电离层、对流层改正模型对基线解算的影响

电离层、对流层改正模型对基线解算的影响

电离层延迟
电离层是近地空间环境的一个重要组成部分，处于离地面以上约60km到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
由于电离层中存在自由电子，故GPS信号穿越这一区域时，并非用真空中的光速行进，而是形成调制信号包络的传播时延，这时延量的数值与传播路径上的总电子含量成正比，与载波频率平方成反比 。
电离层误差正是由于电离层对GPS信号的各种影响导致其在传播过程中产生时延，主要体现为定位精度的降低和定位方向的限制。电离层误差是GPS测量中的主要误差源，随着时间和地点的不同发生变化，定位误差范围从几米到百米以上。（基本概念引用百）
目前，消除电离层延迟的方法主要有：
a)根据全球各电离层观测站长期积累的观测资料建立全球性的经验公式，用户可利用这些模型来计算任意时刻任一地点的电离层参数，较为有名的模型有本特（Bent）模型、国际参考电离层（International Reference Ionosphere）模型、GPS广播星历所采用的克罗布歇模型基本上也属于此类模型。（“模型改正法**”）
利用GNSS双频观测值所建立的实测模型。较有名的全球模型有IGS所提供的电离层格网模型和CODE数据处理中心提供的球谐函数表示的模型。此外，各地区也可以利用本地区的双频观测资料建立局部的模型。
b) 利用同步观测值求差,这种方法对于短基线的效果尤为明显。
c) 使用双频GNSS观测值来消除电离层延迟。（ “双频改正法”：GPS卫星之所以要用两种不同的频率来发送信号，其主要目的在于此。三频接收机能更好的消除电离层延迟）（手敲）
对流层延迟
在GNSS领域，对流层延迟是定位误差来源之一。卫星导航定位中的对流层延迟通常是泛指电磁波信号在通过高度为50km以下的未被电离的中性大气层时所产生的信号延迟。在这种介质中，与L1和L2上GPS载波和信号信息（PRN码和导航数据）相关联的相速和群速，相当于自由空间传播被同等地延迟了。这种延迟随对流层折射率而变，其折射率取决于当地的温度、压力和相对湿度。如果不补偿，这种延迟的等效距离可从卫星在天顶和用户在海平面上的2.4m左右到卫星在约5°仰角上的25m左右。（基本概念引用百）
目前，消除对流层延迟的方法主要有：
(1)采用对流层模型加以改正,其气象参数在测站直接测定。常用的对流层改正模型有：霍普菲尔德（Hopfield）模型、萨斯塔莫宁（Saastamoinen）模型、勃兰克（Black）模型。
i. 在一般情况下，在天顶方向不同模型差异仅为几毫米。
ii. 在卫星高度角E<30度，不同模型间的差异变得较为明显，E=15度时，不同模型所求得的信号传播路径上的对流层延迟间的互差也只有几厘米。
iii. 在高山地区（拉萨）用不同模型求得的天顶方向对流层延迟可能相差数十厘米。建议采用萨斯塔莫宁（Saastamoinen）模型。（手敲）
(2)利用同步观测量求差。
基线解算实战对比分析
使用天宝net r9在三个地点进行连续静态观测，观测时长为4天，天线安装在房顶强制对中抱杆上，10°观测角度内无遮挡。（观测环境较好，符合静态测量的条件，这里不再做过多环境静态测量测量环境堪选方面的赘述）。
分别使用科研精密解算软件gamit，商用软件华测CGO软件对同一组静态数据（RINEX格式）进行基线解算（目前市场上商用软件，作者只发现华测的软件可以进行电离层、对流层改正模型的选择和禁用，其它商用软件“莱卡LGO”、“天宝TBC/TGO”、“南方”、“中海达”的基线解算软件均不能根据用户的需求来选择改正模型和禁用改正模型）

上表格为基线解算的对比分析，三条基线观测距离最长为16.3KM，最短为9.8KM，属于中长基线，（根据“全球定位系统接收机校准规范”规定中长基线观测时间为大于2.5小时，本次观测时长完全满足规范要求）

本次电离层、对流层的改正模型使用的分别为Hopfiled和Klobuchar模型，从实际解算的数据对比分析可知：使用了电离层、对流层的改正模型计算出来的基线长度与gamit解算出来的数值更接近，差值基本在毫米级，静态相对定位的解算精度较高。不使用改正模型计算出来的基线长与gamit对比，差值在厘米级。其它商用软件，均不具备自己手动选择改正模型的功能，华测CGO可选择的对流层改正模型如下：

在拉萨高山等区域建议使用萨斯塔莫宁（Saastamoinen）模型。
其它商用软件中，天宝TBC软件为基线解算的较好软件，各家软件在中长距离的解算精度均能满足C级以下静态观测的要求。在A、B级网中，要求使用科研软件gamit进行解算。在之前的测试中，使用天宝的接收机静态观测24h， TBC软件进行全国CORS网坐标基线解算、闭合环、无约束平差、约束平差，2000KM处计算出来的坐标与真值平面坐标相差在5cm以内。使用国产接收机静态观测24h，解算2000KM处的坐标点，计算出来的平面差值为10cm以内。