GPS TEC硬件延迟求解方法和WAAS电离层网格改正算法在中国地区的精度

【摘要】： 本文针对WAAS电离层误差改正方法在中国地区的应用，重点研究了两个方面的问题。第一，研究了典型的GPS TEC系统硬件延迟估计方法在中国地区的稳定性；第二，研究了FAA WAAS电离层折射误差网格改正算法在中国地区的精度。相关研究成果已经成功地应用到我国“神州四号”飞船电离层折射修正的任务中。 从GPS伪距和载波相位观测量出发，进行差分、平滑等相关处理得到的原始TEC数据中含有GPS卫星和GPS接收机的硬件延迟成分，对于WAAS系统高精度导航定位的要求而言，硬件延迟的大小是不可忽略的。本文利用全国地壳形变监测网2000年一、二月的GPS原始观测数据，采用垂直TEC的二次曲面模型方法，分析了GPS系统硬件延迟求解结果以及GPS卫星相对于平均值的硬件延迟求解结果在两个月的变化特征，以及表征GPS硬件延迟波动的标准差随纬度的分布情况。此外，还讨论了利用磁暴期间的TEC数据所解算的GPS硬件延迟的变化特点。结果表明：一方面，利用地磁中高纬台站所计算的硬件延迟的变化稳定，误差较小；而利用地磁低纬特别是赤道异常区内的台站数据所得到的硬件延迟的稳定性明显变坏，误差显著增大。另一方面，磁暴的发生也会给GPS硬件延迟的求解带来很大的误差。这在一定程度上说明，求解GPS接收机和GPS卫星的硬件延迟，应尽量回避电离层扰动和赤道异常区内的数据。根据上述原则，我们利用2002年中高纬区域中的部分IGS台站、连续“平静”数天的GPS观测数据，分别计算了GPS接收机和卫星硬件延迟，并提供“神州四号”飞船精密定轨专项任务使用，为“神州四号”飞船精密定轨任务的顺利完成提供了保障。 FAA WAAS电离层折射误差网格修正算法的精度在中国地区缺乏系统的验证。本文在对GPS系统硬件延迟进行“软”校正的基础上，验证了WAAS电离层误差网格修正算法在中国地区的精度。具体做法为：在纬度5°～55°N和经度70°～140°E之间的范围，按5°×5°的间隔在距地面350km的电离层参考面上划分一定数量的网格；以10个GPS观测站做为基准站WRS，依据电离层折射网格算法，计算了8个用户站穿透点经纬度处的垂直电离层延迟。在不同的地磁纬度、不同时间段以及不同的空间天气环境条件下，讨论了WAAS电离层网格算法的精度，并给出了误差分析。结果表明，该算法在中高纬度的精度较高，误差较小；在地磁纬度较低地区的精度明显下降，误差增大；在电离层暴期间，由网格算法得到的修正精度大大降低。对于电离层相对较为平静期间，白天、傍晚时段的误差大，而凌晨、夜间精度提高，误差减小。但在磁暴期间，白天、傍晚、凌晨的误差都显著增大。 总之，本文讨论了GPS TEC测量中GPS系统硬件延迟的稳定性，对电离层形态学的研究和卫星导航定位系统电离层误差修正有一定的参考价值。同时也讨论了成功应用于美国的FAA WAAS电离层网格改正算法在中国地区的修正精度问题。该算法对于地磁中高纬度地区精度较高，但在地磁低纬的中国南部地区其修正精度明显下降。因此我们认为，在我国建立类似的WAAS系统时，现有的WAAS网格改正算法存在明显局限性，必须加以改进和发展。