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基于连续参考网络的区域电离层模型精度分析

时间:2016-09-05来源: 作者: 点击: 132次


杨晓旭

(重庆市勘测院,重庆市渝北区 401120

 

  要:在导航卫星系统进行导航、定位、授时时,电离层延迟是其主要的误差源,电离层延迟对电磁波信号的影响越来越成为人们关注的热点。本文在推导了利用GPS双频观测资料获取电离层延迟的算法基础上,利用实测双频观测资料构建了区域性电离层延迟模型,并对其变化规律以及精度的影响因素进行了分析,得到了一些相关的有益结论。

关键词:TEC;VTEC;电离层延迟模型;硬件延迟;精度分析

中图分类号: P2        文献标识码:A

0  

电离层是高度约为60lO00km范围内的大气层,该区域内的大气分子和原子在太阳的紫外线、X射线和高能粒子的作用下电离生成自由电子和正离子,从而形成一个电离区域。不同地点上空的电离层状态因太阳照射条件不同而变化,随纬度、季节和时间等变化。

电离层观测研究一直以来是电离层研究的一个重点,该研究主要借助于对电离层观测资料的处理、统计、分析,获取电离层形态特征及其变化规律的观测和描述,并结合电离层物理相关知识,做出相应的可能的解释。

本文采用了20101月和6WUHN参考站的GPS双频观测资料,根据电离层日变化特征,对全天观测数据采用分段方法建立多项式电离层函数模型,构建区域电离层延迟模型。并且对多项式电离层延迟模型的精度,硬件延迟的影响,以及电离层延迟的变化规律和特征进行了分析,得到了一些相关的有益结论。


 

1 利用GPS双频观测数据建立电离层模型的原理

建立电离层模型大体分为两种方法,一种是经过长期数据获取和计算,最终经过修正和完善得出的电离层变化规律,最终得到相应的模型,如IRIBent模型等;另一种就是在小范围内,运用利用双频信号穿越电离层延迟不同,而建立的区域性模型,即双频改正法。而对TEC的测定,就是此种模型建立的基础。

在提取电离层信息时,必须考虑由于接收机和卫星硬件所引起频率为f1f2的信号在传播时间上的偏差,即接收机和卫星仪器偏差,也称为硬件延迟[3-4]。这种偏差主要是由于不同波段L1L2的传播必须经过硬件路径和接收机的内部电子环路所引起,因此每台GPS接收机有不同的仪器偏差。研究电离层状态随时间的变化时,如果忽略这种仪器偏差,那么计算得到的VTEC并不能反映电离层的实际情况。因此在利用GPS求解VTEC时,必须尽可能准确地计算出GPS的硬件延迟偏差。

本文利用GPS观测量,把硬件延迟当作待估参数引入观测方程,通过平差计算把电离层模型系数和这些平差参数一并解出,这也是比较常用的办法。

式中:为相位观测值的卫星相对电路延迟偏差;为相位观测值的接收机相对电路延迟偏差;为相位观测量组合,它必须有一个序列的观测值才能解出,但存在难以固定的失周时,则必须增加模糊度参数,当参数增加过多时,对求解不利。本文将接收机硬件延迟、卫星硬件延迟看做一个整体,作为未知数,采用一定的电离层模型,代入观测方程中,平差求解,即可求出硬件延迟。

VTEC多项式模型是目前广泛应用的局部电离层模型,该模型是将VTEC看作是纬度差和太阳时角差函数,其具体表达式为:

                                                       (13

式中,为模型系数;nm为多项式的阶数;为测区中心点的地理纬度;为测区中心点(,)在该时段中央时刻时的太阳时角;S为电离层穿刺点的太阳时角;为信号路径与单层的交点P'的地理纬度;t为观测时刻。 [6]

采用单层模型,考虑到硬件延迟,利用伪距观测值之差来确定VTEC电离层延迟模型的观测方程为:

      (14

式中:B即是所说的硬件延迟,它是接收机硬件延迟和卫星硬件延迟的组合。每观测一颗卫星、一个历元就有一个这样的方程,采用最小二乘的方法,可同时解算出该时段内的电离层模型参数和接收机、卫星的组合硬件延迟。

P-P观测值在很大程度上受到观测环境与接收机性能的影响,具有较大得观测误差或者粗差,精度较低,比载波相位低12个数量级,通常要对其进行降噪处理。而对于载波相位观测量,精度高,但采用相位观测要顾及整周模糊度,过多的整周模糊度将给模型结算带来不可预知的影响,而且加重计算负担。在本文中,我们采用相位平滑伪距的方法来进行VTEC建模[5]

 

2 区域电离层延迟模型的建立

本文采用单站单层模型理论,基于多项式VTEC模型建立小区域电离层延迟模型,数据来源于中国区域的IGS跟踪站。数据文件为20101月和6WUHN参考站的全天数据,历元间隔为30秒。在处理数据时,通过TEQCGLONASS的卫星数据去掉,仅用GPS的观测数据,并对观测值文件每个4小时进行截断等处理[6]

将一天分成6个时段,分别对每个时段内的电离层TEC进行拟合。在每个时段内,采用VTEC多项式模型,而一天内对应卫星和接收机的组合硬件延迟采用同一个参数。这样,其参数设置由两部分组成:(1)6个时段的电离层多项式模型系数,如果采用n=1,m=2,则共6*2*3=36个参数;(2)卫星和接收机组合的硬件延迟,一般最多为2930个参数。则待估的参数一般为36+29=65

利用GPS数据建立VTEC电离层延迟模型的流程图为:

2 建立VTEC电离层延迟模型的流程图

 

 

3 精度分析

VTEC的影响因素有很多种,其中主要包括时间(地方时、季节、年份)、地点(经纬度)、高度等。但是到目前为止,我们仍然无法从理论上彻底弄清TEC与上述各因素之间准确的函数关系,因而无法建立TEC的严格计算公式。这并不表示电离层延迟的变化是毫无规律可言的。从理论上来分析,根据电离层和TEC的定义,不难得到VTEC的值是随着高度的增加而减小,随着纬度的减小而增大的结论。但是实际上由于各种影响因素之间相互作用,这种理论上的变化趋势是否完全正确还有待用实测数据进行验证。

 

3.1 电离层延迟模型精度分析

本文以WUHN2010630号的观测数据为例来进行分析,其卫星高度角示意图为:

3  WUHN参考站卫星高度角示意图

 

3.1.1 载波相位平滑对伪距的影响

    下图是利用卫星号为PRN7的卫星在8-12时的观测数据获得的平滑前后的伪距示意图。

4  PRN7卫星在8-12时伪距平滑示意图

下表给出了伪距是否平滑对电离层延迟模型精度的影响:

 

 

 

 

 

1 伪距观测量平滑与否对模型精度的影响

时段

P码观测量

平滑伪距观测量

时段

P码观测量

平滑伪距观测量

1

4.7167

0.8513

4

4.9716

1.3589

2

5.7054

1.5328

5

4.8391

1.3620

3

5.0600

1.3309

6

4.8206

1.4603

 

由上表可以很清楚的看到,没有经过载波相位平滑的伪距差直接参与计算,其精度明显比平滑后的伪距差参与计算要低很多。伪距差观测值在很大程度上受到观测环境与接收机性能的影响,具有较大得观测误差或者粗差,精度较低。由伪距观测值直接计算得到的电离层延迟量有很大的噪声,尤其是在低卫星仰角的情况下噪声更加明显,误差变化达到米级。由于载波相位观测值的精度要比伪距观测值的精度高23个数量级,因此采用载波相位平滑之后,伪距噪声的影响大大减小,模型精度要明显提高。

 

3.1.2 VTEC多项式模型的参数个数

采用2010630WUHN站在世界时8-12时的数据来比较分析。

2 不同参数个数的VTEC多项式模型精度比较

n

m

VTEC模型系数

精度(TECU

精度(m

1

1

E00,E01,E10,E11

1.3431

0.1408

1

2

E00,E01,E02,E10,E11,E12

1.3309

0.1395

2

1

E00,E01,E10,E11,E20,E21

1.3325

0.1397

2

2

E00,E01,E02,E10,E11,E12,E20,E21,E22

1.2954

0.1358

 

3 n=1.m=2VTEC多项式模型参数值(8-12时)

系数

系数

E00

18.9185

E10

-50.5790

E01

-1.8075

E11

10.6742

E02

0.1792

E12

-3.8673

 

从表格中的数据看,参数越多精度就越高,但是计算量就会越大,一般VTEC模型的参数取值为1-2阶,时角2-3阶。由于VTEC模型表达式中还有测区中心点和中央时刻的参数,因此该模型适合小时段和局部地区的电离层模拟。

 

3.2 硬件延迟的影响

硬件延迟是由于观测信号在卫星和接收机硬件内传播时延所致,不同于观测噪声。所以建立电离层模型时,必须把硬件延迟设为参数加以计算。在电离层建模时,将一天分成了六个时段,因此每颗卫星可以得到不超过六个的组合硬件延迟。由表可以清晰的看出,硬件延迟具有一定的稳定性。

有很多学者都对硬件延迟作过研究很分析,证明硬件延迟具有稳定性。袁运斌、欧吉坤等人对GPS硬件延迟的估计方法及其特性进行了计算和研究,结果表明,GPS信号的硬件延迟具有稳定性,它在一天内的变化一般小于1TECU,但其随季节、温度等因素的变化,对不同的接收机、不同的卫星来说是不同的,一般影响在316TECU。硬件延迟的求解精度在很大程度上依赖于所建的电离层模型的精度,同时,它也有类似于载波相位周跳特性的突然变化[7]。由表表明,同一颗卫星的硬件延迟变化大部分都在1TECU以内,最大的1.9692TECU,转换成距离则组合硬件延迟值的变化最大为0.32m,基本在0.5m以内,是比较稳定的。

4 不同卫星的硬件延迟表(部分)

PRN

时段1 0-4h

时段2 4-8h

时段38-12h)

时段4 12-16h

时段516-20h

时段1 16-24h

均值

2

--

--

--

0.2426

-0.2555

-0.3683

-0.1271

3

--

-1.8190

-2.4212

--

--

--

-2.1201

4

--

--

--

-2.2266

-2.2953

-2.0303

-2.1841

5

--

--

--

--

-1.4246

-2.0986

-1.7616

6

--

-2.2938

-2.4270

--

--

--

-2.3604

7

--

--

-1.2628

-1.2078

--

--

-1.2353

8

--

--

-2.3020

-2.8256

-3.1917

-3.2040

-2.8808

9

-2.3966

--

--

--

--

-2.0794

-2.2380

10

--

--

--

-2.4183

-2.8008

-3.8474

-3.0222

 

 通过前面的分析可以看出,忽略硬件延迟的影响,直接利用电离层观测量计算电离层延迟量是不可取的,误差会很大,精度很低。

下表给出了是否考虑硬件延迟时,模型的精度大小(一天共六个时段):

 

 

 

 

硬件延迟对模型精度的影响(单位TECU

时段

P码观测量

平滑伪距观测量

考虑

不考虑

考虑

不考虑

0-4h

4.7167

7.7293

0.8513

5.9092

4-8h

5.7054

8.8020

1.5328

6.5849

8-12h

5.0600

7.7268

1.3309

5.5762

12-16h

4.9716

6.7557

1.3589

5.1727

16-20h

4.8391

8.4799

1.3620

6.7393

20-24h

4.8206

6.4452

1.4603

4.7076

 

表中的值由公式计算得到,即模型的内符合精度。表中给出的精度主要反映了观测数据的精度。从表中可以看出,硬件延迟对电离层延迟的建模有很大影响,是不能被忽略的。

 

3.3 VTEC变化规律

3.3.1 VTEC与高度角的关系

本文采用了8-12时这个时段PRN7的数据来分析VTEC与高度角的关系。

通过PRN7卫星在世界时8-12时段得到的VTEC随历元变化图

6 PRN7卫星在世界时8-12时随历元高度角变化图

 

由上面两幅图可以看出,电离层延迟改正与卫星高度角有密切的关系,随着高度角的增大,电离层延迟量逐渐减小,而随着高度角的下降,电离层延迟量逐渐增加。

 

3.3.2 不同地方时对VTEC影响的比较分析

下面以WUHN站为例,分析TEC随时间(地方时)的变化规律。

7  WUHN站天顶方向电离层总电子含量VTEC随地方时变化图

由图可以看出,区域电离层天顶方向总电子含量VTEC大致具有周日变化的特点为:白天的TEC值的变化幅度比夜间明显要大,白天随地方时t成近似余弦的变化,一般在t=14时左右达到最大,最小出现在凌晨2-3点左右。晚上变化平缓且相对较小,随地方时变化不明显。由于是分时段建立电离层延迟模型,再加上模型参数设置上自身的缺陷和观测值精度影响,在时段间,模型计算的总电子含量会出现跳跃,使得总电子含量曲线图出现不连续现象。

 

3.3.3 不同季节对VTEC影响的比较分析

选取630日数据和11日数据来比较分析季节对VTEC的影响。

季节对VTEC的影响

上图表示20101月和6月在地方时715WUHN站天顶方向VTEC变化的情况。由图可以看出,夏季的VTEC在春季之上,即夏季的VTEC比春季要大。一般来说,夏季电离程度高,电子含量大;春季电离程度低,电子含量小。因而,夏季总电子含量要比春季大。但是,也会出现“季节异常”,即电子总含量的峰值出现在春秋季节,而不是冬夏季节。

 

4、结论

本文在详细推导和理解了利用GPS双频观测数据建立电离层模型的算法和原理的基础上,通过对实测双频观测数据进行处理,建立了基于单基站的区域电离层延迟模型,并对其多项式模型的精度、硬件延迟的影响进行了分析,并通过比较分析得出了总电子含量的变化规律和特性。

电离层延迟的研究是当今测绘领域的一个研究热点,具有广泛的研究空间。它不仅可应用于无线电、导航卫星的电离层延迟等方面,还可以应用于地震预报、太阳活动等一些新的领域。

 

参考文献

[1]李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理(第二版)[M].湖北:武汉大学出版社,2010:92-106240-274.

[2]李卫国.基于GPS观测值构建区域电离层延迟模型的研究[D].安徽:合肥工业大学大地测量学与测量工程,2009.

[3]安家春,王泽民,屈小川,杜玉军.基于单站的硬件延迟求解方法[J].大地测量与地球动力学,2010,302):86-90.

[4]张小红,李征航,蔡昌盛.用双频GPS观测值建立小区域电离层延迟模型研究[J].武汉大学学报(信息科学版),2001,262):140-159.

[5]孙正明,高井祥,王 坚.GPS双频相位平滑伪距权重因子的探讨[J].海洋测绘,2007274):13-16.

[6]范士杰,郭际明,彭秀英.TEQCGPS数据预处理中的应用与分析[J].测培信患与工程,2004,292):33-35.

[7]刘迪.基于双频GPS的区域电离层延迟改正模型研究[D].江苏:河海大学大地测量学与测量工程,2008.

 

杨晓旭,男,重庆市勘测院

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