電離層誤差

簡介

電離層是近地空間環境的一個重要組成部分，處於離地面以上約60km到1000km之間的大氣層，它是由太陽高能電磁輻射、宇宙線和高能粒子作用於中性高層大氣使之電離而產生的，是由電子、正離子和中性分子及原子構成的電漿區域。

由於電離層中存在自由電子，故GPS信號穿越這一區域時，並非用真空中的光速行進，而是形成調製信號包絡的傳播時延，這時延量的數值與傳播路徑上的總電子含量成正比，與載波頻率平方成反比。

電離層誤差正是由於電離層對GPS信號的各種影響導致其在傳播過程中產生時延，主要體現為定位精度的降低和定位方向的限制。電離層誤差是GPS測量中的主要誤差源，隨著時間和地點的不同發生變化，定位誤差範圍從幾米到百米以上。

電離層具有三大特性: 擴散性、互補性和瞬變性。

（1）電離層的擴散性即電離層的折射係數是電波頻率的函式。雙頻接收機利用這一特點藉助兩種頻率的觀測值加以組合來基本消除電離層誤差的影響。

（2）電離層的互補性即電離層對GPS中的碼觀測值和載波相位觀測值的影響是互補的。

根據無線電傳播理論，由碼觀測值測出的距離比真實距離偏長，其一階項修正為

；由載波相位觀測值測出的距離比真實距離偏短，其一階項修正為

。而電離層影響的一階項修正量占總修正量的99%。由此可見，電離層對GPS兩種觀測值的影響，就一階項而言，數值相等，符號相反，這就是電離層的互補性。（

為電子密度，

為電磁波信號的頻率）

（3）電離層的瞬變形即電離層對GPS測量的影響隨時間、地點、季節和年代而發生劇烈變化。

電離層對GPS定位的影響主要有碼群延遲( 即絕對測距誤差)、載波相位超前( 即相對測距誤差)、都卜勒時延( 即距速誤差) 以及信號衰減( 即振幅閃爍)。這些影響都是由於電離層折射引起的。

（1）碼群延遲及載波相位超前

碼群延遲使得碼觀測值測出的距離比真實距離偏長；載波相位超前使得載波相位觀測值測出的距離比真實距離偏短。

（2）都卜勒時延

都卜勒時延即電離層都卜勒頻移，是電離層的時間變化引起的。電離層都卜勒頻移取決於三個因素: 電離層的周日變化率、大範圍的不規則性和GPS動態用戶的速度。

（3）振幅閃爍

地球電離層的不規則性使GPS信號產生繞射和折射效應，從而使信號頻繁發生短周期衰減。這種現象稱為振幅閃爍。它將嚴重影響GPS接收機的跟蹤能力，造成信號頻繁失鎖，因而必須重新捕獲。

削弱電離層誤差的辦法有四：

（1）採用差分處理技術

將同時段的幾台接收機的觀測值進行差分處理，以消除幾台接收機都包含的、大約相同的電離層誤差。各點之間的距離越短，消除的程度越徹底。

（2）選擇最佳觀測時間