GPS硬件延迟计算精度及其稳定性分析

第33卷第5期2008

年9月

测绘科学

Science of Surveying and M app ing

Vol 133No 15

Sep.

GPS 硬件延迟计算精度及其稳定性分析

刘旭春, 李维功, 杨　军

①

②

③

(①北京建筑工程学院测绘系, 北京　100044; ②中航勘察设计研究院, 北京　100098; ③四维航空遥感有限公司, 北京　100037)

【摘　要】硬件延迟是利用GPS 进行TEC 测量时最大的误差源, 其影响可达30多TEC U 。为获得更准确的绝对TEC 数值, 必须利用一定的电离层模型计算得出GPS 系统硬件延迟。本文为估算利用一个时段内的观测数据计算得出的硬件延迟对后续时段TEC 测量的影响, 利用I GS 网络中60多个数据质量良好的GPS 跟踪站数据, 对硬件延迟的精度和稳定性进行了研究。结果表明:GPS 系统硬件延迟在短期内具有较好的精度和稳定性, 但是当发生电离层扰动现象时GPS 系统硬件延迟的精度和稳定性会遭到破坏。同时根据GPS 系统硬件延迟稳定性的研究成果, 本文还提出了一种对太阳耀斑进行预报的观点。【关键词】GPS; TEC; 硬件延迟; 太阳耀斑【中图分类号】P228　　　　　【文献标识码】A 　　　　　【文章编号】1009-2307(2008) 05-0075-03DO I:1013771/j 1issn [***********]1026

1　引言

随着GPS 技术的日益成熟、定位精度的不断提高, 其应用范围越来越广泛, 同时由于GPS 具有高精度、高可靠性、数据量大、全方位、可连续观测等优点, 目前利用GPS 双频观测值测量电离层TEC 不仅是GPS 广域增强系统(WAAS ) 基准站和中心站的主要任务, 而且被广泛地应用于电离层形态学和空间天气学等诸多领域当中[1, 2]GPS TEC 测量时, 度, 。TEC 测量时一般不对它们加以严格的区分, 而统称为GPS 系统硬件延迟[3]。

求解GPS 系统硬件延迟的方法很多, 其中利用一定的模型将硬件延迟当做一个未知数进行求解是目前较为常用的方法, 且具有较高的精度。而且Coco 和Sardon 等人还提出了计算硬件延迟的优化方案, 具有很好的效果[4,5]。本文利用未知参数法对硬件延迟进行了解算, 并对精度和其稳定性进行了分析, 得出了精度与观测数据的时段相关及短期内硬件延迟的变化稳定, 但电离层扰动的发生将破坏其稳定性的结论。同时根据GPS 系统硬件延迟稳定性的研究成果, 本文还提出了一种对太阳耀斑进行预报的观点, 通过对两起太阳耀斑事件的验证分析, 获得了较好的效果。

Δρ(1) TEC =91524×i +B i

ρ式中Δi 为某历元同一卫星两种不同频率所对应的伪距观测值的差值; TEC i 为相应历元的总电子含量; B i 为相

应历元的GPS 系统硬件延迟。

由于TEC , 所以为进行比较TEC 转() 6](2) =TEC ×z

:

z =arcsin R +H

cos e ) (3)

式中R 为地球平均半径, 在此取为63781137k m, H 电离层薄壳模型的高度, 在此取为400k m, e 为高度角。

在计算GPS 系统的硬件延迟时, 一般采用一定的电离层模型完成。电离层的模型众多, 本文选用的是VTEC 模型。其表达式形式为[6]:

i j

VTEC =∑　∑E ij (φ-φ0) (s -s 0)

i =0

j =0n

m

(4)

式中各符号含义以及参数的计算方法请参阅参考文献[6]等。

综合考虑以上各式, 则系统硬件偏差的表达式为:

Δρ(5) B =VTEC/cosz -91524

式中B 为GPS 系统硬件延迟(TECU ) , VTEC 是利用模型拟合后的结果, z 由卫星高度角求得。

2　硬件延迟的计算数据及方法

在进行GPS TEC 测量时, 可采用差分的方法, 利用双频载波相位或双频伪距观测值完成, 但由于载波相位观测值进行差分时, 硬件延迟被吸收到模糊度当中了, 所以本文采用差分伪距的方法对硬件延迟进行了计算。基本公式如下[6]:

3　计算结果

为进行硬件延迟研究, 本文从I GS 网站上获取了60多个数据质量良好的I GS 跟踪站的数据, 现仅以aom l 、harb 、nico 三个中纬度地区GPS 跟踪站2001年4月12日-2001

作者简介:刘旭春(19692) , 男, 黑龙江省伊春市人, 博士, 副教授, 主要从事测绘教学、GPS 数据处理及GPS 应用研究。E 2mail:liuxuchun@bucea 1edu 1cn 收稿日期:2007205231

基金项目:北京市教委科技发展计划项目(K M[1**********]0)

图1　ao m l 站各卫星一周硬件延迟的时间变化曲线

76

测绘科学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第33卷

表2　各站星相邻日对应时刻硬件延迟最大偏差情况

监测站卫星号

偏差2

12-139193

13-14-9126

14-1510195

15-163175

16-17-3121

17-183190

年4月18日每日时界时13:00-15:00

的数据为例, 时间

长度为一周, 采样间隔为30s 。将其据带入以上各式, 然后将计算得出的各数值带入VTEC 模型计算模型系数, 最后利用模型求算硬件延迟。数据处理后, 得其结果如图1、图2、图3:

时间13∶13∶3013∶09∶3013∶05∶0013∶03∶0013∶08∶3013∶08∶30偏差

-4108

-6158

9115

3118

-3147

2188

7ao m l

8

时间13∶00∶0013∶04∶3013∶11∶0013∶13∶0013∶07∶0013∶00∶00偏差

-2169

-3128

5170

-1117

-0190

1184

时间14∶33∶0013∶05∶0013∶05∶0014∶59∶3013∶08∶3013∶39∶30偏差

-2153

-3133

6101

1157

2100

2141

27

时间14∶16∶0014∶00∶0013∶36∶0013∶32∶0014∶59∶3013∶24∶00偏差

-2151

1172

-1156

0189

-0183

-0189

22harb

25

时间14∶16∶0014∶14∶3013∶20∶0014∶40∶3013∶11∶0013∶08∶00偏差

-2148

1157

-1156

0193

-0197

-0194

时间13∶02∶3013∶07∶3013∶22∶0013∶26∶3013∶14∶0014∶59∶30偏差偏差偏差偏差

[1**********]8

[1**********]4

-2130-1181-2115

[1**********]6

[1**********]4

[1**********]4

1421nico

29

时间13∶23∶0013∶02∶0013∶27∶3013∶05∶3013∶05∶0013∶02∶30时间14∶59∶3013∶00∶0013∶07∶3014∶29∶3014∶25∶3014∶21∶30时间13∶35∶3013∶13∶3013∶13∶3013∶43∶3013∶12∶3013∶10∶00

4103

1142

-2116

20188

-0153

3

时间13∶26∶3013∶0214∶01∶3014∶57∶00

4, s; ; 图正上方PRN 。

经拟合后各站星的每日硬件延迟及周均值如表1。

表1　各站星一周硬件延迟拟合后结果

监测站卫星号

2

[***********]13214013

[***********]12317013

[***********]14515017

[***********]13111015

[***********]13111015

[***********]12110013

18

均值

213613

延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度

2013

014

7

aom l

8

-01214014

615

-01211013

510

27

-01211015

419

22harb

251421nico

293

延迟-71-61-71-61-615-61-51-615精度

011

012

012

012

012

012

012

118

延迟-71-61-71-61-614-61-51-615精度延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度

[***********]012117013

[**************]

[**************]

[**************]

[**************]

[**************]

[**************]

[**************]

-21-21-11-311-31-31-113-11-11-01-213-21-21-118-11-21-11-218-31-31-118-11-21-11-218-31-31-211

经过进一步的数据处理, 得出相邻日硬件延迟在对应

时刻的最大偏差情况及时间如表2。

1中拟合后的每日硬件延迟及周, 不同站星的硬件延迟有较大的区别, 如aom l 和harb 站各卫星的硬件延迟相差近10TECU; 但是同一测站不同卫星的硬件延迟相差较小, 如nico 站各卫星间的硬件延迟最大仅相差不到1TECU 。但是同一监测站不同卫星相邻日的硬件延迟拟合结果却相差很大, 如表1中aom l 站PRN7卫星14日与15日的硬件延迟拟合后结果相差613TECU , 这一点从表2中各站星相邻日对应时刻硬件延迟最大偏差情况中也可以得到充分的证明。这说明本次实验所选时段内的GPS 硬件延迟在相邻日的变化很不稳定, 这种不稳定应当与观测值的选择有重大的关系。

综合比较三个监测站一周内各卫星的硬件延迟变化情况可以看出, 一周内各卫星的硬件延迟虽均有不同程度的偏差和跳跃, 但12日至15日三个监测站各卫星相邻日对应时刻硬件延迟的偏差和跳跃较大, 而16至18日则相对稳定, 12日至15日硬件延迟的偏差幅度基本为16至18日硬件延迟偏差幅度的2-3倍。

通过实际研究分析可知, 在2001年4月15日爆发了一起X1414级的太阳耀斑, 耀斑的开始、最大和结束的时间分别是13:16, 13:49, 15:35UT 。各监测站硬件延迟的偏差和跳跃应当是由于此次耀斑所致, 由表2中的数据可以看出, 硬件延迟发生最大偏差的时间大多都在太阳耀斑发生的时间内。也就是说太阳耀斑的发生期间以及发生前期均会对硬件延迟造成一定的影响, 但在耀斑发生前后对硬件延迟的影响并不相同, 表2的数据显示耀斑发生前硬件延迟的相邻日对应时刻平均偏差大约为5TECU, 而耀斑发生后相邻日对应时刻硬件延迟的最大平均偏差仅1TEC U 多。

从表1中硬件延迟的日拟合精度和周拟合精度可以发现, 日拟合精度一般为014TECU , 远高于平均约5TECU 的周拟合精度, 说明在硬件延迟计算时观测时段的选取至关重要。为研究耀斑的发生对硬件延迟的影响程度, 本文分别将一周的数据分为12日至14日(方案1) 以及16日至18日(方案2) 两个时段对硬件延迟进行了重新拟合, 并与一周数据的结果(方案3) 进行了对比, 结果如表3。

　第5期刘旭春等　GPS 硬件延迟计算精度及其稳定性分析

77

表3　不同时段拟合的硬件延迟及其精度比较

监测站

27

aom l

82722

harb

251421

nico

293

卫星号

延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度

方案1

[***********][***********][1**********]4-[1**********]7-[1**********]2-[1**********]3-[1**********]7-[1**********]4-[1**********]2

方案2

[***********][***********][1**********]8-[1**********]9-[1**********]0-[1**********]8-[1**********]9-[1**********]5-[1**********]7

方案3

[***********][***********][1**********]-[1**********]4-[1**********]8-[1**********]9-[1**********]7-[1**********]7-[1**********]6

离层扰动现象, 应重新选择观测时段和数据; ③一般情况

下, 拟合后相邻日的硬件延迟变化应在015TEC U 之间, 若超出此范围则应对硬件延迟结果进行重新计算, 以确保后续TEC 测量的准确性; ④根据本次实验太阳耀斑发生前期相邻日对应时刻硬件延迟出现大幅跳跃的现象, 通过大量实验验证后, 有望可以实现对太阳耀斑进行预报。

参考文献

[1]常青, 张东和, 肖佐. GPS 系统硬件延迟估计方法及

其在TEC 测量种的应用[J ].地球物理学报, 2001, 44(5) :506-601.

[2]袁运斌, 欧吉坤. GPS 观测数据种的仪器偏差对确定

电离层延迟的影响及处理方法[J ].测绘学报, 1999, 28(2) :110-114.

[3]常青, 张东和, 肖佐, 张其善. GPS 系统硬件延迟修

正方法[J ].科学通报, 2000, 45(15) .

[4]David S Coco, et al 1Variability of GPS satellite differenti 2

al gr oup delay biase [J ].I EEE Trans on AES, 1991, 27(6) :931-938.

[5]Sardon E, Zarraoa N 1Esti m ati on of t otal electr on content

using GPS data:How stable are the differential satellite and receiver instru mental biases [J ]1Radi o Sciecce, 1997, (5) 1-.

[6], . CPS 原理和

[M:-09.

[7of the TEC computed using GPS

measure ments -the p r oble m of hard ware biases [J ].Acta Geod Geoph Hung, 1997, 32(3) :451-459.

[8]Zhang Donghe, Xiao Zuo 1Study of the i onos pheric TEC

using GPS during the large s olar flare burst [J ]11997, (6) ; Chinese Science Bullet in 2000, 45:1655-1660. [9]刘旭春. 地基GPS 在大气监测中的应用研究[D].武

汉大学, 2006-12.

[10]蔡昌盛, 高井祥, 李征航. 利用GPS 监测电离层总

电子含量的季节性变化[J ].武汉大学学报(信息科学版) , 2006, (5) .

[11]蒋虎. 空基GPS 遥感地球大气参数方法研究[J ].测

绘学报, 2001, (08) .

[12]刘旭春, 等. GPS 遥感大气综合水汽含量局部区域模

型与通用模型结果的比较分析[J ]1测绘科学, 2006, 31(6) .

[13]蔡昌盛, 李征航, 赵晓峰. 太阳耀斑的GPS 监测方法

及实例分析[J ].武汉大学学报(信息科学版) , 2003, (8) .

从表3中的数据可以看出, 方案3() 的精度很低, 23倍; 案2; 大, 比方案10最后硬件延迟, -3的结果, 相邻日的硬件延迟变化平均约为2TECU; 而以若方案2的结果作为最后硬件延迟, 16-18日硬件延迟的稳定度优于另外两种方案的结果, 相邻日的硬件延迟变化平均约为015TECU 。说明在进行硬件延迟计算时, 选择太阳宁静日时段的观测数据不但可以获得很好的精度, 而且可以保证硬件延迟的结果具有较好的稳定度, 这将有助于后续时段TEC 测量的准确性。

5　结论

通过以上论述可以看出, TEC 测量时不但与GPS 系统硬件延迟的解算精度至关重要, 而且其稳定性也对后续TEC 测量存在较大的影响, 概括全文可得出如下几点结论:

①应选择太阳宁静日的GPS 观测数据对硬件延迟进行解算, 可以获得更好的精度; ②数据正常情况下, 连续三个太阳宁静日的观测数据拟合出的硬件延迟精度应该在015TECU 内, 若精度降低很多, 说明期间有可能发生过电

Ana lyz i n g the prec isi on and st ab ility of GPS hardware del ay

Abstract:Hard ware delay is the most significant err or of GPS TEC measure ment, which can be more 30TECU 1S o GPS hard ware delay must be calculated using a model of i onos phere t o gain more p recise TEC 1I n order t o esti m ate the influence bet w een different pe 2ri ods TEC measure ment, the p recisi on and stability of GPS hard ware delay is studied based on more than 60GPS tracking -stati on data in I GS net 1The result shows that GPS hard ware delay has better p recisi on and stability in short ti m e, but i onos phere disturbance will destr oy it 1M eanti m e, a vie w of p redicting s olar flare based on the achievement of GPS hard ware delay stability is p r oposed 1

Key words:GPS; TEC; hard ware delay; s olar flare

①②③

(①Beijing I nstitute of Civil Engineering and A rchitecture, Surveying and M ap 2L IU Xu -chun , L IW ei -gong , YAN G Jun

p ing Engineering Depart m ent, Beijing 100044, China; ②AV I C I nstitute of Geotechnical Engineering, Beijing 100098, China; ③CATI C SI W E IAviati on Re mote Sensing CO 1, LT D, Beijing 100037, China )

第33卷第5期2008

年9月

测绘科学

Science of Surveying and M app ing

Vol 133No 15

Sep.

GPS 硬件延迟计算精度及其稳定性分析

刘旭春, 李维功, 杨　军

①

②

③

(①北京建筑工程学院测绘系, 北京　100044; ②中航勘察设计研究院, 北京　100098; ③四维航空遥感有限公司, 北京　100037)

【摘　要】硬件延迟是利用GPS 进行TEC 测量时最大的误差源, 其影响可达30多TEC U 。为获得更准确的绝对TEC 数值, 必须利用一定的电离层模型计算得出GPS 系统硬件延迟。本文为估算利用一个时段内的观测数据计算得出的硬件延迟对后续时段TEC 测量的影响, 利用I GS 网络中60多个数据质量良好的GPS 跟踪站数据, 对硬件延迟的精度和稳定性进行了研究。结果表明:GPS 系统硬件延迟在短期内具有较好的精度和稳定性, 但是当发生电离层扰动现象时GPS 系统硬件延迟的精度和稳定性会遭到破坏。同时根据GPS 系统硬件延迟稳定性的研究成果, 本文还提出了一种对太阳耀斑进行预报的观点。【关键词】GPS; TEC; 硬件延迟; 太阳耀斑【中图分类号】P228　　　　　【文献标识码】A 　　　　　【文章编号】1009-2307(2008) 05-0075-03DO I:1013771/j 1issn [***********]1026

1　引言

随着GPS 技术的日益成熟、定位精度的不断提高, 其应用范围越来越广泛, 同时由于GPS 具有高精度、高可靠性、数据量大、全方位、可连续观测等优点, 目前利用GPS 双频观测值测量电离层TEC 不仅是GPS 广域增强系统(WAAS ) 基准站和中心站的主要任务, 而且被广泛地应用于电离层形态学和空间天气学等诸多领域当中[1, 2]GPS TEC 测量时, 度, 。TEC 测量时一般不对它们加以严格的区分, 而统称为GPS 系统硬件延迟[3]。

求解GPS 系统硬件延迟的方法很多, 其中利用一定的模型将硬件延迟当做一个未知数进行求解是目前较为常用的方法, 且具有较高的精度。而且Coco 和Sardon 等人还提出了计算硬件延迟的优化方案, 具有很好的效果[4,5]。本文利用未知参数法对硬件延迟进行了解算, 并对精度和其稳定性进行了分析, 得出了精度与观测数据的时段相关及短期内硬件延迟的变化稳定, 但电离层扰动的发生将破坏其稳定性的结论。同时根据GPS 系统硬件延迟稳定性的研究成果, 本文还提出了一种对太阳耀斑进行预报的观点, 通过对两起太阳耀斑事件的验证分析, 获得了较好的效果。

Δρ(1) TEC =91524×i +B i

ρ式中Δi 为某历元同一卫星两种不同频率所对应的伪距观测值的差值; TEC i 为相应历元的总电子含量; B i 为相

应历元的GPS 系统硬件延迟。

由于TEC , 所以为进行比较TEC 转() 6](2) =TEC ×z

:

z =arcsin R +H

cos e ) (3)

式中R 为地球平均半径, 在此取为63781137k m, H 电离层薄壳模型的高度, 在此取为400k m, e 为高度角。

在计算GPS 系统的硬件延迟时, 一般采用一定的电离层模型完成。电离层的模型众多, 本文选用的是VTEC 模型。其表达式形式为[6]:

i j

VTEC =∑　∑E ij (φ-φ0) (s -s 0)

i =0

j =0n

m

(4)

式中各符号含义以及参数的计算方法请参阅参考文献[6]等。

综合考虑以上各式, 则系统硬件偏差的表达式为:

Δρ(5) B =VTEC/cosz -91524

式中B 为GPS 系统硬件延迟(TECU ) , VTEC 是利用模型拟合后的结果, z 由卫星高度角求得。

2　硬件延迟的计算数据及方法

在进行GPS TEC 测量时, 可采用差分的方法, 利用双频载波相位或双频伪距观测值完成, 但由于载波相位观测值进行差分时, 硬件延迟被吸收到模糊度当中了, 所以本文采用差分伪距的方法对硬件延迟进行了计算。基本公式如下[6]:

3　计算结果

为进行硬件延迟研究, 本文从I GS 网站上获取了60多个数据质量良好的I GS 跟踪站的数据, 现仅以aom l 、harb 、nico 三个中纬度地区GPS 跟踪站2001年4月12日-2001

作者简介:刘旭春(19692) , 男, 黑龙江省伊春市人, 博士, 副教授, 主要从事测绘教学、GPS 数据处理及GPS 应用研究。E 2mail:liuxuchun@bucea 1edu 1cn 收稿日期:2007205231

基金项目:北京市教委科技发展计划项目(K M[1**********]0)

图1　ao m l 站各卫星一周硬件延迟的时间变化曲线

76

测绘科学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第33卷

表2　各站星相邻日对应时刻硬件延迟最大偏差情况

监测站卫星号

偏差2

12-139193

13-14-9126

14-1510195

15-163175

16-17-3121

17-183190

年4月18日每日时界时13:00-15:00

的数据为例, 时间

长度为一周, 采样间隔为30s 。将其据带入以上各式, 然后将计算得出的各数值带入VTEC 模型计算模型系数, 最后利用模型求算硬件延迟。数据处理后, 得其结果如图1、图2、图3:

时间13∶13∶3013∶09∶3013∶05∶0013∶03∶0013∶08∶3013∶08∶30偏差

-4108

-6158

9115

3118

-3147

2188

7ao m l

8

时间13∶00∶0013∶04∶3013∶11∶0013∶13∶0013∶07∶0013∶00∶00偏差

-2169

-3128

5170

-1117

-0190

1184

时间14∶33∶0013∶05∶0013∶05∶0014∶59∶3013∶08∶3013∶39∶30偏差

-2153

-3133

6101

1157

2100

2141

27

时间14∶16∶0014∶00∶0013∶36∶0013∶32∶0014∶59∶3013∶24∶00偏差

-2151

1172

-1156

0189

-0183

-0189

22harb

25

时间14∶16∶0014∶14∶3013∶20∶0014∶40∶3013∶11∶0013∶08∶00偏差

-2148

1157

-1156

0193

-0197

-0194

时间13∶02∶3013∶07∶3013∶22∶0013∶26∶3013∶14∶0014∶59∶30偏差偏差偏差偏差

[1**********]8

[1**********]4

-2130-1181-2115

[1**********]6

[1**********]4

[1**********]4

1421nico

29

时间13∶23∶0013∶02∶0013∶27∶3013∶05∶3013∶05∶0013∶02∶30时间14∶59∶3013∶00∶0013∶07∶3014∶29∶3014∶25∶3014∶21∶30时间13∶35∶3013∶13∶3013∶13∶3013∶43∶3013∶12∶3013∶10∶00

4103

1142

-2116

20188

-0153

3

时间13∶26∶3013∶0214∶01∶3014∶57∶00

4, s; ; 图正上方PRN 。

经拟合后各站星的每日硬件延迟及周均值如表1。

表1　各站星一周硬件延迟拟合后结果

监测站卫星号

2

[***********]13214013

[***********]12317013

[***********]14515017

[***********]13111015

[***********]13111015

[***********]12110013

18

均值

213613

延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度

2013

014

7

aom l

8

-01214014

615

-01211013

510

27

-01211015

419

22harb

251421nico

293

延迟-71-61-71-61-615-61-51-615精度

011

012

012

012

012

012

012

118

延迟-71-61-71-61-614-61-51-615精度延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度

[***********]012117013

[**************]

[**************]

[**************]

[**************]

[**************]

[**************]

[**************]

-21-21-11-311-31-31-113-11-11-01-213-21-21-118-11-21-11-218-31-31-118-11-21-11-218-31-31-211

经过进一步的数据处理, 得出相邻日硬件延迟在对应

时刻的最大偏差情况及时间如表2。

1中拟合后的每日硬件延迟及周, 不同站星的硬件延迟有较大的区别, 如aom l 和harb 站各卫星的硬件延迟相差近10TECU; 但是同一测站不同卫星的硬件延迟相差较小, 如nico 站各卫星间的硬件延迟最大仅相差不到1TECU 。但是同一监测站不同卫星相邻日的硬件延迟拟合结果却相差很大, 如表1中aom l 站PRN7卫星14日与15日的硬件延迟拟合后结果相差613TECU , 这一点从表2中各站星相邻日对应时刻硬件延迟最大偏差情况中也可以得到充分的证明。这说明本次实验所选时段内的GPS 硬件延迟在相邻日的变化很不稳定, 这种不稳定应当与观测值的选择有重大的关系。

综合比较三个监测站一周内各卫星的硬件延迟变化情况可以看出, 一周内各卫星的硬件延迟虽均有不同程度的偏差和跳跃, 但12日至15日三个监测站各卫星相邻日对应时刻硬件延迟的偏差和跳跃较大, 而16至18日则相对稳定, 12日至15日硬件延迟的偏差幅度基本为16至18日硬件延迟偏差幅度的2-3倍。

通过实际研究分析可知, 在2001年4月15日爆发了一起X1414级的太阳耀斑, 耀斑的开始、最大和结束的时间分别是13:16, 13:49, 15:35UT 。各监测站硬件延迟的偏差和跳跃应当是由于此次耀斑所致, 由表2中的数据可以看出, 硬件延迟发生最大偏差的时间大多都在太阳耀斑发生的时间内。也就是说太阳耀斑的发生期间以及发生前期均会对硬件延迟造成一定的影响, 但在耀斑发生前后对硬件延迟的影响并不相同, 表2的数据显示耀斑发生前硬件延迟的相邻日对应时刻平均偏差大约为5TECU, 而耀斑发生后相邻日对应时刻硬件延迟的最大平均偏差仅1TEC U 多。

从表1中硬件延迟的日拟合精度和周拟合精度可以发现, 日拟合精度一般为014TECU , 远高于平均约5TECU 的周拟合精度, 说明在硬件延迟计算时观测时段的选取至关重要。为研究耀斑的发生对硬件延迟的影响程度, 本文分别将一周的数据分为12日至14日(方案1) 以及16日至18日(方案2) 两个时段对硬件延迟进行了重新拟合, 并与一周数据的结果(方案3) 进行了对比, 结果如表3。

　第5期刘旭春等　GPS 硬件延迟计算精度及其稳定性分析

77

表3　不同时段拟合的硬件延迟及其精度比较

监测站

27

aom l

82722

harb

251421

nico

293

卫星号

延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度延迟精度

方案1

[***********][***********][1**********]4-[1**********]7-[1**********]2-[1**********]3-[1**********]7-[1**********]4-[1**********]2

方案2

[***********][***********][1**********]8-[1**********]9-[1**********]0-[1**********]8-[1**********]9-[1**********]5-[1**********]7

方案3

[***********][***********][1**********]-[1**********]4-[1**********]8-[1**********]9-[1**********]7-[1**********]7-[1**********]6

离层扰动现象, 应重新选择观测时段和数据; ③一般情况

下, 拟合后相邻日的硬件延迟变化应在015TEC U 之间, 若超出此范围则应对硬件延迟结果进行重新计算, 以确保后续TEC 测量的准确性; ④根据本次实验太阳耀斑发生前期相邻日对应时刻硬件延迟出现大幅跳跃的现象, 通过大量实验验证后, 有望可以实现对太阳耀斑进行预报。

参考文献

[1]常青, 张东和, 肖佐. GPS 系统硬件延迟估计方法及

其在TEC 测量种的应用[J ].地球物理学报, 2001, 44(5) :506-601.

[2]袁运斌, 欧吉坤. GPS 观测数据种的仪器偏差对确定

电离层延迟的影响及处理方法[J ].测绘学报, 1999, 28(2) :110-114.

[3]常青, 张东和, 肖佐, 张其善. GPS 系统硬件延迟修

正方法[J ].科学通报, 2000, 45(15) .

[4]David S Coco, et al 1Variability of GPS satellite differenti 2

al gr oup delay biase [J ].I EEE Trans on AES, 1991, 27(6) :931-938.

[5]Sardon E, Zarraoa N 1Esti m ati on of t otal electr on content

using GPS data:How stable are the differential satellite and receiver instru mental biases [J ]1Radi o Sciecce, 1997, (5) 1-.

[6], . CPS 原理和

[M:-09.

[7of the TEC computed using GPS

measure ments -the p r oble m of hard ware biases [J ].Acta Geod Geoph Hung, 1997, 32(3) :451-459.

[8]Zhang Donghe, Xiao Zuo 1Study of the i onos pheric TEC

using GPS during the large s olar flare burst [J ]11997, (6) ; Chinese Science Bullet in 2000, 45:1655-1660. [9]刘旭春. 地基GPS 在大气监测中的应用研究[D].武

汉大学, 2006-12.

[10]蔡昌盛, 高井祥, 李征航. 利用GPS 监测电离层总

电子含量的季节性变化[J ].武汉大学学报(信息科学版) , 2006, (5) .

[11]蒋虎. 空基GPS 遥感地球大气参数方法研究[J ].测

绘学报, 2001, (08) .

[12]刘旭春, 等. GPS 遥感大气综合水汽含量局部区域模

型与通用模型结果的比较分析[J ]1测绘科学, 2006, 31(6) .

[13]蔡昌盛, 李征航, 赵晓峰. 太阳耀斑的GPS 监测方法

及实例分析[J ].武汉大学学报(信息科学版) , 2003, (8) .

从表3中的数据可以看出, 方案3() 的精度很低, 23倍; 案2; 大, 比方案10最后硬件延迟, -3的结果, 相邻日的硬件延迟变化平均约为2TECU; 而以若方案2的结果作为最后硬件延迟, 16-18日硬件延迟的稳定度优于另外两种方案的结果, 相邻日的硬件延迟变化平均约为015TECU 。说明在进行硬件延迟计算时, 选择太阳宁静日时段的观测数据不但可以获得很好的精度, 而且可以保证硬件延迟的结果具有较好的稳定度, 这将有助于后续时段TEC 测量的准确性。

5　结论

通过以上论述可以看出, TEC 测量时不但与GPS 系统硬件延迟的解算精度至关重要, 而且其稳定性也对后续TEC 测量存在较大的影响, 概括全文可得出如下几点结论:

①应选择太阳宁静日的GPS 观测数据对硬件延迟进行解算, 可以获得更好的精度; ②数据正常情况下, 连续三个太阳宁静日的观测数据拟合出的硬件延迟精度应该在015TECU 内, 若精度降低很多, 说明期间有可能发生过电

Ana lyz i n g the prec isi on and st ab ility of GPS hardware del ay

Abstract:Hard ware delay is the most significant err or of GPS TEC measure ment, which can be more 30TECU 1S o GPS hard ware delay must be calculated using a model of i onos phere t o gain more p recise TEC 1I n order t o esti m ate the influence bet w een different pe 2ri ods TEC measure ment, the p recisi on and stability of GPS hard ware delay is studied based on more than 60GPS tracking -stati on data in I GS net 1The result shows that GPS hard ware delay has better p recisi on and stability in short ti m e, but i onos phere disturbance will destr oy it 1M eanti m e, a vie w of p redicting s olar flare based on the achievement of GPS hard ware delay stability is p r oposed 1

Key words:GPS; TEC; hard ware delay; s olar flare

①②③

(①Beijing I nstitute of Civil Engineering and A rchitecture, Surveying and M ap 2L IU Xu -chun , L IW ei -gong , YAN G Jun

p ing Engineering Depart m ent, Beijing 100044, China; ②AV I C I nstitute of Geotechnical Engineering, Beijing 100098, China; ③CATI C SI W E IAviati on Re mote Sensing CO 1, LT D, Beijing 100037, China )