一种使用GPS监测电离层方法的发展

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1、翻译：袁俊军班级：测绘工程2011-1学号： 2011011180138题目：一种使用GPS 监测电离层方法的发展来源 : 国内外博士论文库（山东科技大学图书馆）一种使用 GPS 监测电离层方法的发展第一章引言1 背景介绍及写作动机在 19 世纪 70 年代早期， GPS 由美国国防部建立，该系统其主要设立目的为军用。很快，全球性的大众用户因 GPS 广泛的应用和领域被吸引。 19 世纪 70 年代起，研究者就已经关注如何确定不同的定位误差来源， 研究它们的影响， 削弱措施， 或者为了达到更好的定位精度去尽可能的消除这些误差。不同的 GPS 误差来源可以分为三种类型。第一，与卫星有关的误差；包

2、括卫星星历误差，卫星钟误差。第二，在卫星信号穿越电离层，对流层时产生的传播误差。第三，卫星信号接收时产生的误差， 比如信号在到达接收机天线前产生的多路径效应， 还有接收机测量噪声。其中一种很主要的误差来源就是电离层， GPS 卫星信号必须由卫星发射并穿越弥散的电离层介质。 在高纬度地区， 电离层经过太阳风和地球磁场的交互作用， 就会产生极光现象。极光在加拿大及北欧很容易观测到， 在高强度地球磁场活动时期， 极光也会越过地球好几个纬度范围， 到达美国北部及欧洲。 在极区， 电磁亚暴期间不规律的高能量电子会产生强烈活动了，这将会产生可见光，紫外线。在这种活动期间，电子含量总数（ TEC ）的减少或

3、者增多也会同时发生在高纬地区的电离层区域（在110km 的 E 区） 。 Hunsucker 等人认为这种特征是一种中等规模的活动， 并伴随在低海拔地区的天定方向的总电子含量有1-5 级总电子数单位的增长。在陆地磁场的电离化也会导致在 F 区（ 350km ）电子密度小规模的区域不规律现象。这种不规律现象的作用范围差不多发生在1km 左右，而且能引起相位和振幅的变动。当发生频率较大时，这种相位变动在GPS 相位观测量上就会观测出来。作为结果产生的，作用在载波跟踪环路上的动态应力就会提高 GPS 接收机丢失部分相位的可能性。而振幅变动会被观测到是一种随机的迅速的信号强度变动，这将会导致在GPS

4、接收机天线上周期性的信号强度减弱， 即导致短期产生较短的周跳。 在一些情况下， 周条会非常严重， 以致于信号水平质量会跌倒接收机临界值以下。关于GPS 信号丢失影响这方面的研究非常丰富，也已经出书论著。在电磁区域和电磁子区域，处于电离层活动加强时期时，对于GPS 用户减弱电离层的影响是一项挑战。 如果电磁椭圆区的位置可以确定下来， 那么电磁扰乱的数量级就可以确定处于电磁效应中或许也能得到一个较好的观测角度。 电磁区域的位置和含量会随着太阳和地球磁场的活动而发生变化。电离层活动可以通过观测电子含量总数来监测，而这种 TEC 可以从使用双频接收机观测的GPS站网络数据中得到。TEC的变化速率可以从

5、精确的GPS载波相位观测值中得到。这可以作为一种在高纬度地区中电离层扰动的测量方法。在极区亚磁暴发生期， RTEC 变化迅速时，这种严重的 GPS 信号扰动可以被直接观测到。这就提供了一个可以通过使用 GPS站网络中的测量数据来确定加拿大和北美极光区电离层效应的数量级和含有物的机会。 这种方法的发展是这项研究的聚焦之处。与此同时，这变成了根据GPS 使用位置和电离层活动水平来提供实时电离层活动预警的关键之处，这将会在本文一一介绍。使用者能够确定电离层活动水平和对GPS 观测产生影响的可能性。这项研究的目的将会在接下来的部分详细介绍。1.2 研究目标使用 GPS 双频接收机观测，进而从GPS 站

6、网络中得到的大量的电子含量总数（ TEC ） ，这为监测电离层活动提供了一个绝好的资源。这种监测极区程度和影响的精密技术的缺陷之处，尤其是对于在电离层活动高强度时期的GPS 用户来说，正是这篇论文的1 写作目的。本篇论文为 GPS 用户介绍了一种在线电离层预警服务的方法理论，能够达到以下目标：（ 1 ） 介绍一种基于 GPS 的参数来描述电离层活动的水平。相应的，探究发展一种实时追踪极光区的活动等级和含有物， 并确定加拿大和美国北部的电离层活动水平。（ 2 ） 确定对于 GPS 应用的综合影响。确定因不同程度电离层活动水平，而受干扰的高纬度电离层区域时间和空间相关性，这是对于不同 GPS 定位

7、应用，比如RTK 和地区网络，的有效信息。（ 3 ） 基于目标 1 ， 2，发展研究为加拿大地区的GPS 用户的一种电离层预警系统，这可以做到实时动态运行，通过网络可以进行控制运行这种系统。1.3 论文提纲本文研究研究目标已在先前部分陈述。 重要的背景材料将在第二， 三章陈述，这将是达到本文预期目标的基础。第二章涵盖了对于GPS理论和GPS误差来源的引导性概述。第二章的第二部分将会提供电离层环境和特征的重要背景材 料。第三章描述了电离层活动对于GPS信号和GPS应用的影响。这部分将会讨论电离层活动可能对于GPS信号的影响，对于GPS定位精度，接收机跟踪性能 产生的潜在影响， 尤其是在电离层活动

8、强度加强时期。 本文将会给出不同电离层 区域的详细描述，电子含量总数（TEC）的物理参数，以及电离层延迟的表述。第四，五章重点描述了研究目标以及包含了本次研究的分析。第四章介绍了基于 GPS的电离层研究参数， 探究了在极光区它和电离层活动时间空间的相关性。 在本次探究中将会给出一组用于研究的相关数据。 在第五章， 将会介绍一种监测极光区域等级和含有物的技术，并用此确定加拿大和美国北部的电离层影响等级。 这项技术可以通用来分析三种不同等级的电离层活动，高强度，中强度。弱强度。电离层活动预警机制也将会介绍，它可以来分析上述三种不同程度的电离层活动。 在本章， 通过大量的试验和分析， 将会去验证这项

9、技术的可 靠性和有效性。最终， 在第六章会有一个关于本次研究的总结。 同时， 第六章也会给出一个未来探究的 引导的预测。第二章电离层理论和电离层现象综述Wooden（1985）已经给出一些关于 GPS的详尽定义，他写道“ GPS就是基于美国国防部发展的导航系统， 在天文空间中， 利用综合的相关系统， 为满足军事需求， 来确定在地球上， 或者靠近地球的物体的位置， 速度和时间的综合技术”尽管 GPS 起初的主要目的为军用，但它已经吸引了广大的普通用户，更重要的是，它已经变成不同的工程应用，如测量。绘图，高精度授时，道路导航， 海洋测绘，跨区域航空交通管制，的重要组成部分。基本上，GPS由三大部分

10、组成：空间部分，地面控制部分，用户部分。这些 组成部分的目的是为 GPS用户提供不断地可信赖的定位，授时服务。空间部分 包括24颗在约20200km得到上空，环绕地球的卫星，具环绕周期约为12h,图示见2.124 ScUdlHm in 64什如理1 PUuca 4 Satdfttes h curb Fhmv 司二鼎加n Al揄“钟足仙nFigure 2 J GPS satellite consteHationGPS使用的坐标系统为1984年世界地理坐标系，即 WGS-84坐标系，用户 坐标系是基于WGS-84的总体框架，并且可以转换为其他坐标系统。时间系统是 GPS的核心。GPS时间系统使用原

11、子时，GPS时与协调世界时(UTC)相关。GPS时起于1980年1月6日零时，GPS时与UTC在微秒上同步，在秒上 有差距，由于UTC存在跳秒，因而过一段时间后 GPS时和UTC之间的差距会 逐步增大。在接下来的部分，将会介绍 GPS信号结构，观测量，误差来源，电离层 1 特征，以及对于GPS的综合影响。这些基础介绍和本文中的研究直接相关。2.1 GPS信号结构GPS信号是由GPS卫星发射的一种高频振荡的电磁波信号，信号强度会随 着卫星与接收机的距离的增大而减弱，这主要是由于几何传播以及一定程度上 的穿越电离层，对流层产生的衰减。目前，GPS卫星载波包含测距码和导航电文，载波主要有2种： L1

12、(f=1575.42MHz)和L2 (f=1227.6MHz)。这两种不同的载波可由 GPS信号进行 调制。精码(P码)在L1和L2上同时载有，P码主要用于军事，并在P码上加 密由额外的 W码。AS政策，即反欺诈政策，利用加密来拒绝平民用户使用P码。第二种即C/A码，仅在L1载波上载有，它主要用于平民用户。GPS信号频C/A CodeR(Y 卜 Code谱在图2.2中展示L2 1227.6 MHz 1575.42 MHzFigure 2.2 Signal spectrum for current GPS signals因为电离层介质的弥散性，使用两种GPS信号(即L1, L2)可以使双频接(2

13、Ja)(2Jb)收机消除第一种电离层影响。L1,L2信号可由以下公式表示：Ll(t) = af P(l) W(0 D(t) cos(2zrf( t) + 四 C/A(t) D(c) sin(2fit)L2(l) = a： P(0 W(l) D(0 cos(2rfi t)在此，P(t), C/A(t)=P (精码)，C/A (捕获码)aicos (fit), a2cos (f2t)=L1 , L2,调制载波W (t)=W 码D (t)=导航电文在2003年，美方已计划将 C/A码增加到第二种 GPS信号，即L2信号，作为 GPS现代化的一部分。更重要的是，在2005年竟会发射第一组BLOCK I

14、IF卫星, 它可以发射第三种民用载波，频率为 1176.45Hz的L5载波。当所有的GPS卫星均可以发射相同频率的载波信号(即 Li, L2),而每个 卫星可发射一个不同的PRN码使得GPS接收机来确认不同的卫星，这项技术称 为CDMA ,即码分多址技术。2.2 GPS观测量三种GPS观测量包括伪距p,载波，多普勒观测量。伪距时利用接收到的 PRN码和因多路径载波时间延迟而得到的测量距离。如果卫星钟和接收机时钟 完全同步，并忽略其他所有误差，那么可以认为这个距离就是卫星与接收机之间 真是的天文距离，但事实是在卫星钟与接收机时钟总是存在偏差，使得这个距离并非真是的天文距离。同时，由于 GPS信号

15、并非穿越真空介质，而是弥散性的 介质，在GPS测量中一些大气测量误差由此产生。伪距和其他综合误差的观测 方程如下：P-户 + 电+仪+ 41m +%+%Q2）在此P=卫星轨道参数（以m为单位）c=光速（m/s）dt二卫星钟误差（以m为单位）丁=接收机时钟误差（以秒为单位）由口=电离层延迟误差（以m为单位）dtrop对流层延迟误差（以m为单位）七ion=多路径效应误差（以m为单位）七p二接收机测码噪声（以m为单位）第二种观测量时载波相位，使用频域来调制。测相伪距原理是利用接收机相 位和发射相位之间的相位差来进行测量。因为周跳，这种观测量有一定的模糊性， 但当整周模糊度得以解算时，它比测码伪距要精

16、确的多，测相伪距数学表达式如 下，O = p 4- dp + c（dt - dT） +* +ZV（2.3）入二载波波长（以m为单位）N=整周模糊度日mp=载波相位多路径误差（以m为单位）己小=接收载波噪声（以m为单位）第三种观测量为多普勒测量值，多普勒频率是载波相位观测量的时间变化率。它可以测量卫星与接收机之间的相对速率。这种观测量不受周跳影响，也不存在模糊度。多普勒测量可以用来探测周跳，估计速率。它的数学表达式如下， 4 - =p+ d p cd t - dT dIm + d jy= + ，(24)注释：点号表示该变量与时间有关2.3 GPS观测量误差来源在2.2节中指出许多误差来源影响 G

17、PS观测，这就导致GPS定位精度下降。其 误差来源简单介绍如此。2.3.1 轨道误差有两种方式来计算 GPS定轨：广播星历和精密星历。广播星历是基于在导航电 文中的开普勒参数和 peturbution参数，然后可以从广播星历中获取卫星坐标， 这种定轨精度误差约在4m。另一种定规方式是利用由IGS提供的精密星历，根据所需求的卫星定轨精度不 同，有三种形式的精密星历分类。精度最高的轨道信息是终极轨道， 其精度可以 到达5cm。终极轨道可在测量当日后的2周后使用。第二种精密星历是快速定轨， 它也是在观测周期后的2周后使用。第三种是超快定轨，它包含两天的数据，第 一天是事后轨道的数据，第二天则是先前数

18、据，超快定轨的精度最低，其误差约 在 25cm。2. 3.2钟误差GPS有自己的时间基准，即GPS时，这种时间系统基于原子时，它与UTC相关， GPS存在0至604800秒的不同。每周GPS时均会在周四零时归零，GPS周也会 增加1秒。钟误差是由于卫星钟或接收机时钟的震荡产生。卫星钟和GPS系统时间会有时间差距，这种差距会因 GPS卫星的电子震荡的 不稳定性而逐步上升。因卫星钟产生的误差一般小于1ms,而它可以用两种不同 的接收机观测相同卫星而进行消除。止匕外，这种误差可以利用导航电文的一部分， 即广播星历参数来消除，其定位精度可以达到8-10ns,利用IGS网络提供的精密 星历，这种卫星钟误

19、差可进一步消除，以达到更高的精度，因 IGS而产生的误 差约在5ns,表现在距离上为150cm,由IGS提供的事后星历得到的精密定轨误 差约在0.1ns,表现在距离上为3cmo因接收机时钟和GPS系统时间的差距产生了接收机时钟误差。 这种误差的随 机性取决于接收机时钟的震荡，接收机时钟误差的数量级可以从 200ns到ms级, 这也取决于接收机的内部固件。它可以利用相同的接收机观测不同的卫星的到的 观测量来消除2.3.3 接收机噪声在测量过程中，接收机会产生噪声，它可以因不同的原因产生，这包括对于 接收机追踪链的动态压力，理论上，接收机噪声作用范围为观测波长的 0.1% -1.0%,因接收机噪声

20、而导致误差,使得测距码会有数十cm的影响，对测相伪距则会产生数mm的影响，未加改正的接收机噪声会对不同的 GPS （即dgps） 用户产生一个相当有影响的接收机噪声。接收机噪声基本很大程度上取决于接收机本身，它可以通过一个零基准被有 效的检测出来，仅取决于内在接收机处理的差异性，如图GP5 antennaFigure 23 Zero-baseUne test2.3.4 多路径效应多路径效应是由于接收机接收到的 GPS信号实际是由非直接传播而经过多次 折射等到达的信号，因为周围建筑物，反射面，以及可能会反射信号的物体，GPS信号会产生折射，反射等。所以 GPS信号到达接收机实际是多路径的，如 图

21、Figure 24 Direct and multipath signal在一个低角度观测时，相对于高角度地面，更容易受到多路径影响。多路径 效应产生的误差的数量级要比接收机测相伪距的影响更大。在一个多路径产生的环境下，它相对于码位测量可能会造成15cm的影响，对L1 , L2的相位观测达到约5-6cm。减少多路径效应的最简单的方法就是通过挑选一个合适区域，附近无反射面，；来避免多路径效应2.3.5 对流层延迟误差在到达GPS接收机天线前，传播的GPS信号会穿越大气层。大气层主要包 含两个区域，对流层-它在地球表面上50km,以及电离层，对流层-是大气层的 中性区域，它会引起 GPS信号的衰减，延迟以及短期变动。对流层延迟误差的 数量级取决于温度，大气压力，以及水蒸气的部分压力。这种延迟误差的数量级 很大程度上与卫星高度角相关，高度角越低，误差会很明显的增大。对流层延迟是干性及湿性大气成分的综合影响结果，它可以用数学表达式如Drop=总的对流层延迟Ddry和Dwet=干性大气延迟最大值和湿性大气延迟最大值