GPS电离层延迟Klobuchar模型与双频数据解算值的比较与分析

电离层延迟是影响GPS绝对定位的最主要因素,但由于电离层本身的不稳定性,加上目前对其物理特性的了解还有一定的模糊性,还只能采用精度有限的经验模型对其进行描述。对于GPS实时绝对定位,GPS系统的广播星历提供了Klobuchar模型的8个系数,可以用于单频接收机的电离层延迟改正;对于双频接收机,可以利用L1,L2,C1,P2进行计算得到电离层延迟值,但应考虑到卫星发射信号时产生的两频率间的硬件延迟TGD的影响。本文采用双频伪距求得电离层延迟值,用广播星历中各颗卫星的TGD参数进行改正,再根据L1和L2双频相位值求得的历元间的电离层延迟的变化采用Hatch类滤波递推模型对其进行平滑,从而求得较准确的对应于各个历元的电离层延迟值,将其作为真值与Klobuchar模型计算值进行比较,从而研究Klobuchar模型的精度和特点,并与IGS的后处理Klobuchar模型系数求得的电离层结果进行对比分析。对双频数据计算电离层延迟的算法进行详细研究,给出Klobuchar模型的具体计算过程,用位于武汉、北京和上海的IGS跟踪站的观测数据进行实际验证和算例分析,最后给出结论。

GPS电离层延迟Klobuchar与IRI模型研究

电离层延迟是影响GPS绝对定位的最主要因素,由于电离层本身的不稳定,加上目前对其物理特性的了解还有一定的模糊性,还只能采用精度有限的经验模型对其进行描述。分析了两种常用经验电离层模型的使用特点和改正精度,并利用4个IGS站多天GPS实测数据,研究了两种常用经验电离层模型应用于GPS用户定位时的改正效果,为GPS用户修正电离层延迟,选择合适的电离层模型提供了参考性建议。

IRI、NeQuick和Klobuchar模式比较研究

本文介绍了三种常见的电离层经验模式:IRI、NeQuick和Klobuchar,并且利用Jason-1卫星上搭载的高度计探测到的太平洋上空2006年电离层延迟数据,对这三个模式在低纬、中高纬地区模拟电离层TEC的精度进行了比较研究,结果表明:NeQuick、IRI-2007模式可以较好地模拟出白天电离层TEC位于赤道两侧的双峰结构,但不能得到精确的峰值大小和位置信息;三个模式在中高纬地区的模拟精度指标几乎全面高于低纬地区,其中,IRI模式在中高纬地区精度较高,相关性达到0.82022,标准差为3.0844TECU,NeQuick和Klobuchar模式模拟精度相当;整体比较,IRI-2007模式自相关系数为0.81016,NeQuick模式为0.70717,Klobuchar模式也达到了0.6878,说明这三个模式都能较好地模拟出电离层TEC的背景特征.总体上,IRI-2007模式精度最高,可以更有效地修正电离层延迟误差.

利用澳洲北斗GEO数据改进Klobuchar模型

利用澳大利亚科廷大学双频北斗GEO数据,分析了2013、2014年该地电离层VTEC的日变化、季节变化特性。在此基础上,针对Klobuchar模型在计算穿刺点VTEC上存在的不足提出一种改进模型。最后利用1a的数据对改进模型计算VTEC的精度进行评估。结果表明,改进模型计算VTEC的精度明显高于原模型,绝大部分月份精度提高超过10%,总体精度达到64%以上。

Klobuchar模型的实用分析与改进

电离层延迟误差是无线电信号传播中不可忽视的误差源.GPS特许用户利用双频接收机的双频观测值直接对电离层延迟进行实时测定,其所得结果精度很高.多数普通用户所使用的单频接收机依靠电离层模型对其进行误差修正,效果不很理想.本文通过WUHN观测站双频接收机10天的实测数据对GPS广播星历采用的Klobuchar模型进行了验证,其结果与前人论述相一致.此外,经由反映太阳活动强度的太阳相对黑子数对Klobuchar模型提出了新的改进方法.实验数据结果表明,该方法对此模型修正效果有大幅提升,对原模型修正效果>50%的修正率由60%左右提升至85%以上,>80%的修正率由10%左右提升至40%以上.在实际应用中单频接收机用户可以参考本文改进方法对Klobuchar模型进行修正.

基于抗差估计的Klobuchar-like电离层模型参数估计方法

提出基于抗差估计的Klobuchar-like电离层模型参数估计方法,借鉴与Klobuchar模型及其精化模型求解参数为分段条件的分段函数,进行无粗差、含单双粗差时最小二乘估计和抗差估计的Klobuchar-like电离层模型参数估计实验。结果表明,不论参与参数估计的数据中是否含粗差,基于抗差估计的参数估计方法均有良好的表现。

基于GPS信号和Klobuchar电离层模型反演地磁北极

基于地磁对电离层的影响,尝试利用GPS信号和Klobuchar模型估计地磁北极在地理坐标系中的位置,并建立了相应的数学模型。理论分析和数据验证了方法的可行性,如果进行Klobuchar模型的区域化改进和算法的完善,将更有利于地磁北极估计的可靠性和估计精度的提高。

Klobuchar电离层模型精化进展

电离层延迟是卫星导航定位的重要误差源之一。采用合适的电离层延迟模型可以有效地减弱电离层延迟误差对定位结果的影响。目前在导航定位中运用最广泛的是Klobuchar模型,但Klobuchar模型的修正率只有50%~60%。为了满足日益增长的导航定位精度的需求,不同的精化模型被提出。本文介绍了Klobuchar模型在GPS和BDS系统中的应用,比较了在两个系统应用时的差异。回顾概括了文献在Klobuchar模型的参数精化和模型精化两个方面的研究,并对各种精化模型进行了对比总结。模型精化的结果优于参数精化,未来对于Klobuchar模型的精化更趋向于模型精化。

利用GPS数据与Klobuchar模型估计地磁北极

基于地磁坐标和地理位置的关系,利用Newton迭代法推导了地磁北极的计算公式;根据Klobuchar模型中电离层电子含量与地磁位置的关系,给出地磁位置的表达式;进而建立了GPS观测量估计地磁北极的模型.理论分析和数据验证了方法的可行性,得出1)Klobuchar模型属于全球性的电离层估计模型,对于区域性电离层信息描述的不十分准确,建立区域化Klobuchar模型将更有利于地磁北极的估计;2)利用泰勒公式将Klobuchar模型线性化的过程中,公式仅取其一阶项,将会影响模型的精度,有待于提高模型的展开阶数;3)实际中地磁北极的估计结果受初始值得约束;4)不同计算方法和模型对结果的可靠性有所影响,试图选择其它估计过程和方法,提高估计的可靠性.

Klobuchar模型的解读

对于单频GPS接收用户,电离层时延是重要的测距误差.Klobuchar模型是一种计算方便、实用可靠、能够有效改正GPS单频接收机的电离层延时误差的方法.展示模型的演绎分析和具体解算方法,对GPS单频机解算程序编写有一定帮助.

利用Klobuchar模型和载波平滑伪距观测值模型分析电离层变化

在GPS测量中,电离层延迟是一个比较重要的误差来源。对于单频接收机,由广播星历中提供Klobuchar模型参数进行电离层延迟改正;对于双频接收机,采用载波平滑伪距观测值计算电离层延迟改正。利用深圳市连续运行卫星定位参考站系统的双频观测数据,分别用Klobuchar模型和载波平滑伪距观测值两种方法计算深圳市5个CORS站上的电离层延迟值,对两种模型计算的电离层延迟值进行比较,分析深圳市电离层延迟的周日变化规律。

改进Klobuchar电离层延迟模型在中国地区的精度评估

Klobuchar模型基本能反映电离层的时空变化特性,但该模型固定了初始相位以及夜间时延值,给模型引入了误差。因此,以电离层双频改正模型为背景场,利用中国境内外IGS站实测数据的准确性,不断改正Klobuchar模型的初始相位、夜间时延值和振幅,从而建立中国地区电离层延迟模型,并对改进的Klobuchar模型在中国地区的精度进行评估以及适用情况分析。结果表明:改进的Klobuchar模型精度显著提高,适用于中国地区在不同时空环境下的电离层模型建立。

基于GIM的Klobuchar电离层模型的精度及影响因素分析

利用2003年-2014年的GPS广播星历提供的Klobuchar模型的参数,计算得到全球范围内的电离层延迟,以CODE发布的高精度的全球电离层图(GIM)数据作为参考,对Klobuchar模型进行时空精度分析,并探讨太阳活动和地磁活动与模型精度相关性。结果表明:按年份来看,Klobuchar模型精度与太阳活动和地磁活动呈负相关,在太阳和地磁活动剧烈的年份,模型精度较差,反之较好。按月份来看,Klobuchar模型的精度呈现一个半年的周期,在一月份和七月份的精度较高,在四月份和十月份的精度较低。空间上,Klobuchar模型精度在南北半球大致呈现对称分布;在太阳和地磁活动剧烈的年份,在低纬度地区的精度较低,在中高纬度地区精度较高;在太阳和地磁活动平静的年份,模型在全球范围内的精度较好。

基于改进的Klobuchar模型建立南宁市区域电离层延迟模型

以最小二乘曲面拟合模型为背景场,利用南宁市区域CORS网实测数据,对Klobuchar模型的初始相位、振幅和夜间时延值不断改正,建立南宁市区域电离层延迟模型。结果表明,改进的Klobuchar模型精度有显著提高。

一种新的北斗Klobuchar模型及其精度分析

针对传统Klobuchar模型电离层延迟修正精度不高的问题,提出一种新的Klobuchar模型,以提高北斗导航系统的精度。利用欧洲定轨中心CODE的全球格网数据作为参考,使用松弛搜索法分别对覆盖中国区域的格网点和9个测站的观测数据进行算例分析。比较两种方法得出,新模型的修正精度相对于广播模型有大幅提高;新模型预报7d内的电离层时延值修正效果也比广播模型有明显改善;格网点上的平均修正精度从67.89%提高到78.44%,观测数据的平均修正精度从69.81%提升至82.34%。

适用于不同尺度区域的Klobuchar-like电离层模型

导航定位中运用最广泛的电离层修正模型是Klobuchar模型,但经典的Klobuchar模型不能满足日益增长的导航定位精度的需求,因此不同的精化模型被提出。本文利用GIMs分析了夜间电离层随地方时的变化和电离层电子总含量随纬度的变化情况,在对各种适用范围较广的模型精化方案进行归纳总结的基础上,提出了一种适用于不同尺度区域的Klobuchar-like模型,并利用不同太阳活动时期不同季节的GIMs建立了适用于单站、大区域和全球的Klobuchar-like模型、14参数Klobuchar模型和8参数Klobuchar模型。Klobuchar-like模型单站、区域、全球的修正率分别达到了92.96%、91.55%、72.67%,均高于14参数、8参数Klobuchar模型和GPS Klobuchar模型,表明了该模型的有效性与实用性。

基于ARIMA误差修正预测的Klobuchar模型精化

为了提高目前传统Klobuchar模型电离层延迟改正精度仅有50%~60%的修正率的现状,提出一种基于ARIMA误差修正预测的精化方法。采用IGS中心提供的电离层观测数据,利用双频改正模型解算的电离层VTEC值作为参考值,使用ARIMA模型对每个历元前8天Klobuchar模型和参考值之间的偏差值进行2天的短期预测,对Klobuchar模型加以偏差预测改正数进行改进。采用算例将参考值检验改进的A-Klobuchar模型的预报精度与Klobuchar模型的预报精度进行对比,结果表明:改进后的A-Klobuchar模型的精度明显高于Klobuchar模型,其总体预报精度达到了77.17%,能更显著地反映出电离层的周日变化特性。

北斗区域Klobuchar改进模型及其修正精度分析

北斗卫星导航系统采用Klobuchar模型修正单频接收机用户的电离层延迟误差,由于此模型从亚洲地区应用角度考虑,在某一特定区域的修正精度甚至不足50%。为进一步提高区域电离层延迟修正精度,提出在原模型8个改正参数的基础上增加5个关键参数的Klobuchar改进模型,并采用松弛迭代与直线搜索法中的黄金分割相结合的算法对新增参数进行求解。以天津及其附近区域为例,利用GPStation6接收机采集到的实测数据对改进模型与原模型进行计算。将国际全球导航卫星系统服务组织(International GNSS Service,IGS)发布的全球电离层格网数据作为参考值,对比分析改进模型与原模型的修正精度。结果表明,区域Klobuchar改进模型在天津及其附近区域的电离层延迟平均修正精度比原模型提升了10.46%,平均修正精度达到77.51%。

Klobuchar电离层模型误差分析及预测

电离层延迟误差是全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)中的重要误差源之一。目前在电离层延迟改正模型中,应用最广泛的是Klobuchar参数模型,但是该模型的改正率仅能达到60%左右,无法满足日益增长的精度需求。将国际GNSS监测评估系统(international GNSS monitoring&assessment system,iGMAS)发布的高精度电离层格网数据作为对照,对Klobuchar电离层模型误差进行计算和分析,结果发现在中纬度区域误差存在明显的周期性特征。为进一步提高Klobuchar电离层模型在中纬度区域的改正精度,建立了基于粒子群优化反向传播(back propagation,BP)神经网络的Klobuchar电离层误差预测模型,并以2019年10月的采样数据为例进行误差预测。结果表明,用该模型对中纬度区域电离层延迟提供误差补偿,可将精度提高到90%左右。

利用中国区域电离层数据拟合Klobuchar参数

对于单频GPS用户而言,电离层延迟是最重要的误差来源之一。GPS系统使用Klobuchar模型对电离层延迟进行改正,其改正数从根据经验模型和历史数据得到的370组常数选取。在缺少全球观测数据的情况下,仅利用中国区域观测数据拟合电离层模型参数,存在区域外精度下降,参数超限等问题。针对这些问题,提出了利用经验模型外推进行参数拟合的方法。相比广播Klobuchar参数,在太阳活动高峰年RMS误差减小接近7TECU,正常年减小1.5TECU,平静年精度也略有提升。2001年至2012年的拟合参数不存在参数超限现象,且量化后或者使用预报的电离层数据进行拟合,精度下降很小,可以用于预报全球电离层模型参数。