基于GPSTk的區(qū)域電離層TEC地圖重構(gòu)

王志鋼,歐　明

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

基于GPSTk的區(qū)域電離層TEC地圖重構(gòu)

王志鋼,歐明

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

摘要：電離層是影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸時(shí)延的重要因素之一,電離層總電子含量(TEC)地圖重構(gòu)是消除電離層傳輸時(shí)延的重要手段。GPSTk作為GPS數(shù)據(jù)處理的重要軟件之一,可以滿足區(qū)域電離層TEC地圖的重構(gòu)要求。本文針對(duì)GPSTk的特點(diǎn),深入研究了GPSTk的電離層TEC計(jì)算原理、數(shù)據(jù)處理流程及具體的軟件操作方法,該研究對(duì)基于GPS數(shù)據(jù)的電離層數(shù)據(jù)處理軟件的研制具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：電離層;總電子含量;GPSTk

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.014

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：： A

文章編號(hào)：： 1008-9268(2015)02-0062-05

收稿日期：2015-02-11

作者簡(jiǎn)介

Abstract:Ionospheric delay is one of the most important resources in satellite navigation systems, and TEC map reconstruction is the major way to eliminate the delay effect of the satellite navigation systems. As an important tool for GPS data processing, GPSTk software can be used to fulfill the requirement of the TEC map reconstruction. Based on the analysis of the characteristic of GPSTk, the principle of the TEC calculation, the flowchart of the data processing and the operational approach of the GPSTk were demonstrated in this paper, which will be helpful in the development of the GPS-based software for ionospheric data processing.

0引言

電離層延遲是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重要的誤差源之一,嚴(yán)重影響著用戶的定位精度。對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來說,因電離層折射引起電磁波傳播路徑的距離差,沿天頂方向最大可達(dá)50 m,而沿水平方向最大可達(dá)150 m[1]。通常可采用雙頻或多頻組合方式有效地消除這種影響。但對(duì)于單頻用戶來說,由于傳輸時(shí)延與電離層電子總含量(TEC)密切相關(guān),需要利用電離層TEC分布信息盡可能地消除電離層帶來的影響。構(gòu)建電離層TEC地圖,一方面可以為單頻用戶提供電離層延遲修正,另一方面可以研究電離層不同時(shí)空尺度的分布與變化特征[2]。目前對(duì)電離層TEC地圖已有大量的研究工作。在國際全球衛(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)中心(IGS)主持下,美國的噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(JPL)、瑞士歐洲定軌中心(CODE)、加拿大自然資源部(NRCAN)、德國歐洲空間局(ESA),以及西班牙卡塔魯尼亞理工大學(xué)(UPC)等[3]機(jī)構(gòu),利用IGS全球觀測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù),利用不同算法,建立了電離層TEC現(xiàn)報(bào)系統(tǒng),監(jiān)測(cè)全球電離層TEC變化.

GPSTk是由位于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室(ARL)在GPS 處理軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)的一個(gè)開源軟件項(xiàng)目,其主要目標(biāo)是為GPS研究、分析和發(fā)展提供非常好的GPS“類”套件[4]。

GPSTk庫通過使用ANSI標(biāo)準(zhǔn)的C++編程語言盡可能地實(shí)現(xiàn)平臺(tái)獨(dú)立性。同時(shí),面向?qū)ο缶幊痰脑瓌t貫穿了整個(gè)GPSTk代碼庫的設(shè)計(jì),用來確保代碼的模塊化,可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。GPSTk 套件包括核心庫、輔助庫以及一系列應(yīng)用程序。GPSTk庫為解決與GPS相關(guān)的問題提供了一系列的功能,其中主要包括:RINEX工具箱(Utilities),能夠?qū)PS觀測(cè)數(shù)據(jù)格式RINEX進(jìn)行檢查和操作、RINEX繪圖、周跳修正、數(shù)據(jù)殘差分析、時(shí)間轉(zhuǎn)換,Octave捆綁、電離層建模等應(yīng)用[5]。

基于GPSTk庫的特點(diǎn),本文主要研究了基于GPSTk的區(qū)域電離層TEC的重構(gòu)方法,并給出了基于GPSTk庫的電離層TEC的估算過程和重構(gòu)結(jié)果。

1電離層TEC計(jì)算原理

電離層TEC的計(jì)算主要基于電離層薄層模型,即認(rèn)為電離層主要集中在某個(gè)固定高度上(一般取350 km或400 km)。對(duì)于GPS雙頻測(cè)量:

(1)

聯(lián)系人： 王志鋼E-mail: 304554011@qq.com

P4=P2-P1.

(2)

將式(1)代入式(2),為此有:

P4=ζ4I+c(ΔbS-ΔbR),

(3)

(4)

電離層TEC可以通過垂直TEC乘于轉(zhuǎn)換因子得到,具體表示為

(5)

式中: TECv表示垂直TEC; Re表示地球半徑; ele表示衛(wèi)星與接收機(jī)之間的仰角,Hion表示電離層等效高度,一般取350km.GPSTk利用二維泰勒級(jí)數(shù)展開式表示區(qū)域垂直TEC的隨緯度和經(jīng)度空間變化[6],表示為

TECv(φ,λ)= A0+A1φ+A2λ+B0φ2+

B1φλ+B2λ2+C0φ3+C1φ2λ+

C2φλ2+C3λ3,

(6)

式中: (φ,λ)為電離層穿刺點(diǎn)在太陽-地磁坐標(biāo)參考框架下的緯度和經(jīng)度； A,B,C為泰勒級(jí)數(shù)展開式待估的參數(shù)。將式(4)、(5)、(6)代入式(3)有:

c(ΔbS-ΔbR).

(7)

利用多次GPS測(cè)量,式(7)可以表示為矩陣方程的形式,利用最小二乘法可求解得到未知系數(shù)Ai，Bi,Cj(i=0,1,2;j=0,…,3)和衛(wèi)星及接收機(jī)差分碼誤差ΔbS,ΔbR,將Ai;Bi;Cj代入式(6)即可重構(gòu)區(qū)域電離層TEC變化。

2電離層TEC地圖處理流程

為實(shí)現(xiàn)區(qū)域電離層TEC的重構(gòu),GPSTk的處理流程如下:1) 首先需要對(duì)原始觀測(cè)文件進(jìn)行預(yù)處理,GPSTk庫提供有ResCor工具包,可預(yù)先對(duì)雙頻GPS觀測(cè)文件進(jìn)行處理,得到電離層傾斜TEC(未消除硬件延遲),穿刺點(diǎn)經(jīng)緯度,衛(wèi)星仰角方位角等信息,預(yù)處理結(jié)果將保存于擴(kuò)展RINEX文件中；2) 利用GPSTk庫提供的差分碼偏差DCB估算工具包IonoBias,利用泰勒級(jí)數(shù)法和最小二乘法估算GPS衛(wèi)星和接收的硬件延遲DCB;3) 利用GPSTk庫提供的TECMaps工具包,讀取前兩步操作處理后的數(shù)據(jù),重構(gòu)產(chǎn)生電離層TEC地圖文件。具體處理流程如下圖所示。

圖1　GPSTk電離層TEC地圖處理流程

3Windows平臺(tái)下GPSTk的操作方法

3.1　目錄創(chuàng)建

安裝成功GPSTk后,打開GPSTk源代碼目錄,手動(dòng)新建三個(gè)文件夾,分別命名為alldata、processed、out.

3.2　GPS觀測(cè)文件下載

GPSTk主要處理標(biāo)準(zhǔn)格式的GPS觀測(cè)文件,批量數(shù)據(jù)下載主要代碼在getigs文件中。Windows環(huán)境下需要的支持軟件包括wget.exe、mv.exe、gzip.exe、ls.exe、xargs.exe(gnuwin32工具包包含以上可執(zhí)行程序,gnu是Linux/UNIX環(huán)境下的命令行,gnuwin32為移植到Windows平臺(tái)下的工具包)、crx2rnx(RINEX格式轉(zhuǎn)換程序,主要將*.d文件轉(zhuǎn)換為*.o文件,可從網(wǎng)站免費(fèi)下載)。

打開getigs文件,將里面不適合Windows平臺(tái)下的命令刪除,如帶#的注解等,將文件重新命名為getigs.bat(Windows下的批處理文件),在確保電腦與外界互聯(lián)的情況下,將自動(dòng)下載數(shù)據(jù)。可將對(duì)文件下載地址進(jìn)行更改,以下載自己想要的數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)下載完成后,將自動(dòng)保存在alldata目錄下,并自動(dòng)將文件解壓縮和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,最終產(chǎn)生*.o文件。

3.3　數(shù)據(jù)預(yù)處理

所有數(shù)據(jù)下載完成以后,即可執(zhí)行數(shù)據(jù)預(yù)處理的工作,數(shù)據(jù)預(yù)處理主要命令包含在gopre文件中,主要調(diào)用preprocess.pl程序進(jìn)行處理,運(yùn)行本步驟需要安裝perl環(huán)境,可在網(wǎng)站下載perl Windows安裝環(huán)境ActivePerl,安裝完后,將gopre命令行中的#注釋命令去除,保存為gopre.bat運(yùn)行,程序?qū)⒆詣?dòng)處理alldata文件下的*.o文件,中間處理結(jié)果將保存到processed文件夾中,每個(gè)*.o文件處理后產(chǎn)生兩個(gè)文件,后綴分別為.**o.sum和*o.RC.

本操作需要對(duì)preprocess.pl進(jìn)行修改,將原文件中的對(duì)應(yīng)位置改為如下:

if (＄＾O eq "MSWin32") {

＄slash="\";

# GPSTK prgms found here

＄prgmdir="C:\gpstk\bin";

}

其中的C:gpstkin為GPSTk軟件的安裝目錄,實(shí)際操作時(shí)應(yīng)以實(shí)際的安裝目錄為準(zhǔn)。

3.4　差分碼偏差DCB估計(jì)

差分碼偏差DCB估計(jì)的處理命令保存在gobias,執(zhí)行該文件需要ls.exe命令支持,命令通過調(diào)用GPSTk中的IonoBias工具進(jìn)行衛(wèi)星和接收機(jī)DCB估計(jì)。IonoBias工具需要讀取bias.inp配置文件,該配置文件包括了讀取列表文件list.files的內(nèi)容,而list.files主要保存*.o文件是否處理后的信息,若是成功處理后,則將狀態(tài)信息輸出到list.files文件中。gobias命令運(yùn)行后,輸出狀態(tài)為bias.log文件,文件輸出結(jié)果為satbias.txt文件。

要想處理不同區(qū)域的電離層TEC數(shù)據(jù),bias.inp文件中需要調(diào)整導(dǎo)航文件名稱,區(qū)域經(jīng)緯度范圍等配置內(nèi)容。具體為：nav導(dǎo)航文件名稱；MinLatitude 最小緯度；MaxLatitude最大緯度；-MinLongitude最小經(jīng)度；MaxLongitude最大經(jīng)度.

以上屬性更改完成后,將gobias文件中的注釋去除,保存為*.bat文件并雙擊運(yùn)行即可。

3.5　電離層TEC重構(gòu)

為得到電離層Map作圖信息,主要運(yùn)行g(shù)omaps命令實(shí)現(xiàn)。gomaps需要調(diào)用GPSTk軟件中的TECMap工具。具體操作方法:將文件中的″/home/btolman/gpstk/dev/apps/ionosphere/″刪除,只剩下TECMaps-fmaps.inp即可,保存為gomaps.bat文件,雙擊運(yùn)行即可。TECMap命令主要調(diào)用maps.inp配置文件中的內(nèi)容。

要想處理得到不同位置的電離層TEC數(shù)據(jù),Maps.inp文件中需要調(diào)整的地方包括:

調(diào)整基本配置參數(shù):nav:導(dǎo)航文件名稱;RxLLH:對(duì)應(yīng)的參考站緯度、經(jīng)度、高度坐標(biāo).

調(diào)整相應(yīng)的緯度點(diǎn)個(gè)數(shù),緯度起始點(diǎn)坐標(biāo),每個(gè)點(diǎn)緯度間隔等。其中：NumLat:緯度點(diǎn)個(gè)數(shù);BeginLat:起始緯度;DeltaLat:緯度間隔;調(diào) 整相應(yīng)的經(jīng)度點(diǎn)個(gè)數(shù),經(jīng)度起始點(diǎn)坐標(biāo),每個(gè)點(diǎn)經(jīng)度間隔等:NumLon:經(jīng)度點(diǎn)個(gè)數(shù);BeginLon:起始經(jīng)度;DeltaLon:經(jīng)度間隔;

gomaps命令運(yùn)行完后,out文件目錄下將產(chǎn)生電離層Map數(shù)據(jù)文件。

3.6　電離層TEC作圖

該步驟主要實(shí)現(xiàn)電離層TEC地圖的顯示和保存,GPSTk提供了相應(yīng)的代碼實(shí)現(xiàn)這一功能,但需要GNUplot的支持。本步驟主要利用see文件中的命令進(jìn)行作圖,see文件原始代碼為

#!/bin/bash

perl plotall.pl out/＄1 ＄2 ＄3 ＄4

這是Linux平臺(tái)下的命令,無法在Windows平臺(tái)下運(yùn)行,需要修改為如下形式:

perl plotall.pl out/igs 1 2879 1

其中，out/為TEC輸出數(shù)據(jù)保存的文件目錄；igs為所有文件的共同名稱；1代表起始時(shí)間點(diǎn),具體對(duì)應(yīng)為igs.0001,2879為結(jié)束時(shí)間,具體對(duì)應(yīng)為igs.2879；最后一位為時(shí)間間隔,具體命名表示為將igs.0001按照最后四位加1的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作直到igs.2879文件為止。為實(shí)現(xiàn)繪制圖片的輸出,需要將plotall.pl文件進(jìn)行更新:

將原文件中的no改為yes,如下:

my ＄pngout='yes'; # set to something other than yes for no.png output

同時(shí)將以下代碼中下劃線的部分改為wgnuplot.exe所在的路徑即可。

if (＄＾O eq "MSWin32") {

#open(GP, "C:\bat\gp ＄base.gp |");

open(GP, " c:\gnuplot\bin\wgnuplot.exe ＄base.gp |");

}

若不采用GPSTk默認(rèn)的GNUplot作圖,也可采用其它作圖軟件,如MATLAB、Surfer等也可實(shí)現(xiàn)類似的作圖效果。

4電離層TEC地圖重構(gòu)結(jié)果

利用上述GPSTk操作流程,本文利用2004第313年積日的美國邁阿密的10個(gè)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了區(qū)域電離層TEC地圖重構(gòu),數(shù)據(jù)下載地址為ftp://garner.ucsd.edu/pub/rinex,臺(tái)站位置如圖2所示。

基于GPSTk的區(qū)域電離層TEC重構(gòu)結(jié)果如圖3所示,其中圖3(a)表示1900LT的重構(gòu)結(jié)果,圖3(b)為2100LT的估算結(jié)果,從圖3(a)可以看出,在1900LT,電離層TEC表現(xiàn)了電離層TEC隨經(jīng)度變化較為明顯,而圖3(b)則主要表現(xiàn)出電離層的緯度變化,重構(gòu)結(jié)果呈現(xiàn)出了電離層TEC在夜間復(fù)雜的變化特征。

圖2　GPS觀測(cè)站位置分布

圖3　區(qū)域電離層TEC地圖重構(gòu)結(jié)果 (a)Year 2004,DOY:313,1900LT; (b)Year 2004, DOY:313,2100LT

5結(jié)束語

GPSTk作為一個(gè)優(yōu)秀的開源軟件,可方便地利用其庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)GPS觀測(cè)文件的預(yù)處理,包括周跳檢測(cè)與修復(fù),偽距平滑等,同時(shí)利用處理好的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行電離層DCB估算和電離層TEC地圖的重構(gòu)。本文通過對(duì)GPSTk的深入研究,給出了基于GPSTk的電離層TEC地圖重構(gòu)方法,同時(shí)利用GPSTk實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域電離層TEC地圖的重構(gòu)。

必須指出的是,由于GPSTk軟件的電離層垂直TEC采用非常簡(jiǎn)單的泰勒級(jí)數(shù)展開模型,在實(shí)際的使用過程中存在一定的模型系統(tǒng)性偏差,因此在未來的開發(fā)過程中,可以通過對(duì)GPSTk的電離層TEC計(jì)算過程進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn),以獲得更高的TEC重構(gòu)精度,這也是本文下一步的研究方向之一。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉基余, 李征航, 王躍虎,等. 全球定位系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M]. 北京:測(cè)繪出版社,1993.

[2] 周忠謨, 易杰軍, 周琪，等. GPS 衛(wèi)星測(cè)量與應(yīng)用[M].北京:測(cè)繪出版社, 2004:61-64.

[3] 翁利斌, 方涵先, 楊升高, 等. 基于IRI背景場(chǎng)的單站電離層TEC地圖重構(gòu)技術(shù)[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(4), 453-458.

[4] 劉景瑞,石波,趙倩. 電離層對(duì)流層對(duì)GPS偽距單點(diǎn)定位精度影響的效果分析[J].城市勘測(cè),2013,2(1),100-103.

[5] 德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室. GPSTk開源軟件[EB/OL]. (2008-12)[2015-01-05]. http://www.gpstk.org.

[6] TOLMAN B, HARRIS R B, GAUSSIRAN T,etal. The GPS toolkit-open source GPS software[C]// Proceedings of the 17th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2004), Long Beach, 24 September，2004：9.

王志鋼(1981-),男,工程師,主要從事電波環(huán)境監(jiān)測(cè)及其數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究。

歐明(1984-),男,碩士,工程師,主要從事電離層探測(cè)技術(shù)研究。

The Regional Ionospheric TEC Map Reconstruction

Based on GPSTk Software

WANG Zhigang,OU Ming

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Key words: Ionosphere; total electron content; GPSTk