新的区域电离层模型及单频长基线精度分析_袁艳斌

地理空间信息

ＧＥＯＳＰＡＴＩＡＬ

ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ

Ｄｅｃ．，２０１２Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．６

新的区域电离层模型及单频长基线精度分析

袁艳斌1，李翌舟1,2，熊良晨1，邹

璇3

（1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉430070；

2.中国银行武汉中北支行，湖北武汉430077；

3.武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北武汉430079）

摘

要：电离层延迟是影响GPS精密定位的主要因素,对单频接收机的影响尤为明显。介绍了一种新的基于区域双频观测网

构建电离层模型的方法，并选取德国境内平均基线超过300km（最长基线为461km）的一个长距离观测网连续10d的数据对模型进行了检测分析。实验证明，基于该电离层模型，网内单频接收机用户可获得接近双频观测数据的解算精度，即使对于200km的长距离基线，单频数据的基线解算结果都能够达到平面方向6mm，高程方向2.5cm。区域电离层延迟模型构造方法可被有效应用于GPS、GLONASS和GALILEO等各类卫星导航定位系统，满足事后、实时或准实时单频接收机精密数据处理的需要。

关键词：全球定位系统；电离层模型；大区域观测网；单频；基线处理中图分类号：P228.4

文献标志码:B

文章编号:1672-4623(2012)06-0047-03

单频GPS接收机具有成本低，便于广泛推广应用等特点，但其只提供C/A码伪距和L1载波相位。C/A码伪距精度较低，不能满足高精度定位的需要；L1相位虽然观测精度达到mm级，但其中包含有相位模糊度、电离层误差，也无法采用双频组合观测值的方法消除。因此如何削弱电离层误差的影响，利用相对廉价的单频接收机实现高精度定位是目前国内外研究的热点和难点问题之一。本文介绍了一种基于区域双频观测网构建实时电离层模型的新方法，并在德国境内建立了一个由5个参考站和12个检测站组成的长距离GPS测试网。其中，5个参考站的平均站间距离超过300km，最长基线为461km（0526-STEN）。对于网内12个检测站，利用其L1、C/A（或P1）观测值基于所构建的区域电离层模型模拟了新的L2、P2观测值。在实验分析中假定实测双频观测数据的解算结果为真值，将模拟数据的基线解算结果与其进行重复性检测，数据处理基于GPS高精度科研分析软件GAMIT[1]。通过对2009.040～2009.049连续10d观测数据的实验，系统分析了GPS单频用户利用该电离层模型的基线解算精度和可靠性。

假定的电离层薄层

(350km)

拟合建模

L观测值在历元间的变化量

（1）

式中，Ni、

L4为相邻历元间L4变化量；为测站卫星连

线在电离层穿刺点（IonosphericPiercePoint，IPP）处对应的大地坐标；a0、a1、a2、a3为拟合得到的历元间电离层延迟变化趋势面系数。

1构建区域电离层模型

根据Z.Deng等提出的SEID模型构建思想[2]，对于一段连续无周跳的观测数据，如能精确获取各历元电离层延迟相对初始时刻的变化量并对观测值进行改正，则残余的电离层延迟常量部份可被模糊度参数吸收。对于任意一组测站卫星对，其电离层组合观测值L4为：

收稿日期：2011-12-07

项目来源：武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室开放基金资助项目（11P01）；中国博士后科学基金资助项目（20110491191）。

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各双频检测站在测试时仅使用其中的L1和CA/P1

观测值，结合所构建的区域电离层模型模拟得到L2和

。此时既可对L1观测值进行电离层延迟改正，

也可按照式（4）构造模拟的L2观测值。需要注意的是，由于初始历元电离层延迟常量部份是未知的，且无法通过测站间或卫星间差分的方式消除，因此模拟得到的L2观测值其模糊度将不再具有整数特性。同理，也可采用类似的方法利用C/A（P1）观测值模拟得到P2码伪距。

（3）（4）

以上介绍的区域电离层延迟模型构造方法可被有效应用于GPS、GLONASS和GALILEO等各类卫星导航定位系统，实现事后、实时或准实时单频GPS接收机精密数据处理。为了进一步检测网内单频用户利用该电离层模型进行精密定位的精度和有效性，本文基于GAMIT10.35对在德国境内所选取的一处大范围GPS控制网连续10d的观测数据进行处理，并给出了相关的基线解算结果和精度统计。

P2观测值，并将模拟的双频观测数据与实测双频数据分别采用高精度GPS科研分析软件GAMIT进行处理，数据处理方案如下[3]：

1）采用各观测站点cm级精度的已知测站坐标作为起算坐标；2）采用IGS提供的事后精密星历；3）Saastamoinen对流层改正模型；4）VMF1对流层映射函数模型；5）以2h为间隔分段线性估计测站处天顶对流层延迟参数；6）设定卫星截止高度角为15°；7）数据采样间隔为30s；8）连续观测时间为24h；9）加载全球气温气压模型GPT；10）加载全球大气压负荷非潮汐改正模型ATMDISP；11）加载FES2004大洋潮改正模型；12）进行IERS2003地球固体潮模型改正；13）进行地球极潮改正。

以下分析都是基于认为采用该方案对各检测站实测双频观测数据得到的GPS基线解算结果为真值这一假设，将仅采用单频数据，各检测站模拟双频数据的解算结果分别与对应天的假定真值进行比较，系统分析了采用单频观测数据并结合区域电离层模型构造虚拟双频观测值其基线解算结果在不同方向上连续10d

为了有效验证本文介绍的电离层模型构造方法对于单频接收机用户基线解算的实用效果，系统分析网内不同区域电离层模型的精度和可靠性，同时也考虑到数据处理工作量的问题，本文有代表性地选取了站间平均距离为309km的APEL、0526、STEN、0284和0597这5个德国境内SAPOS站点（图2中三角所示），利用2009.040～2009.049连续10d的GPS双频观测数据进行区域电离层延迟模型构建；并在该测区内选取了均匀分布的12个双频观测站模拟单频测站（图2中圆点所示）进行电离层模型精度检测。该测区位于东经5.96°~11.98°，北纬50.10°~52.60°，所选站点的分布情况如图2所示。整个检测网共包含136条基线，其中与检测站点相关的基线有126条，站间平均距离为210km，最长基线为461km（0526-STEN），以下仅对与各检测站点相关的126条基线进行统计分析。

图3

采用单频数据和实测双频数据其基线解算结果于

各方向的平均误差统计示意图

2实验分析

的精度统计及数据处理内符合情况（如图3、图4和表1所示）。

图4

采用模拟双频数据与实测双频数据其基线解算结果于

各方向的平均误差统计示意图

从图3可以看出，单频观测值的数据处理结果精度较差，其基线解算结果在平面方向存在5cm左右的平均误差，高程方向误差达到6cm以上。其中，高程

图2

测站分布示意图

第１０卷第６期袁艳斌等：新的区域电离层模型及单频长基线精度分析49

方向最大误差发生在对2009.042基线0284-0599的解算中，其误差量为27.42cm，因此仅采用单频数据无法满足大区域高精度基线解算的需要。

而从图4的统计结果可以发现，利用各检测站模拟所得双频数据可以得到较优的数据处理结果，且基线结果在平面方向的精度要明显优于垂线方向，基线解算误差在南北方向、东西方向、基线长度方向的平均精度为3.2mm、5.2mm和4.4mm，在垂线方向的平均误差稍大，但也可以保证在2.0～2.9cm以内，该统计结果在连续10d的实验分析中均较为一致。

此外，GAMIT解算结果中提供了标准化均方根误差NRMS（NormalizedRootMeanSquare）用来表示单时段解算出的基线值偏离其加权平均值的程度。NRMS是衡量GAMIT解算结果的一个重要指标，其计算公式如下：

（5）

一般说来，NRMS值越小，基线估算精度越高；反之，精度较低。根据国内外GPS数据处理经验，该值

表1

方案实测双频数据模拟双频数据仅用单频数据

0400.1760.1981.124

0410.1750.1971.569

优于0.3左右时最佳，若大于1.0，则表明解算结果不可靠。

表1列出了采用实测双频观测数据、采用模拟双频数据与仅采用单频观测数据这3种情况下，2009.040～2009.049连续10d基线解算结果的PostfitNRMS。从表1可以看到，对实测双频观测数据进行处理时，其NRMS较小，平均仅为0.177，证明采用本文所设计的数据处理策略，基线解算结果具有较优的内符合精度。采用模拟的双频观测数据进行处理时，其平均NRMS为0.195，该值较实测双频数据处理结果稍大，但仍然远小于0.3，这表明单频GPS接收机在结合本文构建的区域电离层模型进行数据处理时，可以得到略低于实测双频数据的内符合精度。而仅利用单频数据进行处理的NRMS统计结果显示，对于200km以上的大网其双差观测值中残留的电离层延迟会对基线解算结果造成较大影响，此时NRMS均大于1.0，进一步证明了采用该数据处理策略的解算结果是不可靠的，这与图3的统计分析结果相一致。

连续10d数据处理结果PostfitNRMS统计表

NRMS

0420.1760.1981.706

0430.1780.1881.187

0440.1770.1941.198

0450.1750.1941.397

0460.1750.1951.329

0470.1790.1981.193

0480.1790.1911.071

0490.1760.1951.256

平均0.17660.19481.3030

3结语

[3][4]

posphericDelaysfromGPSNetworksDensifiedwithSingleFre-quencyReceivers,Geophys.Res.Lett.36,L19802.

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以上测试分析表明，本文介绍的区域电离层模型构建方法具有较高的精度及可靠性，可以有效减弱测区内单频接收机所受电离层延迟误差的影响，大幅提高单频接收机长距离基线解算的精度，其基线解算结果（平均站间距离超过200km）的精度在平面方向优于6mm，垂线方向优于2.5cm。本文所介绍的区域电离层模型构建方法可有效满足GPS、GLONASS和GALILEO等各类卫星导航定位系统中单频接收机事后、实时或准实时精密数据处理的需要。该算法的完善和推广应用，将会促进单频接收机在精密测量定位中的应用，在水汽反演、区域及全球电离层模型构建中也具有极其重要的理论和实用价值。

[5]

参考文献

[1]

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DengZhiguo,MichaelBender,GalinaDick,etal.RetrievingTro-

第一作者简介：袁艳斌，教授，博士生导师，长期从事地理信息系统开发与应用、地球探测与信息技术、数值优化方面的研究。

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