高階電離層改正對PPP對流層估計的影響

徐韶光 熊永良 王德軍 陳偉偉

1 西南交通大學地球科學與環境工程學院，成都市高新區西部園區，611756

電離層延遲是電磁波信號在通過電離層時引起的偏差。在精密單點定位（PPP）中，通常通過消電離層組合來消除一階電離層以提高參數的解算精度。由于一階電離層延遲在總電離層延遲中占99%以上，而相位消電離層觀測量中的二階電離層一般不超過2cm，目前大多數用戶在數據處理時未加入該項改正［1－3］。但在mm級定位中，若處于低緯度區域或電離層異常時，則必須考慮二階項甚至三階項。不少學者研究了二階電離層對定位精度的影響，但高階電離層改正對對流層估計的影響卻未見報道［4－7］。本文在探討二階、三階電離層計算方法的基礎上，重點研究高階電離層對PPP對流層估計的影響。

1 顧及高階電離層影響的對流層估計模型

顧及高階電離層影響的PPP模型如下：

其中，Pion、Lion分別為偽距和相位消一階電離層觀測量，包括各項誤差改正［8］；ρ為衛星至測站的空間幾何距離；dt為接收機鐘差；dt為衛星鐘差；c為光速；Md、Mw分別為干延遲和濕延遲投影函數，dry、wet分別為對流層天頂干延遲和濕延遲；I2為二階電離層延遲；I3為三階電離層延遲；Nc為組合模糊度；εP、εL為未模型化的偽距和相位噪聲。干延遲的近似值可以通過GPT 模型求取［9］，則待估參數為：

其中，Nm為第m顆衛星對應的組合模糊度。

將式（1）線性化，得：

其中，

若投影函數用三角函數近似表示，則：

由式（3）可知，二階、三階電離層對偽距和相位方程中濕延遲的影響與衛星高度角的正弦函數密切相關，其影響因子如圖1所示。

由圖1可知，高階電離層對偽距的影響遠大于對相位的影響，但通常在精密單點定位過程中偽距觀測量賦予的權比相位觀測量賦予的權小100倍，導致對最終結果起主導作用的仍為相位觀測量。如在天頂方向，高階電離層延遲值達1cm，則將有可能給該方向的對流層引入1cm 的誤差。改正該項誤差，可以提高對流層延遲的解算精度。

圖1 高階電離層對天頂對流層延遲的影響Fig.1 High－order ionospheres’effect on zenith tropospheric delay

2 高階電離層延遲的計算

二階電離層計算公式如下［1，3－4］：

式中，f1、f2分別為載波信號L1與L2對應的頻率，s可以采用下式計算：

其中，B為電離層穿刺點處的地磁場強度，單位為T；θ0為地磁場向量與衛星信號發射方向的夾角；STEC為信號傳播路徑上的電子總量。

穿刺點的位置計算一般采用單層模型，如圖2所示。式（5）中B可采用國際地磁參考場模型來計算，其分量計算式如下［10］：

其中，r、θ、λ分別為地心距離、地心余緯度、大地經度，a＝6 712.2km；gmn、hmn分別為高斯系數；Pmn（cosθ）是與地心余緯度有關的標準正交締合勒讓德多項式。只需提供r、θ、λ三個參數，便可通過IGRF模型獲取任意一點的地磁場分量。式（6）得到的是北、東、徑向的地磁場矢量，通過旋轉矩陣R0可以得到空間直角坐標系里面的分量，以便于求取θ0：

式中，a為磁場在笛卡爾坐標系中的矢量，b為信號發射方向的矢量。

STEC采用Hernandez－Pajares方法計算［3］：

其中，DCBrP1－P2為接收機硬件延遲；DCBSP1－P2為衛星硬件延遲，可以從IGS分析中心獲取，也可以自行編寫軟件計算。

由式（5）知，二階電離層的大小主要取決于穿刺點的磁場強度，以及磁場方向與信號發射方向的夾角和傳播路徑方向的總電子含量。其精度與地磁場模型有關，Dipole 模型的準確度約為75%，而IGRF模型則精度更高［3，11］。

圖2 電離層穿刺點示意圖Fig.2 Schematic diagram of ionospheric pierce point

三階電離層的計算可采用下式［11］：

將上式進行簡化，得：

由式（11）知，三階電離層完全取決于傳播路徑上的電子總量。由于該項誤差的值恒為正，如果衛星分布測站四周，水平方向誤差將抵消一部分，它將會更多地影響PPP 垂向參數的估計精度。

3 數據處理及分析

3.1 顧及高階電離層影響的精密軌道產品計算

為分析高階電離層對對流層延遲估計的影響，首先對2013－05－01的80 個測站觀測量進行二階電離層改正，或同時進行二階和三階電離層改正，然后利用改正后的觀測量進行定軌，同時求取相應的衛星鐘差［12］。該工作可由GAMIT 軟件完成。由于電離層延遲途徑為衛星信號傳送至接收機的方向，該方向與衛星至地心方向的夾角最大約14°，而cos（14°）約為0.96，故高階電離層改正對軌道的徑向精度影響最大。此外，衛星鐘差直接反映視線方向的距離誤差，因此高階電離層改正也有益于提高該項參數估計的精度。經解算，加入與未加入二階電離層改正的軌道徑向相差最大約2cm，沿軌方向和垂直軌道面方向最大相差約1cm，衛星鐘差相差不到1.5cm。這與Elsobeiey的結果相比偏?。?］，可能與軟件的系統偏差有關，另外時間也有影響。而三階電離層對軌道任何方向的影響均不超過1cm，對衛星鐘差的影響也不超過1cm。

3.2 顧及二階電離層影響的對流層估計

利用經過二階電離層改正后的軌道和鐘差產品作為起算數據，根據式（1）估算地面測站的對流層。該步驟由自行編寫的精密單點定位程序完成。選取的測試測站不在估算軌道產品的測站之內。其中，TWTF 站的30顆衛星對應的二階電離層如圖3所示，加入與未加入二階電離層改正估計得到的對流層差值如圖4所示。

圖3 TWTF站的二階電離層延遲Fig.3 Second order ionospheric delay of TWTF site

圖4 加入二階電離層改正后的對流層與初始對流層的差值Fig.4 Tropospheric delay difference between after correcting I2and original

由圖3可知，對于TWTF 站，二階電離層引起的消一階電離層相位觀測量誤差達1.5cm，如采用單頻觀測量則其影響擴大1.4倍或2.9倍。TWTF測站的緯度為24.95°，經度為121.165°，屬于偏低緯度地區。該測站的二階電離層相對較大，通常情況下二階電離層在中緯度地區達到5～10mm 較常見。由圖4可見，二階電離層對對流層的影響達幾mm，TWTF 站中最大影響超過3mm，轉換成可降水量約為0.5mm。由式（5）可知，二階電離層的影響與磁場強度有很大關系，而地磁強度在低緯度地區相對較大，導致二階電離層延遲較大。如要獲取精密的對流層延遲，則必須進行該項改正。

3.3 顧及三階電離層影響的對流層延遲估計

以MKEA 測站為例，該站的最大二階電離層延遲不超過13 mm，該站當天觀測到的32 顆衛星的三階電離層延遲如圖5所示。圖6則是該站分別加入二階與三階電離層以及僅加入二階電離層與未加任何高階電離層所估計的對流層的差值序列。

圖5 MKEA 測站的三階電離延遲Fig.5 Third order ionospheric delay of MKEA site

圖6 加入高階電離層改正后的對流層與初始對流層的差值Fig.6 Tropospheric delay difference between after correcting high－order ionosphere and the original

由圖5知，MKEA 測站三階電離層的值達到5mm，但從圖6看，三階電離層對對流層的影響甚小，不超過0.3mm。MKEA 測站的緯度約為19.8°，經度為－155.456°。通過與其他測站的計算數據比較，該站的三階電離層值相對較大。

需要注意的是，高階電離層的大小與時間有關。根據目前的電離層活躍周期，可大致判斷2013年電離層屬于中度偏高活躍期［13］。在電離層峰值期，要想獲取1mm 精度的對流層延遲，則需要同時進行二階與三階電離層改正。

4 結 語

1）二階電離層在低緯度地區對觀測量的影響可超過1cm，對對流層的影響可達3～4mm。若需獲取1mm 精度的對流層延遲，則中、低緯度地區的測站應加入二階電離層改正。

2）三階電離層的量級相對較小，一般不會超過5 mm，對對流層的影響一般不會超過0.5 mm，可忽略不計。

致謝：感謝IGS提供跟蹤站數據，感謝MIT授權使用GAMIT 以及Bob King耐心指導。

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