電離層是高度位於60~1000 km之間的大氣層。在太陽紫外線、X射線、Y射線和高能粒子等作用下，電離層中的中性氣體分子被電離，產生大量的自由電子和正負離子，從而形成了一個電離區域。GPS信號在穿過電離層時，其傳播速度會發生變化，變化的程度主要取決於電離層中的電子密度和信號頻率;其傳播路徑也會略微彎曲。
利用我國北斗衛星信號可以進行電離層測量，利用該設備可實時監測所在區域上空電離層總電子含量和閃爍指數。
基本介紹
- 中文名：電離層測量
- 外文名：Ionospheric measurement
- 一級學科：工程技術
- 二級學科：能源工程
- 電離層：高度位於60~1000 km之間的大氣層
- 一種測量方法：利用我國北斗衛星信號測量
電離層,電離層對GPS測量影響,測量方法,
電離層
電離層（Ionosphere）是地球大氣的一個電離區域。電離層（ionosphere） 受太陽高能輻射以及宇宙線的激勵而電離的大氣高層。60千米以上的整個地球大氣層都處於部分電離或完全電離的狀態，電離層是部分電離的大氣區域，完全電離的大氣區域稱磁層。也有人把整個電離的大氣稱為電離層，這樣就把磁層看作電離層的一部分。除地球外，金星、火星和木星都有電離層。電離層從離地面約50公里開始一直伸展到約1000公里高度的地球高層大氣空域，其中存在相當多的自由電子和離子，能使無線電波改變傳播速度，發生折射、反射和散射，產生極化面的旋轉並受到不同程度的吸收。
大氣的電離主要是太陽輻射中紫外線和X射線所致。此外，太陽高能帶電粒子和銀河宇宙射線也起相當重要的作用。地球高層大氣的分子和原子，在太陽紫外線、Χ射線和高能粒子的作用下電離，產生自由電子和正、負離子，形成電漿區域即電離層。電離層從巨觀上呈現中性。電離層的變化，主要表現為電子密度隨時間的變化。而電子密度達到平衡的條件，主要取決於電子生成率和電子消失率。
電子生成率是指中性氣體吸收太陽輻射能發生電離，在單位體積內每秒鐘所產生的電子數。電子消失率是指當不考慮電子的漂移運動時，單位體積內每秒鐘所消失的電子數。帶電粒子通過碰撞等過程又產生複合，使電子和離子的數目減少；帶電粒子的漂移和其他運動也可使電子或離子密度發生變化。
電離層對GPS測量影響
電離層是高度位於60~1000 km之間的大氣層。在太陽紫外線、X射線、Y射線和高能粒子等作用下，電離層中的中性氣體分子被電離，產生大量的自由電子和正負離子，從而形成了一個電離區域。GPS信號在穿過電離層時，其傳播速度會發生變化，變化的程度主要取決於電離層中的電子密度和信號頻率;其傳播路徑也會略微彎曲，從而使得信號的傳播時間乘上真空的光速後所得到的距離不等於信號至接收機的幾何距離(一般情況下對測量結果影響不大，可以不考慮)。對GPS測量來講這種差異引起的測距誤差在天頂方向可達50m，在接近地平方向時(高度角為200)可超過100 m，在最惡劣的條件下可達150m，因此必須加以改正，否則會嚴重損害觀測值的精度。
目前修正電離層延遲，國內外通常採取的方法:①雙頻改正法；②利用電離層延遲的空間相關性通過相對定位（差分GPS）來消除其影響；③半和改正法；④建立電離層延遲模型。
羅力等對此進行相關研究，主要結論如下：
（1）電離層折射表現為色散效應，因此雙頻接收機能較好改正電離層折射延遲.用雙頻觀測值建立的VTEC模型其精度遠高於單頻用戶常用的克羅布歇模型，用雙頻觀測值建立電離層延遲模型代表了該領域的研究方向。
（2）VTEC模型是建立在實時狀態下，並且具有短時間的預報能力，即使在電離層延遲變化較大時，也能獲得較高的精度。
（3）要進一步提高VTEC模型的精度，可採用精度更高的觀測值，如載波相位平滑偽距觀測值、載波相位觀測值等。
（4）通過電離層擾動對GPS信號影響的研究，不僅可以提高GPS電離層實時改正的精度，而且可以用GPS監測電離層的相對變化，這有助於研究電離層的變化規律，為電離層監測服務。
測量方法
基於北斗衛星信號的電離層測量設備主要由主機和天線組成，主機由北斗衛星信號接收處理模組、電離層數據處理模組和電源模組三個模組組成，設備組成原理框圖如圖所示。
北斗區域衛星導航系統發播三個導航信號，頻率分別為1561. 098 MHz (B1 )、1207. 14 MHz（B2）和1268. 52MHz （B3），其中B1I和B2I為民用信號，碼速率均為2. 046 cps。為了提取電離層TEC（電離層總電子含量）信息，設備中天線和接收處理模組均為雙頻體制。
天線接收來自衛星的雙頻導航信號，並通過饋纜傳給北斗衛星信號接收處理模組;接收處理模組對信號進行處理後提取信號信息並送入電離層數據處理模組進行數據處理;經處理得到的電離層數據由基於TCP/IP協定的網路通信接口送出。北斗接收天線選擇高增益、低噪聲、極化方式為接近於半球增益覆蓋的右旋圓極化天線。北斗衛星信號接收處理模組選擇高精度、高採樣率的測量型模組。電離層數據處理模組採用現成的PC模組，具有處理能力強、存儲容量大、接口豐富、可運行Window s作業系統等特點。
