目录
第1章 绪论
1.1 研究背景........................................................................................................ 8 1.2 研究意义...................................................................................................... 11 1.3 研究现状...................................................................................................... 11
1.3.1 电离层信号传播问题
12
1.3.2 穿过电离层不规则体的随机信号传播问题.................................... 12
第2章 电离层信号传播理论基础
2.1 电离层介质特性简介.................................................................................. 14
2.1.1 电离层的分层结构............................................................................ 14 2.1.3 电离层不规则体及其表征方法........................................................ 16 2.2 电离层对卫星信号传播的影响.................................................................. 18
2.2.1 对卫星信号相位的影响-相位超前与色散 ...................................... 19 2.2.2 对卫星信号极化的影响-Faraday旋转 ............................................ 20 2.2.3 对卫星信号传播时间的影响-群延迟与色散 .................................. 22
第3章 双频GPS数据测量TEC
3.1 双频差分相位法测量TEC ......................................................................... 24 3.2 双频差分时延法测量TEC ......................................................................... 25 3.3 双频时延—相位联合测量TEC ................................................................. 26 3.4 双频GPS信号获取TEC数值模拟 ........................................................... 27
第4章 三频GPS数据测量TEC的方法
4.1 三频差分相位法测量TEC ......................................................................... 29 4.2 三频差分时延法测量TEC ......................................................................... 30 4.3 三频GPS信号获取TEC数值模拟 ........................................................... 31
第5章 总结与展望
5.1 本文的工作总结.......................................................................................... 33 5.2 工作展望...................................................................................................... 33
参考文献 ................................................................................................................... 34 致谢 ............................................................................................................................ 36
第1章 绪论
1.1 研究背景
GPS全球定位系统（Global Positioning System）是由美国国防部于七十年代开始研究，并于九十年代投入使用的全球卫星系统。
当前GPS研究热点无论是WAAS, LAAS，还是网络RTK技术，电离层延迟改正都是不可忽略的，此外整周未知数的解算速度也与电离层延迟能否正确的消除有关。近十余年兴起的电离层GPS探测技术，被确认为研究总电子含量最为准确的方法。随着GPS广泛应用，全国GPS永久监测网的布设以及各区域GPS综合应用网的建成，利用稠密的GPS多功能监测网的观测数据进行高时空分辨率电离层的动态监测，以及分析研究电离层TEC周口、季节性变化和半年度、年度变化提供了可能。GALILEO计划的顺利实施，使得在不久的将来，天空可见GNSS卫星数将大大增加，与现在相比，电离层穿刺点无论是从数量多少，位置分布均匀情况，都会有质的提高，从而为进一步精细电离层结构，提高其研究的分辨率提供了夯实的平台。
电离层探测技术经历了从地基到空基的发展。二十世纪20年代中期到50年代初期，电离层垂直测高仪是电离层探测中最早使用的探测手段之一，也是我国普遍使用的电离层探测仪器，我国境内已经布有很多测高仪。其基本原理是测量回波和发射脉冲之间的延迟，依此得到反射高度随频率变化的曲线，并通过计算进一步获得其它的电离层参数和信息，主要是电离层各层的临界频率、峰值高度以及一些电离层不规则结构的信息。但是这类技术不能进行电离层顶部探测，无法完全满足电离层研究需要。
在地基探测方面，除测高仪以外，大功率散射雷达是近年发展起的一种强有力的探测手段。依据散射机制不同，散射雷达分为相干散射雷达和非相关散射雷达。最具有价值的是非相干散射雷达，它能提供大量有意义的高层大气物理学参数(包括电子密度、电子与离子的温度、中性大气参数以及电场)的连续测量。特别是设在高纬地区的非相关散射雷达，获取的资料如配合磁层顶或磁尾卫星直接观测，在研究高纬电离层电场、电流等对行星和磁层扰动的响应方面有很大价值。但非相干散射雷达的建造和运行费用相当高昂，限制了它的普遍应用。
目前地基探测方法已口趋成熟，无论是探测仪器，还是数据处理方法和理论
解释都有很大进步，利用不同经纬度电离层台站提供的数据，对全面了解某个地区或全世界的电离层形态、结构及变化、扰动情况有很大的帮助。配合世界各国的电离层垂测数据，可以构建电离层全球模型，更好的为全球化通讯服务。因此，以地面为基础的测量方法仍具有重要意义。空基探测不仅覆盖范围要远大十地基探测，并目可以提高电离层的垂直分辨率。但是该技术与航天技术密切相关，而且对仪器精度要求也十分严格，一个国家航天技术发展好，其天基探测技术也往往领先十其他国家，如美国、俄罗斯、日本等国，我国目前航天事业面临着巨大的发展机遇，就电离层探测而言，为了配合与补充传统的地基探测手段，应当加强天基探测。
上个世纪50年代，人类第一颗人造地球卫星的发射成功，开辟了电离层物理等空间科学与地球科学研究的新时代。人们开始利用火箭和卫星对电离层进行了大量探测。基本上可以分为两类，一类是使用专门设计的物理仪器进行某些电离层参数的直接测量，例如用质谱仪、等离子体朗缪尔探针、磁强计、电荷分析器等获取有关成分，如电子温度和密度，直流和低频电场强度，地磁场强度，电子能谱分布等。另一类则主要依据电离层对电波传播的效应，在卫星上安装发射电波的信标天线，讯号相位受电离层影响，产生多普勒频移或偏振面的旋转，这一类测量得到的主要是沿传播路径的积分效应，例如总电子含量，以及沿路径的不规则结构造成的讯号闪烁性等。天基探测可以通过探针探测F2层以上的那部分离子浓度分布，结合地基的垂测仪所得到的数据，可以更完整的描绘出电离层的离子浓度分布。另外，通过航天器携带的仪器，还可以直接测得电离层的电场。各种粒子谱仪，还可以得到电离层离子的速度分布、能谱等重要的信息。
近代以来兴起的基于GNSS的空基掩星技术，大大改善了电离层的垂直分辨率。1995年，美国GPS/MET实验，成功证明低轨卫星(LEO)接受GPS信号实现电离层掩星技术的设想。目前，许多国家和地区都正在制订各自的发展掩星计划或已发射低轨小卫星进行GPS气象学研究，如德国的CHAMP计划、阿根廷SAC2C计划、丹麦的Orsted计划、美国和台湾地区联合的COSMIC计划、欧洲的ACE+计划、澳大利亚FedSat计划等等。掩星观测提供大量的电离层观测数据，将极大促进空间物理学研究的发展，提升空间环境预报的水平，具有极其重要的社会效益和军事价值[5]。
美国建立全球定位系统，不仅是全球导航定位技术发展的进步，同时利用
GPS卫星发射的卫星信标对电离层进行探测，开始取代上世纪中叶由对地静止卫星发射的电波利用法拉第旋转技术进行电离层探测的传统方法，成为新一代卫星信标观测的主要手段。GPS监测电离层与传统手段的优势主要包括:(1)GPS卫星轨道高度约为二万公里，观测所得的总电子含量不仅包括了电离层电子密度，还包括2000km以上的等离子体层中电子密度的影响，而以往的技术很难做到;(2)GPS星座的空间分布保证了在地球上任何位置任何时刻都能连续观测到4颗以上的GPS卫星，这有利于对电离层活动的长期连续监测;(3)目前国际大地测量协会建立的GPS服务网己在全球布设了几百个长期观测站，且观测站的数目仍在不断增加，该系统除提供原始观测数据外，还提供电离层观测的各种资料及产品，为研究电离层提供了丰富的资源[6]。
如今，GPS增加了位于1176.45MHz的第三个频率，此频率的使用将带来不少益处。由于该新频率位于一个受保护的航空频段内，所以航空用户将成为主要的受益者之一。由此，GPS在受到干涉和干扰的情况下将更加稳定。当载波相位差分用户也在其应用中拥有一个合理的短基线时，它也将成为主要的受益者。这种高精度应用正试图用在其他的一些方面。
新增加的频率是有多重因素造成的。主要原因之一就是要为导航用户提供电离层折射的测量值。在双频GPS数据中，只能对一阶项折射误差进行改正。如果仅对一阶项折射误差进行改正,那么在电子含量很大和卫星高度角又很小时, 求得的电离层延迟改正中的误差有可能达n个厘米。如果要达到优于厘米级的精度, 则理论上必须对折射误差的二阶项进行改正。此外, 要达到毫米级以上的精度, 必须对三阶项进行改正。在实际情况中, 用伪距进行一阶项改正的剩余误差大约达到米级, 使用载波相位进行一阶项改正的剩余误差可以达到厘米级。因此对于精密定位应用来说, 电离层折射误差的高阶项改正是十分必要的。另一个主要原因就是要提供信号的冗余度以克服有意或者无意的信号的干涉和干扰。由于电离层折射与频率的平方成反比，因此，如果能获得至少两个频率上的量测量时就可以消去电离层折射的影响。而利用现有的能够接收L1和L2信号的价格昂贵的GPS机虽然能够消去电离层折射的影响。但由于种种原因他们对于航空用户来说仍然是不够的。首先，也是最重要的是因为L2频段对航空用户来说不是受保护的。另外，由于目前对L2信号进行的调制以及非授权用户所遭遇到的明显的信噪比的衰退，使得即使是很小的干涉都可能导致无法获得信号（尤其是在低角度的情