星载单频 GPS低轨卫星精密测轨中电离层延迟的综合改正方案

车国伟李会成崔海月

摘要：本文主要研究星载单频 GPS低轨卫星精密测轨中电离层延迟改正方法，主要修正星载 GPS接收机运行轨道之上的电离层影响（即上部电离层延迟）。考虑了电离层精确分层问题。基于低轨卫星精密测轨的特点，提出一种低轨卫星载单频 GPS接收机进行精密的电离层延迟综合改正方案。

关键词：电离层延迟；卫星精密测轨；电离层改正

Abstract: This paper studies spaceborne single frequency GPS Low Earth Orbit Satellite Precise Orbit Determination of ionospheric delay correction method, the main to amendments the onboard GPS receiver orbit above the ionosphere (the upper ionosphere delay). It was having taken into account the ionosphere precision hierarchical problems. Based on the characteristics of the Precision Orbit Determination of LEO satellite, a LEO satellite contains a single-frequency GPS receiver precision ionospheric delay correction scheme.Key words: ionospheric delay; Satellite Precise Orbit Determination; ionospheric correction

中图分类号：P228.4 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

低轨卫星（LEO）的 GPS 定轨方法属于空基 GPS 定位类型，基本原理与地基 GPS 用户的定位方法是一致的，最大的不同在于大气延迟仅包含电离层延迟。低轨卫星轨道处在 350 公里左右的高空区域，它处在电离层活动最激烈的 F2 层区域。假设采用单频 GPS 接收机，无法自主校正电离层折射影响，所以 GPS观测信号中的上电离层延迟是其实现精密测轨的最主要、最棘手误差源。从可行性、精度与可靠性等方面综合考察，目前已有的各类的改正单频 GPS 观测信号中电离层延迟的经验模型和方法都不能满足这类低轨卫星测轨的高精度要求。而适用于地面单频用户的高精度电离层延迟改正方法(如 WAAS 系统提供的电离层延迟改正信息)又不能直接应用到空基 GPS 用户中，主要原因在于低轨卫星定轨中仅受上电离层延迟的影响，因而，必须对电离层进行高精度分层及高精度模拟上电离层延迟。所以，需根据低轨卫星单频 GPS 精密测轨的要求和特点，研究新方法，实现电离层延迟的高精度改正。本文的研究，原则上不再沿用经验模型改正电离层延迟的方法，而是在研究地基单频 GPS 用户的电离层延迟改正理论与方法的基础上，通过有效地结合低轨卫星接收机的单频GPS观测数据(可求相对较精确的电离层延迟变化)及地面双频GPS观测数据(提供若干精度较高的绝对电离层延迟值)，探索星载单频 GPS 接收机的低轨卫星精密测轨中电离层延迟改正的各种方法的优劣，并提出自己的一种思路。

1经验模型改正(如 IRI，Bent，Klobuchar 等)

经验模型由大量长期的电离层探测资料统计而得。电离层结构复杂，难以用一种严格的数学表达式精确描述它的空间分布。利用 IRI 等反映全球电离层平均变化趋势的统计经验模型，改正 GPS 测量中的电离层折射影响，平均效果较差，不能用于任何精密 GPS 测量工程。

2理论模型改正

理论电离层模型主要根据电离层的形成机理和电离层物理化学特性推导而得，要求有经验数据输入，以描述各种力函数的特征，通过模拟全部物理过程，得出 TEC。理论模型能够观察输入的各种物理参数的相对影响及其可能变化，但太复杂，不便直接用于GPS 测量精度和可靠性也不能得到保证。

3实测模型改正

利用(GPS 或其它经典仪器的)地面观测值拟合某电离层参数模型，由该模型直接为低轨卫星提供电离层改正。这种方法使用范围有限且一般也未考虑电离层分层效应，不适用于低轨卫星精密测轨。

4实测模型与通用模型的联合修正

利用地面 GPS 接收机精确估算整层电离层延迟； 利用通用模型(如 IRI)计算低轨卫星轨道至地面(即下电离层)的垂直电离层延迟；将两者相减即得所求的上电离层延迟改正量。这种方法虽能精确求得整层电离层延迟量，但通用模型垂直分辨精度低，而经验模型的电离层分层效果差，限制了改正精度，加之地面站固定且数目有限，使用范围较小。

5采用附加转发系统改正

在方法 4)的基础上，给低轨卫星安装转发器，变频转发低轨卫星“视野”内的所有 GPS 卫星信号。地面接收机完成卫星选择、卫星信号跟踪接收，并处理出低轨卫星位置和速度。采用S类或其它合适的频段转发 GPS 的 L1 和 C/A码信号，地面接收系统实时记录所有原始信息，通过事后重放再进行精密轨道处理。为提高精度，系统在地面接受站附近的已知点位置放设一台基准接收机，从而组成差分GPS系统外测系统。在该基准站支持下，地面系统可快速处理转发信号，给出有一定精度的实时轨道，供安全系统用。由于低轨卫星在电离层峰值区高度飞行，致使低轨卫星接收机与基准站接收机的电波路径不仅大不相同，而且不断变化；另一方面，电离层的电子浓度随地理位置变化很大，因此，当低轨卫星到达一定区域后，基准接收机电波路径与卫星至低轨卫星的电离层状态之间的差异越来越大，造成差分效果很差，所以，这种方法需要许多观测站，工作量大，代价高，使用范围有限，不适用于精密测轨工作。

6采用格网模型改正

利用大型 GPS 服务网络观测资料构建格网电离层模型， 联合处理地面与低轨卫星 GPS 资料确定服务区域的电离层分层因子，将整层格网电离层模型转化为上电离层格网模型。由于低轨卫星GPS 观测资料较少，导致大区域电离层分层因子确定精度低，转换精度较差，总体改正效果不太理想。综合分析已有方法的特点，我们提出了一种新的方法，它的基本思路是：虽然利用 GPS 观测资料求解的大规模(全球型或区域型)电离层模型不能提供高精度的电离层改正，但它至少可以一定程度地告诉我们全球范围内大致的电离层状态。根据这些信息，可在全球范围内沿低轨卫星轨迹选择若干个电离层活动比较平静和规律性较强的局部区域，再对这些局部区域有效地进行精确分层；利用分层因子将该区域内所有的高精度地基格网电离层延迟改正值转换为上电离层延迟格网模型值。根据这些局部的高精度上电离层延迟格网模型值，通过内插等有效方法获得该区域内低轨卫星飞行轨迹上的任意位置的绝对电离层延迟值，我们称这些电离层延迟值为上电离层延迟起算值，相应的区域为上电离层起算区域。尽管在非上电离层起算区域不能直接采取这种方法获得绝对电离层延迟改正。但在不考虑周跳的情况下，上电离层延迟的起算区与非起算区的观测是连续的，因此，在上述电离层精确分层的基础上，可以获得低轨卫星的高精度电离层延迟改正量：计算非起算区域相对于起算区域内的电离层起算点(历元)的电离层延迟的变化量，再结合电离层起算点的绝对电离层延迟量推求低轨卫星在非上电离层起算区域任意位置处的绝对电离层延迟量。

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