电离层

电离层延迟电离层与太阳、磁层关系图电离层延迟GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层地球TEC柱体底面积为1m2地球大气结构地球大气层的结构GPS测量定位的误差源电离层延迟地球大气结构大气折射效应•大气折射–信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发生弯曲。也称大气延迟。在GPS测量定位中，通常仅考虑信号传播速度的变化。•色散介质与非色散介质–色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同–非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同–对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质GPS测量定位的误差源电离层延迟大气折射效应相速与群速①•相速•群速•相速与群速的关系•相折射率与群折射率的关系phphfvvf假设有一电磁波在空间传播，其波长为，频率为该电磁波相位的速度，有=其中相位的速度又简称为相速。。“群速”表示，群速的传播可以用群波来说，其最终能量对于频率略微不同的一2ddfvgrddvvvphphgrphphgrphphdndnnnnfddfGPS测量定位的误差源电离层延迟相速与群速相速与群速②GPS测量定位的误差源电离层延迟相速与群速222,,1111phgrphgrphphphgrphphphphphgrphphgrphphphphphphphphphphcccnnnvvvvddvdvdfvvvddddcvnnccndvdvvdnccvddvdnvndvdndnnd1111;phphphphphphphdndndnnnnfndddfddff注：电离层折射①3242342342223222232222;1...,,,...1221140.3(),phgrphgrphphphgreegrphgrphccvvnncccnfffccccnfcdndffcccnffffccNHzNnnvv其中等与电子密度、电子质量、电子所带电荷等有关系。近似地可取则：有：一般，可取近似值；因为电子密度恒为正值。故，或，即相位超前。GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层折射相速大于群速。群速的滞后量与相速的提前量相同GNSS信号传播中，导致信号信息的传播被延迟，载波相位传播被提速，即电离层的色散效应无电离层组合电离层误差称为总电子含量，，，则令为成的距离延迟电离层折射对伪距所造为成的距离延迟电离层折射对相位所造TECTECcfcTTECfTECcfcTTECfdsNTECdsNfdsfcdsdsfcdsdsndsNfdsfcdsdsfcdsdsnionogrphionogrionophphionopheegrionogrionogrephionophionoph;3.403.40;3.403.403.40)1(3.40)1(2222220220220220GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层折射电子密度与总电子含量•电子密度与总电子含量–电子密度：单位体积中所包含的电子数。–总电子含量（TEC–TotalElectronContent）：底面积为一个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电子总数。电离层地球TEC柱体底面积为1m2GPS测量定位的误差源电离层延迟电子密度与总电子含量电离层TEC的定义及其与卫星导航观测的关系电子密度与大气高度的关系GPS测量定位的误差源电离层延迟电子密度与大气高度的关系电子含量与地方时的关系GPS测量定位的误差源电离层延迟电子含量与地方时的关系电子含量与太阳活动情况的关系•与太阳活动密切相关，太阳活动剧烈时，电子含量增加•太阳活动周期约为11年1700年–1995年太阳黑子数GPS测量定位的误差源电离层延迟电子含量与太阳活动情况的关系电子含量与地理位置的关系2002.5.151:00–23:002小时间隔全球TEC分布GPS测量定位的误差源电离层延迟电子含量与地理位置的关系常用电离层延迟改正方法分类•双差法（适合短基线）•经验模型改正–方法：根据以往观测结果所建立的模型–改正效果：差•双频改正–方法：利用双频观测值直接计算出延迟改正或组成无电离层延迟的组合观测量–效果：改正效果最好•实测模型改正–方法：利用实际观测所得到的离散的电离层延迟（或电子含量），建立模型（如内插）–效果：改正效果较好GPS测量定位的误差源电离层延迟常用电离层延迟改正方法分类电离层改正的经验模型简介①•Bent模型–由美国的R.B.Bent提出–描述电子密度–是经纬度、时间、季节和太阳辐射流量的函数•国际参考电离层模型（IRI–InternationalReferenceIonosphere）–由国际无线电科学联盟（URSI–InternationalUnionofRadioScience）和空间研究委员会（COSPAR-CommitteeonSpaceResearch）提出–描述高度为50km-2000km的区间内电子密度、电子温度、电离层温度、电离层的成分等–以地点、时间、日期等为参数GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层改正的经验模型简介上部用3个指数层和一个抛物线层下部用双抛物线层来近似需要输入日期、时间、测站位置、太阳辐射流量及太阳黑子数等，修正精度精度60%左右不受地域限制，适用于全球任何地方；缺点是计算不方便，精度不高。电离层改正的经验模型简介②•Klobuchar模型–由美国的J.A.Klobuchar提出–描述电离层的时延–广泛地用于GPS导航定位中–GPS卫星的导航电文中播发其模型参数供用户使用GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层改正的经验模型简介Klobuchar模型①•中心电离层中心电离层电离层地球约350km中心电离层电离层穿刺点IP天顶方向ZGPS测量定位的误差源电离层延迟Klobuchar模型Klobuchar模型②•模型算法930302sec[510cos(14)];(0,1,2,3)(0,1,2,3)hgiimiiimiiimTZAtPAPiiIP信号的电离层穿刺点处天顶方向的电离层时延其中：；；由卫星所发送的导航电文提供；为信号的电离层穿刺点处的地磁纬度，可采用下面步骤计算电离层地球约350km中心电离层电离层穿刺点IP天顶方向ZGPS测量定位的误差源电离层延迟Klobuchar模型Klobuchar模型③•模型算法（续）•改正效果：可改正60％左右445()4,20,cossincos291.078.411.6cos(291.0)15secIPIPIPSIPSSmIPIPIPSIPEAelelIPEAaaEAatIPtUTZIP计算测站和在点心的夹角：为测站处卫星的高度角计算点的地心经纬度：；；为卫星的方位角考虑到目前地磁北极位于东经，北纬有为处的地方时为卫星信号在处的天顶距：39612()90elZGPS测量定位的误差源电离层延迟Klobuchar模型电离层地球约350km中心电离层电离层穿刺点IP天顶方向Z地心测站SEA电离层改正的经验模型简介③•CODE电离层格网模型–由IGS的数据处理中心CODE提供–利用地面跟踪站上的GNSS观测资料–15阶15次的球谐函数建立全球VTEC模型–需要穿刺点的地理纬度、地理经度、日固经度、太阳的地理进度。GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层改正的经验模型简介电离层改正的经验模型简介④•全球电离层模型图GIMS–由IGS提供–专门的电离层信息的数据交换格式IONEX–1998年起，提供时段长度为2h、经差为5°、纬差为2°的VTEC格网图–用户在时间、经度和纬度间内插后即可获得VTECGPS测量定位的误差源电离层延迟电离层改正的经验模型简介电离层延迟的双频改正54573.254573.13928.06469.0154120154120120154213.40212122222221212221222222112122212222222121222122212122212222112122ionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrVVVVVVfffVfffVffffAffffAffffAfAfAfAfASSLLfAVfATECA故：即：得：则：实际的站星距为星距为上的测距码所测定的站采用，星距为上的测距码所测定的站采用设：，或电离层延迟改正，即有电离层延迟令GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层延迟的双频改正电离层延迟的实测模型改正①•基本思想–利用基准站的双频观测数据计算电离层延迟–利用所得到的电离层延迟量建立局部或全球的的TEC实测模型•类型–局部模型•适用于局部区域–全球模型•适用于全球区域GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层延迟的实测模型改正电离层延迟的实测模型改正②•局部（区域性）的实测模型改正–方法–适用范围：局部地区的电离层延迟改正为原点坐标。）；为展开式的系数（待求展开式的最高阶数；为变量的二元泰勒级数和为以；点的太阳时，为点的地心纬度，为其中：00maxmax0000,,)()(),(maxmaxsEsmnUTLTsIPsIPssEsTECnmnnmmmnnmGPS测量定位的误差源电离层延迟电离层延迟的实测模型改正电离层延迟的实测模型改正③•全球（大范围）的实测模型改正–方法–适用范围：用于大范围和全球的电离层延迟改正•格网化的电离层延迟改正模型为球谐系数（待求）。多项式；次正规化缔合勒让德阶的多项式和勒让德为基于正规化函数＝数；为球谐展开式的最高阶；点的太阳时，为点的地心纬度，为其中：nmnmmnnmnmnnnmnmnmnmbaLegendremnPLegendremnPmnPnUTLTsIPsIPmsbmsaPsTEC,)()(),(),(~)sincos(sin~),(,max00maxGPS测量定位的误差源电离层延迟电离层延迟的实测模型改正电离层模型的构建方法•测码伪距观测值（噪声大）•载波相位观测值（需解算整周模糊度）•相位平滑伪距观测值•双差观测值或PPP方法GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层延迟的实测模型改正GNSS双频观测值计算电离层TEC,,2,,,240.28()40.28()jjjjjjjjjkiiiiikikiikjjjjjjjjjjkiiiiikikiikkikPcdtdtTECTrelcbrcbsMfLcdtdtTECTrelcbrcbsMNf,121212,12121211224,22124,222140.2840.2840.2840.28()kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkPPPTECTECcDCBcDCBffLLLTECTECcDCBcDCBNNff基本观测方程同历元同星站间做差，得到几何组合观测量方程：暂不考虑硬件延迟偏差和其他偏差改正的情况下，可得电离层TEC值：21112211229.52437()9.52437()9.52437()TECPPTECNN