基于全球電離層模型的靜態(tài)GPS測量成果分析

吉長東，郭　敬，徐愛功

(遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000)

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基于全球電離層模型的靜態(tài)GPS測量成果分析

吉長東，郭敬，徐愛功

(遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000)

[摘要]為研究全球電離層模型(GIM)和精密星歷對GPS測量控制網(wǎng)成果的影響，以阜新市城市GPS控制網(wǎng)為例展開相關研究。利用Trimble Total Control(TTC)軟件對時段長度從10～360min不等的觀測數(shù)據(jù)進行處理。數(shù)據(jù)處理時采用CODE的全球電離層模型，以及廣播星歷/精密星歷。實踐證明，全球電離層模型的引入可顯著地提高精度，衛(wèi)星軌道的影響可以忽略不計。

[關鍵詞]全球電離層模型(GIM)；靜態(tài)GPS；時段；CODE；垂直總電子含量(VTEC)

1概述

電離層是地面以上50～1000km之間的大氣層，含有大量的自由電子和離子，GPS信號通過時,其傳播速度與傳播路徑發(fā)生了變化，從而影響觀測值，電離層延遲大小與頻率有關。通常電離層延遲效應與信號頻率平方成反比關系，使用消電離層的線性組合模型處理雙頻觀測數(shù)據(jù)，消除一階項影響，而GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化后，則可利用三頻信號消除二階項影響，同時單頻用戶則需依靠電離層模型來削弱其影響[1]。

電離層延遲取決于信號傳播路徑上的電子密度，隨時間而變化。太陽黑子數(shù)嚴重地影響電子數(shù)量，其活動周期約為11a。在太陽活動高峰年，電離層變得非?；钴S，短時間內的變化比較劇烈，而低峰年時，則相對比較平緩，因此在觀測數(shù)據(jù)精度和時空分辨率一定的情況下，同樣的電離層模型化方法，在不同太陽活動條件下所表現(xiàn)的精度會不盡相同[2]。電子數(shù)量(TEC)，即信號在衛(wèi)星和接收機之間傳播路徑上的電子總含量[3]，其中垂直電子總含量(VTEC)在電離層模型中廣泛使用[4]。

影響電離層折射的因素很多且復雜，無法建立嚴密的數(shù)學模型。一般根據(jù)已測得的電子含量對未來的電子含量進行預報，如KLOBUCHAR模型、BENT模型、IRI模型、ICED模型、FAIM模型和CODE模型等。經(jīng)上述模型改正后的電離層延遲精度不是很高，中等復雜程度的測區(qū)改正效果約75%。GPS單頻觀測數(shù)據(jù)多采用KLOBUCHAR模型[5-7]。

IGS數(shù)據(jù)處理中心每天計算出全球范圍內的電離層信息(總電子含量圖)，以IONEX-Format作為IGS的一個產(chǎn)品提供給用戶使用，本文數(shù)據(jù)處理使用CODE全球電離層模型，其IONEX格式文件提供每兩個小時間隔的VTEC信息。隨著IGS全球跟蹤站數(shù)量和密集的不斷增加、分布更加合理，同時觀測數(shù)據(jù)處理技術也不斷改進，尤其2012年底，我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已覆蓋亞太地區(qū)，到2020年逐步覆蓋全球，為全球電離層模型的建立奠定了良好的數(shù)據(jù)基礎[8-9]。

2二維多項式電離層模型

電離層模型表達式為：

(1)

式中，φ0為測區(qū)中心點的地理緯度；S0為測區(qū)中心點(φ0,λ0)在該時段中央時刻t0時的太陽時角，λ0為測區(qū)中心點的地理經(jīng)度；S-S0=(λ-λ0)+(t-t0)，λ為信號路徑與單層交點P′的地理緯度，t為觀測時刻。φ-φ0項取1～2階，時角S-S0項取2～4階。

投影函數(shù)和單層高度等是二維電離層延遲模型中非常重要的參數(shù)，其選擇的好壞都會對電離層參數(shù)和硬件延遲偏差參數(shù)的估計帶來系統(tǒng)性偏差，可證明不同投影函數(shù)的差異主要在低高度角部分，對最終的結果產(chǎn)生一定程度的影響[1，10]，其中CODE采用MSLM(Modified SLM)投影函數(shù)。SLM(Single-Layer Model)投影函數(shù)的表達式為：

(2)

式中，z為測站處的天頂距；z′為穿刺點處的天頂距，可根據(jù)穿刺點、測站和衛(wèi)星的幾何關系求得。參數(shù)z′的表達式為：

(3)

式中，R為地球平均半徑，一般取為6371km；H取為506.7km；α取為0.9782。

3實例分析

在阜新市城市控制網(wǎng)中選擇10個控制點。在2012年9月，使用Trimble 5700雙頻接收機，配備扼流圈天線，時段長10min～6h，連續(xù)觀測多天，觀測中采用相同的技術要求，并在1.6～35km范圍內選擇20條長度不同的基線，用TTC(Trimble Total Control)軟件對6d的觀測數(shù)據(jù)進行基線解算和網(wǎng)平差，確保網(wǎng)中10個控制點與已知點具有相同坐標基準。

3.1數(shù)據(jù)處理策略與采集

數(shù)據(jù)處理分為：使用電離層模型與不使用電離層模型；使用廣播星歷與使用精密星歷。

為確保研究因素具有可比性，其他數(shù)據(jù)處理策略保持不變，如衛(wèi)星幾何圖形、對流層延遲、多路徑條件和保持觀測認真等。數(shù)據(jù)采集時段分為10min，15min，30min，60min，120min，180min和360min的觀測時間。

為避免系統(tǒng)誤差和較好地反映平均觀測條件，采集超過20個時段的觀測數(shù)據(jù)，20個時段要隨機選擇，以此保證每條基線長度與觀測時間的組合具有相似的“權重”，即觀測數(shù)相等，這樣，對于較長的觀測時段獲得的觀測期數(shù)比較少，如表1所示。

表1　不同觀測時間的時段數(shù)

3.2數(shù)據(jù)處理

使用TTC軟件對經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理后獲得的“干凈”測量值進行數(shù)據(jù)處理，采樣率設置成30s，天線模型默認為NGS模型[11]。用精密星歷和廣播星歷輔以是否采用CODE電離層模型，對不同觀測時間的所有觀測時段進行處理。所有基線向量逐一處理，不進行網(wǎng)平差。

通過比較基線結果和已知坐標可計算基線誤差分量(ΔX,ΔY,ΔZ)，并據(jù)每條基線的誤差分量計算三維誤差(ΔS)，即3D誤差。圖1和圖2分別表示采用廣播星歷無電離層模型和有電離層模型，10min基線的3D誤差，其中圖1有7個大于1m粗差被剔除，而圖2只有1個大于1m粗差被剔除。

圖1　10min時段的3D誤差(廣播不加電模)

圖2　10min時段的3D誤差(廣播加電模)

3.3結果分析

3.3.1軌道影響

在不使用電離層模型的情況下，廣播星歷和精密星歷對最終成果的影響基于廣播星歷的基線向量RMS，如圖3所示，精密星歷如圖4所示。兩種情況的結果基本相似，對所有觀測時間的基線，RMS提高小于3.2mm，與使用廣播星歷的成果相比，采用精密星歷進行數(shù)據(jù)處理，精度整體提高2%～3%左右，若采用電離層模型，廣播星歷與精密星歷處理的成果差別更小，見表2。

圖3　基于廣播星歷的RMS(不加電模)

圖4　基于精密星歷的RMS(不加電模)

觀測時間/minRMS/mm廣播廣播+電模提高比例/%RMS/mm精密精密+電模提高比例/%101501490.71501292.015771383.1801383.830431467.4431565.160241537.5231534.8120181422.2161412.5180151220.0151220.036010640.010640.0

3.3.2電離層模型影響

電離層模型對定位成果的影響和衛(wèi)星軌道(精密星歷和廣播星歷)一并進行研究，圖5是采用廣播星歷處理的結果(未應用電離層模型)，圖6是采用廣播星歷處理的結果(應用電離層模型)。

圖5　基于廣播星歷的RMS(不加電模)

圖6　基于廣播星歷的RMS(加電模)

由圖5和圖6可知，應用電離層模型可以消除不同觀測時間的顯著性偏差和觀測時間有關的誤差，明顯提高了成果的精度，幾乎不存在基線長短的差別。短時間觀測的基線，其精度有了顯著性的提高，對于10min觀測的短基線，其精度提高甚至超過90%，見表2。由表2的第3列和第6列(使用電離層模型)可知，10min的觀測時間和180min的觀測時段得到成果的精度相當，相比于其他的觀測時段，只有360min的觀測時間成果較好。

表2也表明采用精密星歷和廣播星歷處理基線的精度很相近，即星歷的差別對成果沒有影響。對于長基線和短的觀測時間，RMS可從分米級提高到厘米級，而長時間的觀測，精度提高的比較少，但在不同的觀測時間，精度提高均超過10%。顯著地改進了觀測時間小于120min的成果，其精度RMS至少提高1cm，而長時間觀測的成果只提高幾個毫米。

4結論

研究結果表明，GPS靜態(tài)測量數(shù)據(jù)處理中引入全球電離層模型確實能夠提高精度，結論如下：

(1)本次實驗中，短時間觀測，精度提高尤為顯著，10min觀測時間，其精度提高甚至可達90%。對于長基線和短時段觀測，其RMS可提高到厘米，幾乎可以消除與時間有關的誤差。

(2)短的觀測時間應用電離層模型可以得到相似的結果，但短時間觀測的可靠性會降低，而精密星歷不能明顯地改進定位精度。

[參考文獻]

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[責任編輯：施紅霞]

Analysis of Static GPS Surveying Results under Global Ionospheric Model

JI Chang-dong，GUO Jing,XU Ai-gong

(Liaoning Technical University,Fuxin 123000，China)

Abstract：In order to studying influence that to GPS surveying control network，which by GIM and precision ephemeris，it taking GPS control network of Fuxin city as studying objects.Surveying data of different period length that 10 to 360min were analyzed by software Trimble Total Control.GIM of CODE，broadcast ephemeris or precise ephemeris were used during data analysis.The practical showed that precision could increase obviously after GIM was applied，the influence of satellite orbit could be ignored.

Key words：GIM，static GPS；period；CODE；VTEC

[收稿日期]2015-08-19

[基金項目]國家海洋局海域管理技術重點實驗室基金資助(201408)

[作者簡介]吉長東(1970-)，男，遼寧錦州人，教授，主要從事高精度GNSS數(shù)據(jù)處理與精密單點定位研究。

[中圖分類號]TD178；P288.4

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)02-0087-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.023

[引用格式]吉長東，郭敬，徐愛功.基于全球電離層模型的靜態(tài)GPS測量成果分析[J].煤礦開采，2016，21(2)：87-89，77.