电离层延迟

基于ConvLSTM的北京区域电离层延迟建模
谭宗佩;白征东;张强;郭锦萍;段博文
【期刊名称】《测绘工程》
【年(卷),期】2024(33)1
【摘要】电离层延迟是影响卫星定位精度的重要因素,针对GNSS单频定位中电离层延迟改正精度较低的问题,文中利用Bernese5.2软件处理北京13个CORS站从2016-09-15—2016-10-14的GNSS观测数据,得到北京市及周边区域
(31°~47°N,108°~124°E)的VTEC值,并基于ConvLSTM神经网络建立北京市及
周边区域的电离层延迟模型VclNet,并将该模型与Klobuchar模型和GIM(c1pg)、GIM(c2pg)、三角级数模型、多项式模型的VTEC预报值进行了精度对比分析。

6种预报中,VclNet的效果最好,其对北京市中心点VTEC预报值精度为1.99 TECU,
区域VTEC预报值精度为2.09 TECU,Klobuchar模型的预报效果最差,中心点精度和区域精度分别为5.92 TECU和5.99 TECU。

【总页数】8页(P25-31)
【作者】谭宗佩;白征东;张强;郭锦萍;段博文
【作者单位】清华大学土木工程系
【正文语种】中文
【中图分类】P228
【相关文献】
1.基于BP神经网络的区域电离层延迟改正模型研究
2.基于拟合推估的中国区域电离层延迟精确建模方法
3.基于数据质量评估和全球格网模型的电离层延迟建模选站策略
4.基于区域电离层建模的硬件延迟参数估计
5.基于改进的Klobuchar模型建立南宁市区域电离层延迟模型
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电离层延迟名词解释电离层延迟是指电磁波在传播过程中受到电离层中电子密度变化的影响，导致信号传播的延迟现象。

电离层位于地球大气层的上部，主要由电离的气体分子和自由电子组成。

它的存在对太阳的辐射、无线电通信和导航系统等具有重要的影响。

在太阳活动较强的时候，电离层中的电子密度会发生变化，这会导致无线电信号在传播过程中产生延迟。

为了更好地理解电离层延迟，我们可以从以下几个方面进行探讨：1. 电离层的形成和结构：电离层是由太阳辐射中的紫外线和X射线等高能辐射离子化大气层分子而形成的。

它通常分为D层、E层和F层三个主要区域。

每个区域都有不同的电子密度分布，对信号传播的延迟影响也不同。

2. 电磁波传播过程中的影响：当无线电波进入电离层时，它们与电离层中的自由电子相互作用，受到电子密度变化的影响，从而在传播过程中发生折射、反射和散射现象。

这些现象导致了信号的延迟和传播路径的变化。

3. 太阳活动对电离层延迟的影响：太阳活动的变化会导致电离层中电子密度的变化。

太阳活动周期性的高峰期和低谷期会对无线电通信和导航系统等产生不同程度的影响。

在太阳活动高峰期，电离层的电子密度增加，信号传播的延迟增加；而在太阳活动低谷期，电子密度减少，延迟减小。

4. 对通信和导航系统的影响：电离层延迟对无线电通信和导航系统的正常运行具有重要影响。

在无线电通信中，电离层延迟会导致信号的时延和传输质量下降，从而影响语音和数据的传输质量。

在导航系统中，电离层延迟会导致定位误差和定位精度下降。

总结回顾：电离层延迟作为一种影响无线电通信和导航系统的现象，是由电离层中电子密度的变化所引起的信号传播的延迟现象。

太阳活动的变化对电离层中的电子密度有着重要的影响。

理解电离层延迟可以帮助我们更好地设计和优化无线电通信和导航系统，提高系统的可靠性和性能。

个人观点和理解：电离层延迟作为一个复杂的现象，需要综合考虑地球大气层的物理特性、太阳活动的变化等多个因素。

我认为，随着科学技术的不断发展，对电离层延迟的研究将会越来越深入，我们可以通过建立精确的模型和观测方法来准确预测和控制电离层延迟，提高通信和导航系统的性能和可靠性。

测距电离层延迟误差分析!"#测距电离层延迟误差分析!王举思($%&'$部队山东青岛 ($$))*)摘要在微波统一测控系统中,地面对航天器的跟踪主要是通过的群时延误差,称为电离层延迟误差.电磁波在电离层中传播时,信号的群速度见(!)式,因此由电离层延迟引起的距离(群时延)误差为!!"#!测$!真#"#%$&%!'()&'#"#%$&%['()]'式中积分为电磁波穿过电离层路径的单位面积截面柱体的总电子含量['()] '.由此可知,测距电离层延迟误差大小取决于电离层的电子浓度和积分路径以及电磁波信号频率.通常有三种直接测量电离层'()的方法:法拉第旋转法,双频载波相位差分法和群时延法.'*+%!,测速终端采用双程相干载波多普勒测速技术,由多普勒频率可计算出目标径向速度.径向速度计算方法如下*测#$&+,-%&.&+由于载波相位在电离层中以相速度传播,此时载波多普勒频率计算目标径向速度应为*真#$&+%&.&+,-,(!."#%$()&%)因此,由电离层引起的测速误差为!*"#*测$*真#&+,-(%&.&+),"#%$()&%根据多普勒效应的理论,对多普勒频率积分就可以计算出载波相位增量.如果给出正确的积分初值,就可用载波相位测距.但是,由电离层引起的载波测距误差与侧音测距误差数值相等,符号相反,载波测距误差为负值,而侧音测距误差为正值."距离数据系统误差分析方法距离数据系统误差主要分两类:一类是由设备引起的距离漂移误差和校零误差,其中校零误差在一个跟踪圈次中为固定值(通常在-$.内);另一类是由电波传播路径和目标运动引起的误差,它又可以分为电离层延迟误差,对流层折射误差和目标运动引起的时标误差."/!测距测速数据时标测距数据为某时刻目标的径向距离,时标打在收信号时刻;测速数据为0#.1积分时间内的平均速度,时标打在积分时间的中间点上."/%测距测速数据时标误差测距数据的时标为收信号时刻/",由于目标运动和电波传播延迟,测距数据的真实时标应为/"+!,时延!随目标距离而变化.如果直接修正!,则测距数据为非均匀采样;所以把/ "+!时刻的测距数据推算到/"时刻,现以!!的修正方法为例,计算如下!!0#!!.!!1*!.*%%同理,测速数据的时标误差修正如下*%0#*%.!!0.#%#%0(#%20*%.#%%0*!)1,*$$*!#%!3%飞行器测控学报第%!卷!"#测距测速数据误差分析在距离捕获完成后,选!$时刻侧音测距数据作为参考基准(积分初值)"$#"(!$)#"真(!$)$!"电离层(!$)$!"对流层(!$)$!"校零差$!"噪声(!$)如果用载波测距,则!$时刻距离值为"(!$)#"真(!$)$!"电离层(!$)$!"对流层(!$)$!"校零差$!"噪声(!$)由于信号电平变化,多普勒频率变化,温度和时间变化等因素,! $到!%时刻的侧音测距产生距离漂移误差,故!%时刻侧音测距表达如下"(!%)#"真(!%)$!"电离层(!%)$!"对流层(!%)$!"校零差$!"漂移(!%)$!"噪声(!%)如果用载波测距,则!%时刻距离值为"(!%)#"真(!%)$!"电离层(!%)$!"对流层(!%)$!"校零差$!"噪声(!%)用载波测速,速度值为&(!)#&真(!)$!&电离层(!)$!&对流层(!)$"&噪声(!)在上述几个表达式中,"真%"真.由于随机误差可以通过数字滤波的方法处理,校零误差主要是由多径传播引起的,而侧音调制在载波上,所以,!"校零差%!"校零差;对流层是非色散媒质,群速度等于相速度;电离层是一种色散媒质,群速度不等于相速度,而群延迟与相延迟大小相等,符号相反,所以!"电离层%&!"电离层.综合以上分析,则有"(!%)'"(!%)#'!"电离层(!%)$!"漂移(!%)"(!$)'"(!$)#'!"电离层(!$)(')由于测速终端测量的速度值是积分时间内的平均速度值,()&'*+测速终端采用数字载波环直接提取载波多普勒信息,多普勒频率测量的积分时间等于采样周期(,故有"(!%)#"(!$)$!%)#*&(())*("(!%)'"(!%)#"(!%)'["(!$)$!%)#*&(())*(]#'!"电离层(!%)$!"漂移(!%)(#)综合(')式和(#)式,则有"(!%)'["(!$)$!%)#*&(())*(]#'*[!"电离层(!%)'!"电离层(!$)]$!"漂移(!%)经过这样处理,可以做出测距电离层延迟和设备漂移共同引起的测距误差相对变化曲线.!"!测距电离层延迟误差分析现以某卫星第+圈和第,圈为例,分析距离数据的漂移误差和电离层延迟误差.在距离捕获完成后,任选一点距离数据作为速度积分初值距离"$,用速度数据积分作为标准,将实测距离曲线与它相比较,并画出距离漂移和电离层延迟变化的误差曲线.图*第+圈电离层延迟误差曲线图第+圈卫星升轨(由南向北),目标过顶时间'*时!!分,最高仰角为,#"-..在高纬度和中纬度地区,夜晚的电离层电子浓度比白天(中午)电离层电子浓度至少低一个量级,电离层引起的群时延误差可以忽/'第#期王举思:012测距电离层延迟误差分析略不计.因青岛站地处中纬度地区,目标过顶后电离层延迟误差应为零.从图!误差变化曲线看,目标过顶后电离层延迟误差为"#$%&',由此可以判断出!!电离层("()等于#$%&',对积分初值距离!(进行修正后再处理,曲线见图#.图#修正后第#圈电离层延迟误差曲线图图)初步求解的第$圈电离层延迟误差曲线图图*初步修正后第$圈电离层延迟误差曲线图第$圈卫星降轨(由北向南),目标过顶时间!(时*#分,最高仰角为$+%,-.根据电离层延迟误差特性,目标过顶时电离层延迟误差最小,假定过顶时的误差为零.但从图)误差曲线看,目标过顶时电离层延迟误差为"!(%&',必须对积分初值距离!(进行修正,修正值为#!',修正后的曲线见图*.在处理第$圈电离层延迟误差时,假定目标过顶的电离层延迟误差为零,但实际上此时电离层延迟误差不等于零.为了求解目标过顶的电离层延迟误差,假设此时前后一定空间内电离层的电子浓度不变,则电离层延迟误差与电波传播路径成正比.由于该卫星的运行轨道高度未超出电离层,只要扣除电波在,(.'以下的中性大气层中的传播路径(!%),就可以计算出电波在电离层中的传播路径(!&).根据大气分层特性和目标的俯仰角信息,电波在,(.'以下中性大气层中传播路径的计算方法为!%'!##(!#!)/01#!*(!!)123*+#飞行器测控学报第#!卷在图!中,!点为地心,"点为测量站,"#为地面水平线,$为目标俯仰角,%"为地球半径,%#$%"%&''''(.计算出电波在电离层中的传播路径%&(')(%('))%*(')现做一阶曲线拟合%&(')("+(!%,(')-#)从而求解出:"$)*+),和#$-.*.根据上述曲线拟合的结果,目标过顶时的电离层延迟误差为-.*(,再画出电离层延迟误差曲线和拟合曲线(图&),图&中虚线为拟合曲线.图&第.圈电离层延迟误差曲线和拟合曲线图+固定高度上电子浓度随纬度的变化("为地磁场力线,#为磁赤道位置)从图&曲线拟合结果来看,目标过顶前后一定空间内电离层的电子浓度不变的假设是成立的.第.圈卫星降轨(由北向南),目标进站时测距电离层延迟误差比拟合值小,而目标出站时测距电离层延迟误差比拟合值大,基本上与电离层电子浓度随纬度变化的规律相符合(见图+).另外,从第/圈和第.圈距离系统误差曲线图以及处理过的大量数据来看,由设备引起的距离漂移误差比较小,可以忽略不计.-#第,期王举思:/01测距电离层延迟误差分析根据曲线拟合的结果,可以求出电离层的平均电子浓度!"#$!%("#&$'()#%&$'%#%!%&$由此再计算电波在电离层中传播的相速度和折射率,就可对测速和测角数据进行修正.'结束语本文根据电离层电子浓度的变化特点,以及电磁波在电离层中传播的群速度和相速度的关系,提出了电离层延迟引起的距离(群时延)误差计算方法.采用这种方法处理了很多圈次的跟踪数据,表明夜间与白天测距系统误差曲线明显不同.从图!,图(和图)来看,测距电离层延迟误差与电子浓度变化的规律基本符合.求解出电离层的群时延,就可算出电离层的平均电子浓度和折射率,为测速和测角数据的修正提供了理论依据.这种方法针对中低轨道卫星比较实用,它既可以提高外测精度,又为电离层的研究提供了一种新方法.参考文献%熊浩等编著*无线电波传播*北京:电子工业出版社,!###!谢处方,绕克谨编*电磁场与电磁波*北京:高等教育出版社,%++#$柳维君编*微波技术基础*西安:西安电子科技大学出版社,%+,+"张守信编著*-./卫星测量定理论与应用*北京:国防工业出版社,%++('乔强编著*侧音轮发比相制测距系统*无线电工程,%++(,(!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!)(上接第%(页)'联合定轨在其它方面的应用联合定轨主要是基于存在星间测量的场合的一种定轨方法,理论上,各种卫星轨道,只要存在星间测量,就可以实施联合定轨.对于全球均匀覆盖的星座(导航星座,通信星座等),如果对星座的整体构型精度要求比较高,也同样可以采用星间测量,实施星座的联合定轨,这比通过地面站对各卫星分别定轨能够得到更好的星间相对精度.另外,对于星间间距比较小的编队飞行星座,如果没有星间链路,但地面站对各星能够同时测轨,这样在定轨时同样可以统一处理,同时解出各星的轨道.这是另一种形式的联合定轨,与有星间链路的联合定轨具有类似的性质.随着航天应用和航天技术的发展,星座和组网技术会日益得到广泛应用,定轨手段和定轨技术也会随之出现多样化的现象,联合定轨正是随着数据中继卫星系统的应用而出现的,相信随着卫星星座的广泛应用,联合定轨技术也会在其中发挥重要作用.参考文献%0123415567,892:4;6*72.29:C3C>*%,61<F12IJ012:4%++(:%%'K%!)#$飞行器测控学报第!%卷。

ΞW AA S电离层延迟误差校正的网格算法3孙　桦,牛力丕(西北工业大学,陕西西安　710072)[摘要]介绍了电离层中电磁波的传播特性,阐述了广域增强系统WAA S中对电离层延迟的校正算法,分析了主控站(WM S)中基于网格的实时电离层校正算法,阐明了该算法的原理并详细推导了计算公式和计算过程。

[关键词]电离层误差校正;广域增强系统;网格算法[中图分类号]TN927+・2 [文献标识码]A1　引　言W AA S(W ide A rea A ugm en tati on System)是从广域差分GPS发展起来的一种广域增强系统,它利用静地卫星向用户发播GPS完好性和差分修正信息数据,同时提供一测距信号,从而使GPS的完好性、可用性及导航精度大大提高。

由于电离层中气体分子的大量电离,当信号穿过电离层时,信号的路径会产生弯曲,传播速度会发生变化。

所以用信号的传播时间乘上真空中的光速而得到的距离并不等于卫星至接收机的几何距离。

对于GPS信号来说,这种距离差在天项方向时最大可达50m(太阳黑子活动高峰年11月的白天),在接近地平方向时(高度角为20°时)则可达150m,因此必须仔细地加以校正,否则会严重损害观测值的精度。

2　电离层中电磁波的传播特性电磁波在电离层中传播时的相速度vΘ与相折射率nΘ之间有下列关系:vΘ=CnΘ(1)其中C为真空中的光速。

在电离层中的相折射率nΘ可表示为:nΘ=1-K1 N e f-2±K2 N e (H0 co sΗ) f-3-K3 N2e f-4(2)式中:K1=e28Π2Ε0m,K2=Λ0e216Π2Ε0m2,K3=e4128Π4Ε20m2(3)式(2)和(3)中各符号的含义如下:n e—电子密度,m—电子的质量;e—电子所带的电荷;Ε0—真空中的介电常数;Λ0—真空中的导磁数;H—地磁场的大小;Η—地磁场矢量H0和信号传播方向之间的夹角;f—信号的频率。

VRS电离层延迟改正模型分析研究摘要:论文在对VRS系统的构成与原理方面进行介绍的基础上,并对接收机误差、卫星种差和信号传播误差在内的各种误差源进行分析。

其中重点介绍了电离层误差的处理方法与模型。

主要针对电离层误差的削弱分析了Klobuchar模型与双频P1P2码伪距组合法模型,并分别将这两种算法加入到定位程序中,通过对定位结果的分析,得出了Klobuchar模型是一种适用于中国地区实用有效的电离层改正模型。

关键词:VRS 电离层电离层延迟GPS虚拟参考站(Virtual Reference Station)定位技术,是一种应用计算机技术、因特网数据通讯技术和卫星定位技术于一体的综合性定位技术,它通过采用先进的多基准站网络RTK算法模型,成为常规RTK技术之后的第三代卫星定位技术的发展方向。

虚拟参考站的思想是通过参考站网络系统中的真实观测值产生实际不存在的虚拟站的”观测值数据”,并将这些数据传输给流动站。

通常使用VRS周围的3个或者更多的参考站的数据来计算VRS的观测数据。

这种方法对于长达35公里的基线,其水平精度可以达到5cm。

1 VRS系统及误差分析1.1VRS系统原理VRS的实质就是一个基于连续运行的GPS参考站系统。

它是网络RTK技术中的一种,由在固定区域内建立的三个或三个以上的GPS基准站组成,通过网络技术或无线通信技术与数据管理中心的控制软件相连,连续运行的GPS参考站实时向数据处理中心发送数据并由数据处理中心对发送来的原始观测数据进行综合处理后,信息发送中心将这些空间定位信息发送给需要的用户移动站,在移动站附近生成一个虚拟的参考站,然后进行双差解算位置修正数据,从而达到高精度、实时动态的定位与导航。

VRS系统示意图见图1。

图1 VRS技术示意图该技术方法的作业流程[1]如下:(1)各个参考站连续采集观测数据;(2)控制中心实时在线解算个基准站GPS参考站网内的载波相位整周模糊度值和建立误差模型;(3)用户将确定的粗略坐标(NMEA-GGA格式)传送给数据处理中心,控制中心在该位置创建一个虚拟参考站(VRS),通过内插得到VRS上各误差源影响的改正值,并按RTCM格式发给流动用户;(4)流动用户站与VRS构成短基线。

基于CORS的电离层延迟模型研究摘要：随着现代gps技术的迅猛发展，电离层延迟作为影响gps 定位精度的主要因素，成为人们关注的热点。

为了消除电离层对gps 定位的影响，出现了大量的电离层延迟改正模型。

本文利用cors 所提供的gps观测数据，重点研究利用双频gps观测值提取电离层tec的原理和方法，分析和比较vtec模型和神经网络模型两种不同建模方法的精度，发现相对于传统的vtec模型，神经网络模型的改正效果更为理想。

关键字：cors 电离层延迟 vtec 神经网络中图分类号：tn711 文献标识码：a 文章编号：1．引言电离层是近地空间环境的重要组成部分，处于离地面以上约50km~1000km之间的大气层，它是由太阳高能电磁辐射、宇宙线和高能粒子作用于中性高层大气使之电离而产生的，是由电子、正离子和中性分子及原子构成的等离子体区域。

充分的认识、掌握电离层结构和活动规律，我们可以：①寻求克服电离层所造成灾害的解决途径，探求利用电离层为人类造福的方法；②保障无线电通信、广播电视、超视距雷达等系统的可靠运行；③提高测速、定位、授时、导航等系统的精度；④在一定程度上为保障航天活动的安全、开发利用空间及维护人类的生存环境提供依据。

[3] 2．cors系统对电离层研究的意义gps系统的建成与运行，以及它在全球范围内诸多领域的广泛使用，为人类对电离层的监测与认识提供了丰富的数据资源。

利用gps 研究电离层，具有许多优点：①gps卫星轨道高，能测到高于2000km 的等离子层中的那部分电子量，而以往的技术很难做到。

②gps有20多颗卫星均布天空，地球上绝大部分地区都能连续观测到4颗以上的gps卫星，利于长期连续监测电离层活动。

③目前国际人地测量协会(iag)建立的gps服务网(igs)己在全球布设200多个长期观测站，该系统还提供电离层观测的各种资料及产品，是研究电离层的宝贵资源。

④利用gps测量tec，是目前精度最高的tec测量手段。