理、氣象和天體物理研究所聯(lián)合研究得到的新電離層模型，該模型已經(jīng)在歐空局EGNOS!目中使用，并建議Galileo系統(tǒng)的單頻用戶采納來(lái)修正電離層延遲。NeQuick模型不僅可以計(jì)算任意點(diǎn)的垂直方向電子總含量和斜距方向上電子總含量，也可以用參數(shù)NmF2（F2層的電子密度）和HmF2（F2層峰值的高度）來(lái)表達(dá)給定時(shí)間和位置

5、的電子密度，從而得到電離層的垂直電子剖面圖。在計(jì)算高度100km到HmF：fe子濃度時(shí)，模型使用歐盟科技合作項(xiàng)目COST23NCOST251中表示Epstein層的DGR（RadicellaandLeitinger,2001）公式。這些參數(shù)值是時(shí)間和位置的函數(shù)，可以在國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電部（ITUR）的數(shù)據(jù)庫(kù)中的得到，該數(shù)據(jù)庫(kù)提供各種參數(shù)的月平均值。（四）、Klobuchar模型Klobuchar模型是一個(gè)被GPS頻用戶所廣泛應(yīng)用的電離層延遲改正模型。該模型將夜晚的電離層時(shí)延看作為常數(shù)，取值為5nso而白天的電離層延遲則用余弦函數(shù)中正的部分來(lái)模擬。于是用調(diào)制在L1載波上的測(cè)距碼進(jìn)行偽距觀測(cè)時(shí)，在

6、天頂方向的電離層時(shí)延Tg可表示為：Tg=5ns+Acos2；t/P(t-14h)(1)式中t為觀測(cè)瞬間在穿刺點(diǎn)的地方時(shí)，A為余弦函數(shù)振幅，P為周期,可以用下面的公式進(jìn)行計(jì)算：(2)其中以i,6i(i=0、1、2、3)為地面控制系統(tǒng)根據(jù)該天為一年中的第幾天(將一年分為37個(gè)區(qū)間)以及前五天太陽(yáng)的平均輻射強(qiáng)度(共分為10個(gè)檔)從370組常數(shù)中選取的，然后便如導(dǎo)航電文播發(fā)給用戶。Om為穿刺點(diǎn)的電磁緯度。上述的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投际欠从抽L(zhǎng)時(shí)間內(nèi)全球平均狀況的模型，利用這些模型來(lái)估計(jì)某一時(shí)刻某一地點(diǎn)的電離層延遲的精度不夠理想，其誤差為實(shí)際延遲兩端20%-40%當(dāng)然其優(yōu)點(diǎn)是單頻用戶在無(wú)需其他支持系統(tǒng)即可獲得近似的電

7、離層延遲改正數(shù)。二、利用GPS®頻觀測(cè)值擬合區(qū)域內(nèi)電離層相對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投裕瑢?shí)測(cè)數(shù)據(jù)模型更能準(zhǔn)確地反映某個(gè)區(qū)域內(nèi)短時(shí)期內(nèi)的電離層的真實(shí)情況，為該區(qū)域的用戶提供準(zhǔn)確可靠的電離層延遲改正。由于電離層對(duì)穿過(guò)它的GPS言號(hào)具有色散效應(yīng)，且電離層延遲量與信號(hào)的頻率f的平方成反比。如果能同時(shí)接收GPSffi星同時(shí)發(fā)來(lái)的兩種信號(hào)經(jīng)過(guò)相同的路徑，但他們所受到的延遲量各不相同，因而到達(dá)接收機(jī)的時(shí)刻也不同。通過(guò)測(cè)定兩種信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間差或偽距觀測(cè)值之差，即可反推出兩種信號(hào)各自所受的電離層延遲量，進(jìn)而對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行改正。(一) 、利用雙頻觀測(cè)值改正觀測(cè)值由電離層延遲量與頻率的關(guān)系可得雙頻偽距觀測(cè)值：(3)

8、將兩式相減可得:=-=ct=(Vion)1=0.6469(Vion)1(4)所以有(Vion)1=1.54573(-)=1.54573ct(5)(Vion)2=2.54573(-)=2.54573ct(6)由此可知，只要能夠精確測(cè)定兩種信號(hào)的偽距觀測(cè)值之差或它們到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間差，就能夠球得兩種信號(hào)的電離層延遲量。當(dāng)然由雙頻觀測(cè)值，我們還可以經(jīng)組合得到無(wú)電離層影響的觀測(cè)值：=2.5473-1.5473(7)當(dāng)然這種方法要求用戶配備雙頻接收機(jī)，使得廣大用戶的作業(yè)成本增加，無(wú)法滿足用戶的要求。若在測(cè)區(qū)內(nèi)建立少數(shù)幾個(gè)基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站配備雙頻接收機(jī)，根基基準(zhǔn)站的雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合測(cè)區(qū)內(nèi)的電離層，建立區(qū)域性的電離層模型。并將該模型送給測(cè)區(qū)的單頻用戶，實(shí)時(shí)為其提供改正，則可在很大程度上提高用戶的定位精度和降低用戶的作業(yè)成本。(二) 、利用雙頻觀測(cè)值建立區(qū)域電離層模型1、基本原理受電離層色散效應(yīng)的影響，電磁波在穿過(guò)電離層時(shí)的速度將會(huì)發(fā)生變化，對(duì)用測(cè)距碼進(jìn)行測(cè)量而言，信號(hào)是以群速度Vg在