电离层延迟修正方法课件

电离层延迟计算赵弘申艺善胡俊翔王烜赫冯智猛PRESENTEDBY电离层延迟计算赵弘申艺善胡俊翔PRESENTEDB1摘要电离层简介数据采集与读取方法及数据分析摘要电离层简介2电离层简介地球大气受太阳辐射作用发生电离,在地面上空形成电离层。一般情况下,人们界定电离层的高度范围为1000km以下。1000km以上电离大气的自由电子密度比较低,对电波传播的影响基本可以忽略。电离层的下边界一般在100km以下,随时间和空间而变化。当电磁波在电离层中传播时,传播方向和传播速度会发生改变,相对真空传播,产生所谓电离层折射误差。对于GPS载波频率,电离层对测距的影响,最大时可达150m;最小时也有5m。因此,电离层误差是GPS测量中不可忽视的重大误差源之一。电离层简介地球大气受太阳辐射作用发生电离,在地面上空形成电离3电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等空间分布的基本参数来表示。但电离层的研究对象主要是电子密度随高度的分布。电子密度（或称电子浓度）是指单位体积的自由电子数，随高度的变化与各高度上大气成分、大气密度以及太阳辐射通量等因素有关。电离层内任一点上的电子密度，决定于上述自由电子的产生、消失和迁移三种效应。在不同区域，三者的相对作用和各自的具体作用方式也大有差异。电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离4电离层形态是电离层中电子密度等基本参量的空间结构（高度和经纬度分布）及其随时间（昼夜、季节和太阳活动周期）变化的情况。电离层可从低到高依次分为D层、E层和F层等，其中F层还可分为F1层和F2层。E层和F1层中，电子迁移作用较小，具有查普曼层的主要特性。电离层的分层电离层形态是电离层中电子密度等基本参量的空间结构（高度和经纬5D层离地面约50～90公里。白天，峰值密度NmD和相应高度hmD的典型值分别为10厘米和85公里左右。无线电波中的短波在该层受到较大的吸收。

E层离地面约90～130公里。白天，峰值密度NmE及其相应高度hmE的典型值分别为10厘米和115公里。NmE的昼夜、季节和太阳活动周期三种变化，分别于中午、夏季和活动高年达到最大值。夜间，NmE下降，hmE上升；NmE≈5×10厘米，hmE的变化幅度一般不超过20公里。D层离地面约50～90公里。白天，峰值密度NmD和相应高6F层

离地面约130公里以上，可再分为F1和F2层。①F1层（离地面约130～210公里）：白天，峰值密度NmF1及其相应高度hmF1的典型值分别为2×10厘米和180公里。F1层峰形夜间消失，中纬度F1层只出现于夏季，在太阳活动高年和电离层暴时，F1层变得明显。②F2层（离地面约210公里以上）：反射无线电信号或影响无线电波传播条件的主要区域，其上边界与磁层相接。白天，峰值密度NmF2及其相应高度hmF2的典型值分别为10厘米；夜间，NmF2一般仍达5×10厘米。在任何季节，NmF2的正午值都与太阳活动性正相关。hmF2与太阳活动性一般也有正相关关系，除赤道地区外，夜间值高于白天值。F层7电离层异常冬季异常夏季由于阳光直射中纬度地区的F2层在白天电离度加高，但是由于季节性气流的影响夏季这里的分子朝阳面电离层里的电流对单原子的比例也增高，造成离子捕获率的增高。这个捕获率的增高甚至强于电离度的增高。因此造成夏季F2层反而比冬季低。赤道异常朝阳面电离层里的电流在地球磁赤道左右约±20度之间F2层形成一个电离度高的沟，这个现象被称为赤道异常。电离层异常冬季异常8电离层扰乱X射线：突发电离层骚扰太阳活跃时期强烈的耀斑发生时硬X射线会射击到地球。这些射线可以一直穿透到D层，在这里迅速导致大量自由电子，这些电子吸收高频（3-30MHz）电波，导致无线电中断。X射线结束后D层电子迅速被捕获，无线电中断很快就会结束，信号恢复。质子：极冠吸收耀斑同时也释放高能质子。这些质子在耀斑爆发后15分钟至2小时内到达地球。这些质子沿地球磁场线螺旋在磁极附近撞击地球大气层，提高D层和E层的电离。地磁风暴地磁风暴是地球磁场暂时的、剧烈的骚扰。地磁风暴时F2层非常不稳定，会分裂甚至完全消失。在极地附近会有极光产生。电离层扰乱X射线：突发电离层骚扰9数据采集与读取数据采集GPS台站数据便携式GPS仪测得数据数据采集与读取数据采集10数据采集与读取数据读取数据采集与读取数据读取11

双频改正法双频伪距法双频载波相位法

模型法IRI（InternationalReferenceIonosphere）模型Klobuchar模型方法及数据分析双频改正法方法及数据分析12方法比较方法复杂度误差改正比例预报性局限性双频伪距简单90%否双频，伪距双频载波相位双频，载波相位双频多普勒效应双频，多普勒频移Bent较简单60%是中纬度范围IRI较简单60%是较少采用中国资料，参数偏差Klobuchar简单50-60%是中纬度范围Geogiadiou简单高于Klobuchar否中纬度范围方法比较方法复杂度误差改正比例预报性局限性双频伪距简单90%13双频改正法

双频伪距法

见课件第六章 ——改进公式

双频载波相位法但采用这种观测值时会碰到一个偏差项(N1λ1-N2λ2)即L4的模糊度Amb的问题。双频改正法14

模型法Bent模型IRI模型Klobuchar模型模型法15Bent模型Bent模型属于经验模型,由美国的RodneyBent和Sigridlewellyn于1973年提出。在该模型中,电离层的上部用3个指数层和一个抛物线层来逼近,下部则用双抛物线层来近似。用该模型可计算1000km以下的电子密度垂直剖面图,获得VTEC(VerticalTotalElectronContent,天顶方向的总电子含量)等参数,从而可求得电离层延迟等数据。该模型着眼于尽可能使VTEC值正确,以获得较准确的电离层延迟量。该模型的输入参数为日期、时间、测站位置、太阳辐射流量及太阳黑子数等,其电离层延迟修正精度达60%左右。Bent模型Bent模型属于经验模型,由美国的R16Bent模型Bent模型17Bent模型Bent模型18IRI模型IRI(InternationalReferenceIonosphere)模型由国际无线电科学联盟(URSI)和空间研究委员会(COSPAR)提出的标准经验模型,最早的模型版本为IRI-78,发布于1978年[6],之后经过多次修正,目前采用的多为IRI-90或IRI-2001。IRI模型是目前最有效且被广泛认可的经验模型,它融汇了多个大气参数模型,引入了太阳活动和地磁指数的月平均参数,采用预报的电离层特征参数描述电离层剖面。IRI电离层模型是一种统计预报模型,反映平静电离层的平均状态,能够给出较好的全球电离层形态。该模型也适用于单频GPS接收机实时快速定位时进行电离层延迟改正,同时,该模型不受地域限制,适用于全球的任何地方。不足之处是由于较少或没有采用中国地区资料,根据插值求得的主要参数,在中国地区产生不同程度的偏差。如果用实测的电离层参数代替预报参数进行计算,则可提高模拟精度。IRI模型IRI(Internationa19IRI模型IRI模型20IRI模型IRI模型21IRI模型IRI模型22Klobuchar模型Klobuchar模型也属于经验模型,由美国的J.A.Klobuchar于1987年提出,描述了作为时间函数的电离层时延的周日特性。该模型把晚间的电离层时延看成是一个常数,取值为5ns,把白天的时延看成是余弦函数中正的部分,每天电离层的最大影响定位当地时间的14:00。因而天顶方向的电离层延迟可表示为:振幅A和周期T可由下式

计算Klobuchar模型Klobuchar模型也23Klobuchar模型其中,系数αi和βi是地面控制系统根据日期及前5天太阳的平均辐射流量而选取的,并编入GPS卫星的导航电文中发播给用户。Klobuchar模型是基于Bent电离层经验模型简化而来。其优点是结构简单,计算方便,适用于单频GPS接收机实时快速定位时电离层延迟改正,且Klobuchar模型基本上反映了电离层的变化特性,从大尺度上保证了电离层预报的可靠性。该模型的不足是电离层延迟改正精度有限,适用的空间范围限定在中纬度地区。高纬和低纬赤道地区,由于电离层变化活动剧烈,该模型不能有效反映电离层的真实状况。经验表明,Klobuchar模型仅改正电离层影响的50%-60%,理想情况下可改正至75%。Klobuchar模型其中,系数αi和βi是地24Klobuchar模型Klobuchar模型25Klobuchar模型Klobuchar模型26电离层延迟修正方法课件27谢谢谢谢28电离层延迟计算赵弘申艺善胡俊翔王烜赫冯智猛PRESENTEDBY电离层延迟计算赵弘申艺善胡俊翔PRESENTEDB29摘要电离层简介数据采集与读取方法及数据分析摘要电离层简介30电离层简介地球大气受太阳辐射作用发生电离,在地面上空形成电离层。一般情况下,人们界定电离层的高度范围为1000km以下。1000km以上电离大气的自由电子密度比较低,对电波传播的影响基本可以忽略。电离层的下边界一般在100km以下,随时间和空间而变化。当电磁波在电离层中传播时,传播方向和传播速度会发生改变,相对真空传播,产生所谓电离层折射误差。对于GPS载波频率,电离层对测距的影响,最大时可达150m;最小时也有5m。因此,电离层误差是GPS测量中不可忽视的重大误差源之一。电离层简介地球大气受太阳辐射作用发生电离,在地面上空形成电离31电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等空间分布的基本参数来表示。但电离层的研究对象主要是电子密度随高度的分布。电子密度（或称电子浓度）是指单位体积的自由电子数，随高度的变化与各高度上大气成分、大气密度以及太阳辐射通量等因素有关。电离层内任一点上的电子密度，决定于上述自由电子的产生、消失和迁移三种效应。在不同区域，三者的相对作用和各自的具体作用方式也大有差异。电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离32电离层形态是电离层中电子密度等基本参量的空间结构（高度和经纬度分布）及其随时间（昼夜、季节和太阳活动周期）变化的情况。电离层可从低到高依次分为D层、E层和F层等，其中F层还可分为F1层和F2层。E层和F1层中，电子迁移作用较小，具有查普曼层的主要特性。电离层的分层电离层形态是电离层中电子密度等基本参量的空间结构（高度和经纬33D层离地面约50～90公里。白天，峰值密度NmD和相应高度hmD的典型值分别为10厘米和85公里左右。无线电波中的短波在该层受到较大的吸收。

E层离地面约90～130公里。白天，峰值密度NmE及其相应高度hmE的典型值分别为10厘米和115公里。NmE的昼夜、季节和太阳活动周期三种变化，分别于中午、夏季和活动高年达到最大值。夜间，NmE下降，hmE上升；NmE≈5×10厘米，hmE的变化幅度一般不超过20公里。D层离地面约50～90公里。白天，峰值密度NmD和相应高34F层

离地面约130公里以上，可再分为F1和F2层。①F1层（离地面约130～210公里）：白天，峰值密度NmF1及其相应高度hmF1的典型值分别为2×10厘米和180公里。F1层峰形夜间消失，中纬度F1层只出现于夏季，在太阳活动高年和电离层暴时，F1层变得明显。②F2层（离地面约210公里以上）：反射无线电信号或影响无线电波传播条件的主要区域，其上边界与磁层相接。白天，峰值密度NmF2及其相应高度hmF2的典型值分别为10厘米；夜间，NmF2一般仍达5×10厘米。在任何季节，NmF2的正午值都与太阳活动性正相关。hmF2与太阳活动性一般也有正相关关系，除赤道地区外，夜间值高于白天值。F层35电离层异常冬季异常夏季由于阳光直射中纬度地区的F2层在白天电离度加高，但是由于季节性气流的影响夏季这里的分子朝阳面电离层里的电流对单原子的比例也增高，造成离子捕获率的增高。这个捕获率的增高甚至强于电离度的增高。因此造成夏季F2层反而比冬季低。赤道异常朝阳面电离层里的电流在地球磁赤道左右约±20度之间F2层形成一个电离度高的沟，这个现象被称为赤道异常。电离层异常冬季异常36电离层扰乱X射线：突发电离层骚扰太阳活跃时期强烈的耀斑发生时硬X射线会射击到地球。这些射线可以一直穿透到D层，在这里迅速导致大量自由电子，这些电子吸收高频（3-30MHz）电波，导致无线电中断。X射线结束后D层电子迅速被捕获，无线电中断很快就会结束，信号恢复。质子：极冠吸收耀斑同时也释放高能质子。这些质子在耀斑爆发后15分钟至2小时内到达地球。这些质子沿地球磁场线螺旋在磁极附近撞击地球大气层，提高D层和E层的电离。地磁风暴地磁风暴是地球磁场暂时的、剧烈的骚扰。地磁风暴时F2层非常不稳定，会分裂甚至完全消失。在极地附近会有极光产生。电离层扰乱X射线：突发电离层骚扰37数据采集与读取数据采集GPS台站数据便携式GPS仪测得数据数据采集与读取数据采集38数据采集与读取数据读取数据采集与读取数据读取39

双频改正法双频伪距法双频载波相位法

模型法IRI（InternationalReferenceIonosphere）模型Klobuchar模型方法及数据分析双频改正法方法及数据分析40方法比较方法复杂度误差改正比例预报性局限性双频伪距简单90%否双频，伪距双频载波相位双频，载波相位双频多普勒效应双频，多普勒频移Bent较简单60%是中纬度范围IRI较简单60%是较少采用中国资料，参数偏差Klobuchar简单50-60%是中纬度范围Geogiadiou简单高于Klobuchar否中纬度范围方法比较方法复杂度误差改正比例预报性局限性双频伪距简单90%41双频改正法

双频伪距法

见课件第六章 ——改进公式

双频载波相位法但采用这种观测值时会碰到一个偏差项(N1λ1-N2λ2)即L4的模糊度Amb的问题。双频改正法42

模型法Bent模型IRI模型Klobuchar模型模型法43Bent模型Bent模型属于经验模型,由美国的RodneyBent和Sigridlewellyn于1973年提出。在该模型中,电离层的上部用3个指数层和一个抛物线层来逼近,下部则用双抛物线层来近似。用该模型可计算1000km以下的电子密度垂直剖面图,获得VTEC(VerticalTotalElectronContent,天顶方向的总电子含量)等参数,从而可求得电离层延迟等数据。该模型着眼于尽可能使VTEC值正确,以获得较准确的电离层延迟量。该模型的输入参数为日期、时间、测站位置、太阳辐射流量及太阳黑子数等,其电离层延迟修正精度达60%左右。Bent模型Bent模型属于经验模型,由美国的R44Bent模型Bent模型45Bent模型Bent模型46IRI模型IRI(InternationalReferenceIonosphere)模型由国际无线电科学联盟(URSI)和空间研究委员会(COSPAR)提出的标准经验模型,最早的模型版本为IRI-78,发布于1978年[6],之后经过多次修正,目前采用的多为IRI-90或IRI-2001。IRI模型是目前最有效且被广泛认可的经验模型,它融汇了多个大气参数模型,引入了太阳活动和地磁指数的月平均参数,采用预报的电离层特征参数描述电离层剖面。IRI电离层模型是一种统计预报模型,反映平静电离层的平均状态,能够给出较好的全球电离层形态。该模型也适用于单频GPS接收机实时快速定位时进行电离层延迟改正,同时,该模型不受地域限制,适用于全球的任何地方。不足之处是由于较少或没有采用中国地区资料,根据插值求得的主要参数,在中国地区产生不同程