GPS单频机电离层延迟改正新算法

liyf

第３７卷第６期
２０１２年６月
武汉大学学报· 信息科学版
Ｇｅｏｍａｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．６
Ｊｕｎｅ　２０１２
收稿日期：２０１２－０４－１７。
项目来源：国家自然科学基金资助项目（４０９０２０８１，４０７７４００１，４０８４１０２１）。
文章编号：１６７１－８８６０（２０１２）０６－０６６７－０４ 文献标志码：Ａ
ＧＰＳ单频机电离层延迟改正新算法
涂　锐１　黄观文１　张　勤１　王　利１
（１　长安大学地质工程与测绘学院，西安市雁塔路１２６号，７１００５４）
摘　要：探讨了几种新的电离层延迟改正算法，通过算例检验了新方案的效率和可行性，对不同精度用户选取
电离层延迟改正方案给出了建议。
关键词：ＧＰＳ；单频机；电离层延迟；改正算法
中图法分类号：Ｐ２２８．４１
　　对于ＧＰＳ双频用户，通常可以利用电离层延
迟效应与信号频率的平方反比关系，采用双频无
电离层组合方式有效地消除电离层延迟影响［１］。
但对于单频导航定位用户，电离层延迟的高效改
正是最关键的技术之一。高精度改正电离层延迟
误差不仅是单频用户提高精度的迫切需求，也是
双频用户进一步提高测量精度的基本要求。本文
探讨了几种新的电离层延迟改正算法，分别进行
了特性分析及改正结果分析评价，为单频用户高
效率改正电离层延迟误差提供了新的思路和
方法。
１　电离层延迟改正新算法
在ＧＰＳ导航定位研究和应用中，可以根据具
体条件和应用性能需求，设计巧妙合理的算法和
方案，高效地解决单频接收机电离层延迟问题。
１）基准站改正算法。当单频用户的测区内
拥有双频基准站时，可以利用基准站的改正信息
来削弱单频用户的电离层延迟影响。具体方法见
文献［２］。
２）单频反演双频进行无电离层组合消除算
法。当测区有３个或以上的基准站时，可以通过
双频数据建立历元差分电离层模型（ＳＥＩＤ模型），
将单频数据反演得到双频数据，进而采用无电离
层组合观测方程消除电离层延迟误差，具体方法
见文献［３］。
３）电离层延迟精细改正算法。在已知电离
层总电子含量的基础上，根据国际地磁场参考模
型ＩＧＲＦ给出的地磁场大小和方向，ＧＰＳ伪距观
测值Ｐ１
天顶方向电离层延迟一阶项、二阶项可
以表示为［４，５］：
Ｉ（１）
ｐ１ ＝ Ｃｘ
２ｆ２１
·ＶＴＥＣ＝α１·ＶＴＥＣ （１）
Ｉ（２）
ｐ１ ＝Ｃｘ·Ｃｙ
２ｆ３１
·Ｂ·ｃｏｓθ·ＶＴＥＣ＝
β１·Ｂ·ｃｏｓθ·ＶＴＥＣ （２）
式中各参数意义请参见文献［４，５］。
利用式（１）和式（２）可以定量计算电离层一、
二阶项延迟的数值大小，进而对单频观测值电离
层延迟进行精细改正。因二阶项量级较小，可以
只考虑一阶项。
４）参数估计改正算法。由于影响电离层的
因素很多，不同因素又带有较大的随机性，常规模
型对各因素的相互关系、变化规律及其内部机制
的描述并不全面，因此，利用这些模型得到的电离
层延迟并不能达到十分理想的精度［６］。本文分析
了常规的不同电离层映射函数和延迟函数的特
点，同时提出利用不同投影函数构造电离层参数
对延迟误差进行实时估计，即将电离层参数作为
待定参数代入观测方程，同位置参数、模糊度参数
等一同求解，从而达到提高改正电离层误差影响
的目的。对电离层延迟误差，引入参数进行估计：
Ｌ１流＝Ａ１Ｘ１＋Ｂ１ｄｔ１＋Ｃ１Ｎ１＋Ｄ１Ｉ１＋
φｏｔｈｅｒｓ１＋ε１ （３）
式中，Ｄ１
为参数系数；Ｉ１
为电离层参数，可以根
武汉大学学报· 信息科学版２０１２年６月
据不同的电离层投影方式选择电离层参数个数，
详情见文献［７］。
５）扩展的组合改正算法。电离层延迟的改
正是一项复杂的过程，在上述电离层延迟改正技
术中，可以采用多种技术进行组合改正。在常规
模型改正绝大部分电离层延迟的基础上，剩余的
电离层残差可以当做未知参数进行参数估计；也
可先利用基准站的准确坐标，提取包含有电离层
延迟信息的改正信息，对单频用户进行电离层延
迟改正后，再用参数估计剩余的电离层残差；或者
先借助于用户区域内的多站双频观测数据建立历
元差分电离层模型，将单频数据反演成双频进行
无电离层组合后，再进行基准站改正等。组合改
正技术通过组合两种或多种电离层改正技术，逐
步削弱电离层延迟误差，能得到较好的改正效果。
２　不同电离层延迟改正算法特性分
析
　　以上５种电离层延迟改正算法在改正精度、
实时性、可操作性等方面各有自己的优缺点。首
先，基准站改正算法利用双频基准站和单频流动
站电离层延迟误差近似共性的特点来消除单频流
动站用户的电离层延迟误差，其改正精度取决于
基准站坐标的精度和两地电离层延迟误差的共性
程度，并且随着基准站和流动站距离的增加，电离
层误差共性程度降低，改正精度会降低。在现代
数据通信和网络发达的条件下，该算法基本可以
实现实时或准实时改正，但是单频用户需要有双
频基准站的支持，在某些区域不可实施。单频数
据反演双频数据进行无电离层组合算法是借助双
频基准站数据建立区域历元差分电离层模型，进
而将单频数据反算得到双频数据。这种算法的精
度主要取决于双频基准站的数据质量和几何密度
分布，在基准站分布密集均匀区域，改正精度较
高。它的实时性也需要通信技术的支持，其优点
是单频数据反演的双频数据可以采用双频定位方
式结算，缺点是算法复杂，且需要单频用户的区域
有较多的双频基准站。电离层精细改正技术是在
知道电离层总电子含量的基础上，计算地磁场的
大小和方向，进而计算电离层延迟改正量，计算复
杂，其精度由电离层总电子含量的精度决定，因电
离层电子总量实时播发困难，因而实时性较差，但
该算法有较强的理论研究意义。参数估计方法将
电离层延迟作为未知参数进行估计，可以忽略电
离层各因素相互关系及内部机制，函数模型设计
简单，精度较好，实时性、适用性强，随机模型的正
确确定是提高其精度的前提。扩展的组合改正算
法综合利用两种算法的优点，实现优势互补，精度
和实时性都较好，只是算法复杂，计算操作较难。
总之，本文所提的几种电离层延迟改正算法的改
正精度、实时性都是建立在数据通信和基准站的
基础之上。随着通信网络技术的发展和大量
ＧＰＳ连续跟踪站的密集建设，它们的改正性能将
优于传统的电离层改正技术。
３　实验与分析
３．１　实验内容与方法
为了比较和分析本文探讨的算法的电离层改
正效果，用单频ＰＰＰ定位结果进行评价。实验数
据取自江苏省ＧＰＳ地面沉降监测网络２００９年１０
月２日的数据，数据采样间隔３０ｓ，数据观测值采
用Ｃ１
码和Ｌ１
相位值进行计算。从ＩＧＳ分析中
心下载了相应的精密星历和５ｍｉｎ采样率的钟差
文件，数据处理软件采用自编的精密单点定位程
序Ｐ３Ｓｏｌｕｔｉｏｎ。实验内容和方法可以概括为：
１）电离层常规技术改正。利用同一测站的数
据进行单频ＰＰＰ定位，电离层分别采用Ｋｌｏｂｕｃｈａｒ
模型（ＡＲ－１）、格网电离层模型（ＡＲ－２）和区域电离
层模型（ＡＲ－３）改正。需要说明的是，算例中格网
电离层模型采用ＣＯＤＥ全球电离层模型，区域电离
层模型是利用实验区的ＣＯＲＳ站数据，基于载波平
滑伪距和最小二乘曲面拟合模型建立的［８］。
２）电离层新算法改正。电离层延迟分别采
用精细改正技术（ＡＲ－４）、参数估计（ＡＲ－５）、ＳＥＩＤ
模型单频反演双频进行无电离层组合（ＡＲ－６）以
及基准站改正技术（ＡＲ－７）消除。需要说明的是，
精细改正算法中的国际地磁场模型采用ＩＧＲＦ１１，
参数估计算法采用电离层延迟３参数估
计［７］，基准站与实验站的距离最近的为３７ｋｍ，最
远的１２１ｋｍ。
３）电离层组合算法改正。先进行基准站改
正，再进行参数估计（ＡＲ－８）和基准站改正，最后
再利用ＳＥＩＤ模型单频反演双频进行无电离层组
合（ＡＲ－９）。
３．２　实验结果与分析
将实验结果与双频差分解（精度优于５ｍｍ）
相比较，其互差可认为是单频ＰＰＰ的定位精度。
从单频ＰＰＰ收敛速度和定位精度等方面分析和
评价本文算法的有效性，实验结果见图１～４和
表１。为方便画图，将定位残差统一取绝对值并画
６６８
　第３７卷第６期涂　锐等：ＧＰＳ单频机电离层延迟改正新算法
在零刻度下面，图中的（）表示该值是绝对值，表１ 给出了收敛速度统计信息。
图１　电离层常规技术改正后的单频ＰＰＰ收敛图
Ｆｉｇ．１　Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ　Ｍａｐ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ　ＰＰＰ　Ｗｈｉｌｅ　Ｕｓｅ　Ｒｅｇｕｌａｒ　Ｌｏｎｏｓｐｈｅｒｅ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
图２　电离层新技术改正后的单频ＰＰＰ收敛图
Ｆｉｇ．２　Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ　Ｍａｐ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ　ＰＰＰ　Ｗｈｉｌｅ　Ｕｓｅ　Ｎｅｗ　Ｌｏｎｏｓｐｈｅｒｅ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
图３　电离层组合技术改正后的单频ＰＰＰ收敛图
Ｆｉｇ．３　Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ　Ｍａｐ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ　ＰＰＰ　Ｗｈｉｌｅ　Ｕｓｅ　Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　Ｌｏｎｏｓｐｈｅｒｅ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
图４　不同电离层改正技术的单频ＰＰＰ定位精度统计图
Ｆｉｇ．４　Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ｏｆ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ　ＰＰＰ　Ｗｈｉｌｅ　Ｕｓｅ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ｌｏｎｏｓｐｈｅｒｅ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
表１　不同方案收敛速度点位精度统计表／ｍ
Ｔａｂ．１　Ａｃｃｕｒａｃｙ　Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ　Ｒａｔｅ　ｏｆ
Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ｐｒｏｇｒａｍｓ／ｍ
方案０．５ｈ １ｈ ２ｈ ５ｈ
ＡＲ－１　１．０３３　０．８０２　０．４０９　０．２２７
ＡＲ－２　０．７３４　０．５４２　０．２４４　０．１６５
ＡＲ－３　０．６９７　０．５６４　０．２８６　０．１２５
ＡＲ－４　０．２３１　０．２５２　０．１４５　０．０６１
ＡＲ－５　０．６２２　０．４６１　０．３３１　０．２２２
ＡＲ－６　０．００３　０．００７　０．００９　０．０１１
ＡＲ－７　０．０１９　０．０１８　０．０３８　０．０５０
ＡＲ－８　０．１００　０．０７９　０．０５３　０．００８
ＡＲ－９　０．２７１　０．２４２　０．１８３　０．００７
　　从图１和图４中可以看出，常规的模型改正
技术效果都较差，单频ＰＰＰ收敛速度较慢，定位
精度较差，相比较而言，区域电离层模型和格网模
型改正精度略高于广播星历模型。从图２～４和
表１中可以看出，采用电离层延迟改正新算法，单
频ＰＰＰ的收敛速度和定位精度明显优于常规方
法，尤其是基于ＳＥＩＤ模型的单频反演双频进行
无电离层组合技术和基准站改正技术，高效率解
决了电离层延迟问题，使得单频ＰＰＰ收敛速度大
６６９
武汉大学学报· 信息科学版２０１２年６月
大提高，明显优于常规模型改正，０．５ｈ内就收敛
到ｃｍ级精度，单天解定位精度从ｄｍ提高到ｃｍ；
在精细改正算法中，由于电离层电子总量的精度
不高，改正的效果也相对较差。从图３、４中可以看
出，组合改正技术中，基准站改正和参数估计组合
技术使得收敛速度最快，基准站改正和ＳＥＩＤ模型
单频反演双频无电离层组合技术定位精度最高，单
频ＰＰＰ达到ｃｍ级水平。从图１～４整体可以看
出，常规的电离层模型改正技术精度较低，改正效
果较差；新的改正算法和组合改正算法改正效果较
好，有效地克服了单频用户电离层延迟难以高精度
改正的问题，提高了导航定位的速度和精度。
４　结　语
卫星导航定位技术中，电离层延迟误差是一
个很重要的误差，尤其是对单频用户而言。为了
有效消除或削弱电离层延迟误差的影响，提高导
航定位的精度，需要选择一个合适的电离层延迟
改正方案。对于不同的用户需求，电离层延迟改
正的精度要求不一样，实时性和可操作性要求也
不尽相同，用户应根据自己的精度、实时性、可操
作性、成本等方面综合权衡，选取简单有效又满足
需求的电离层延迟改正方案。本文研究探讨的几
种新的电离层改正算法在精度、实时性和可操作
性上各有优缺点，并且改正精度较高，稳定性较
好。随着各城市连续跟踪站的建设和加密以及通
信技术的发展，它们将逐步替代常规的电离层改
正手段。
参　考　文　献
［１］　章红平，平劲松，朱文耀，等．电离层延迟改正模型
综述［Ｊ］．天文学进展，２００６，２４（１）：１６－２６
［２］　黄观文，涂锐．基于单基准站改正信息的实时精密
单点定位算法［Ｊ］．大地测量与地球动力学，２０１０，
３０（６）：１３５－１３９
［３］　涂锐，黄观文，张勤，等．基于ＳＥＩＤ模型的单频ＰＰＰ
双频解算方法研究［Ｊ］．武汉大学学报·信息科学
版，２０１１，３６（１０）：１　１８７－１　１９１
［４］　刘西风，袁运斌，霍星亮，等．电离层二阶项延迟对
ＧＰＳ定位影响的分析模型与方法［Ｊ］．科学通报，
２０１０，５５（１２）：１　１６２－１　１６７
［５］　刘西风，袁运斌．我国中低纬地区ＧＰＳ定位中的电
离层二阶项延迟影响分析与研究［Ｃ］．第一届中国
卫星导航学术年会，北京，２０１０
［６］　张小红，李征航，蔡昌盛．利用双频ＧＰＳ观测值建立
小区域电离层延迟模型研究［Ｊ］．武汉大学学报·信
息科学版，２００１（４）：１４０－１４３
［７］　涂锐，张勤，黄观文．单频精密单点定位电离层延迟
处理方法研究［Ｊ］．大地测量与地球动力学，２０１０，３０
（２）：９９－１０３
［８］　涂锐，张勤，黄观文，等．利用相位平滑伪距和最小
二乘曲面函数建立西安市区域电离层延迟模型［Ｊ］．
武汉大学学报·信息科学版，２０１１，３６（２）：２１８－２２１
第一作者简介：涂锐，博士，研究方向为ＧＮＳＳ精密定位。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｔｕｒｕｉ－２００４＠１２６．ｃｏｍ
Ａ　Ｎｅｗ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｎ　Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｄｅｌａｙ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ
Ｓｉｎｇｌｅ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ＧＰＳ　Ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ
ＴＵ　Ｒｕｉ１　ＨＵＡＮＧ　Ｇｕａｎｗｅｎ１　ＺＨＡＮＧ　Ｑｉｎ１　ＷＡＮＧ　Ｌｉ１
（１　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｇｅｏｌｏｇｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｇｅｏｍａｔｉｃｓ，Ｃｈａｎｇ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１２６Ｙａｎｔａ　Ｒｏａｄ，Ｘｉ’ａｎ　７１００５４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ＧＰＳ　ｓｉｎｇｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｕｓｅｒｓ，ｔｈｅ　ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｄｅｌａｙ　ｅｒｒｏｒ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ａｎｄ
ｉｎｔｒａｃｔａｂｌｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｄｅｌａｙ　ｅｒｒｏｒ
ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｆａｃｔｏｒ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｕｓｅｒｓ．
Ｓｅｖｅｒａｌ　ｎｅｗ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒａｍｓ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｎｅｗ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
　ａｒｅ　ｔｅｓｔｅｄ　ｂｙ　ｅｘａｍｐｌｅｓ．Ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｐｒｏｐｏｓａｌｓ　ｆｏｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｕｓｅｒｓ　ｔｏ
ｓｅｌｅｃｔ　ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｄｅｌａｙ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒａｍｓ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ；ｓｉｎｇｌｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ＧＰＳ　ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ；ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｄｅｌａｙ；ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
Ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ａｕｔｈｏｒ：ＴＵ　Ｒｕｉ，Ｐｈ．Ｄ，ｍａｊｏｒｓ　ｉｎ　ＧＮＳＳ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ．
Ｅ－ｍａｉｌ：ｔｕｒｕｉ－２００４＠１２６．ｃｏｍ
６７０】
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