GPS原理及其应用 第四章 GPS定位中的误差源3

1、1第四章 GPS定位中的误差源4.5 电离层延迟2包括对流层和平流层平流层位于对流层之上到60km左右高度，平流层空气稀薄且不含水气，对电波的折射小。中性大气对GPS信号延迟主要表现在对流层延迟。中性大气0KM50KM2000KM数万乃至数十万KM磁层含有大量的自由电子和离子，对GPS信号传播有显著的影响，主要集中在60 1000km特别是350km附近的区域。电离层地球大气结构3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

2、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4电离层对GPS信号传播的影响对距离观测值影响的方式传播速度发生变化取决于电子密度与信号频率传播路径发生弯曲一般可不考虑对距离观测值影响的大小天顶方向，十几米高度角5度，超过50m5相速与群速相速群速相速与群速的关系相折射率与群折射率的关系6相速与群速7电离层折射8电离层折射载波相位测量中，载波的相位以相速VP在电离层中传播测码伪距测量中，测距码以群速VG在电离层中传播9电离层延迟改正数电离层折射造成的距离延迟和时间延迟改正数测码伪距测量载波相位测量10电离层延迟改正数电离层折射影响的特点电离层折

3、射延迟与总电子含量TEC成正比，与频率的平方成反比在顾及f2项的情况下，测码伪距观测值和载波相位观测值的电离层延迟改正大小相等，符号相反与电磁波传播的方位有关地球延迟达50m延迟达150m11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10931012电子数/m3总电子含量（TEC Total Electron Content）：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。1TECU=1016个电子/m2VTEC:天顶方向的总电子含量12电子密度与大气高度的关系13VTEC与地方时的关系14VTEC与太阳活动情况的关系与太阳活动密

4、切相关太阳活动剧烈时，电子含量增加太阳活动剧烈程度的表征太阳黑子数10.7cm波长的太阳辐射流量太阳活动周期约为11年太阳活动高峰与低峰年间，VTEC可相差4倍左右1700年 1995年太阳黑子数15VTEC与地理位置的关系（1）2002.5.15 1:00 23:00 2小时间隔全球TEC分布16IGS组织定期向外公布TEC世界分布图，图中亮度越大，表明电子总量越大VTEC与地理位置的关系（2）17不同无线电信号电离层延迟改正数的比较（表4-9）三类信号子午卫星信号GPS卫星信号VLBI的射电信号结论频率越高的信号，电离层距离延迟和时间延迟改正数越小18常用电离层延迟改正方法分类经验模型改正

5、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19电离层改正的经验模型简介 Bent模型由美国的R.B.Bent提出描述电子密度高程剖面是经纬度、时间、季节和太阳辐射流量、太阳黑子数的函数国际参考电离层模型（IRI International Reference Ionosphere）由国际无线电科学联盟（URSI International Union of Radio Science）和空间研

6、究委员会（COSPAR - Committee on Space Research）提出描述1000km以下电子密度、电子温度、电离层温度、电离层的成分等参数最新模型为IRI2007以地点、时间、日期、太阳辐射流量、太阳黑子数等为参数20电离层改正的经验模型简介Klobuchar模型由美国的J.A.Klobuchar提出描述电离层的时间延迟广泛地用于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21Klobuchar模型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Z22Klobuchar模型DCDC+A该模型将白天的电离层延迟看作余弦波中正的部分

7、，晚上的电离层延迟看作一个常数。 23Klobuchar模型模型算法电离层地球约350km中心电离层电离层穿刺点IP天顶方向Z24Klobuchar模型模型算法（续）改正效果：可改正60左右25电离层延迟的双频改正模型理论基础色散效应基本思想两个频率的信号沿着相同路径到达接收机通过测定双频信号到达接收机的时间差，反推它们各自受到的电离层延迟26电离层延迟的双频改正模型确定两个频率信号的电离层延迟改正27电离层延迟的双频改正模型线性组合法求无电离层延迟的虚拟观测值其结果与分别确定两个频率电离层延迟改正同28电离层延迟的双频改正模型载波相位观测值的电离层延迟改正由载波相位观测值得到的卫地距不受电离

8、层延迟影响的载波相位线性组合观测值其整周模糊度为宽巷观测值及宽巷模糊度的概念29顾及信号在卫星内时延差后的电离层延迟改正出发点由于信号在卫星内部的时延不同也会导致到达接收机的时间不同利用双频信号到达接收机的时间差反求电离层延迟时需顾及时延差的影响改正方法不同测码伪距观测值组合的双频改正公式(4-70式) (4-75式)30电离层延迟的实测模型改正基本思想利用基准站的双频观测数据计算电离层延迟进而还可确定穿刺点上的VTEC（4-79式）利用所得到的VTEC建立局部或全球的VTEC实测模型局部模型采用曲面拟合等方法，适用于局部区域全球模型采用球谐函数等方法，适用于全球区域31电离层延迟的实测模型改正观测值测码伪距观测值载波相位观测值地面站双频接收机，长期连续观测近似坐标数据传输32电离层延迟的实测模型改正局部（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33电离层延迟的实测模型改正全球（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34利用三频观测值进行电离层延迟改正三频观测值的作用电离层延迟高阶